變頻器的使用方法及發(fā)展方向

　　變頻器的使用方法及發(fā)展方向

　　變頻器原理（英文Variable-frequency Drive，簡稱VFD）是應(yīng)用變頻技術(shù)與微電子技術(shù)的原理，通過改變電機(jī)工作電源頻率的方式來控制交流電動(dòng)機(jī)的電力控制設(shè)備。使用的電源分為交流電源和直流電源，一般的直流電源大多是由交流電源通過變壓器變壓，整流濾波后得到的。交流電源在人們使用電源中占總使用電源的95%左右。

　　基礎(chǔ)原理編輯 播報(bào)控制方式

　　1: VVVF 是 Variable Voltage and Variable Frequency 的縮寫，意為改變電壓和改變頻率，也就是人們所說的變壓變頻。

　　2: CVCF 是 Constant Voltage and Constant Frequency 的縮寫，意為恒電壓、恒頻率，也就是人們所說的恒壓恒頻。

　　VVC的控制原理

　　在VVC中，控制電路用一個(gè)數(shù)學(xué)模型來計(jì)算電機(jī)負(fù)載變化時(shí)最佳的電機(jī)勵(lì)磁，并對(duì)負(fù)載加以補(bǔ)償。

　　此外集成于ASIC電路上的同步60°PWM方法決定了逆變器半導(dǎo)體器件（IGBTS）的最佳開關(guān)時(shí)間。

　　決定開關(guān)時(shí)間要遵循以下原則：

　　數(shù)值上最大的一相在1/6個(gè)周期（60°）內(nèi)保持它的正電位或負(fù)電位不變。

　　其它兩相按比例變化，使輸出線電壓保持正弦并達(dá)到所需的幅值

　　與正弦控制PWM不同，VVC是依據(jù)所需輸出電壓的數(shù)字量來工作的。這能保證變頻器的輸出達(dá)到電壓的額定值，電機(jī)電流為正弦波，電機(jī)的運(yùn)行與電機(jī)直接接市電時(shí)一樣。

　　由于在變頻器計(jì)算最佳的輸出電壓時(shí)考慮了電機(jī)的常數(shù)（定子電阻和電感），所以可得到最佳的電機(jī)勵(lì)磁。

　　因?yàn)樽冾l器連續(xù)的檢測(cè)負(fù)載電流，變頻器就能調(diào)節(jié)輸出電壓與負(fù)載相匹配，所以電機(jī)電壓可適應(yīng)電機(jī)的類型，跟隨負(fù)載的變化。

　　VVC+的控制原理是將矢量調(diào)制的原理應(yīng)用于固定電壓源PWM逆變器，這一控制建立在一個(gè)改善了的電機(jī)模型上，該電機(jī)模型較好的對(duì)負(fù)載和轉(zhuǎn)差進(jìn)行了補(bǔ)償。

　　因?yàn)橛泄蜔o功電流成分對(duì)于控制系統(tǒng)來說都是很重要的，控制電壓矢量的角度可顯著的改善0-12HZ范圍內(nèi)的動(dòng)態(tài)性能，而在標(biāo)準(zhǔn)的PWM U/F驅(qū)動(dòng)中0-10HZ范圍一般都存在著問題。

　　利用SFAVM或60°AVM原理來計(jì)算逆變器的開關(guān)模式，可使氣隙轉(zhuǎn)矩的脈動(dòng)很?。ㄅc使用同步PWM的變頻器相比）。

　　用戶可以選擇自己最喜愛的工作原理，或者由逆變器依據(jù)散熱器的溫度來自動(dòng)選擇控制原理。如果溫度低于75°C采用SFAVM原理來控制，當(dāng)溫度高于75℃時(shí)就應(yīng)用60°AVM原理。

　　以下給出這兩個(gè)原理的概要

　　選擇逆變器最大的開關(guān)頻率特點(diǎn)

　　SFAVM最大8kHz1. 與同步60°PWM(VVC)相比，轉(zhuǎn)矩紋波小

　　2. 無“換擋”

　　3. 逆變器的開關(guān)損耗大

　　60°AVM最大14kHz1. 逆變器的開關(guān)損耗減少（與SFAVM相比減少1/3）

　　2. 與同步60°PWM(VVC)相比轉(zhuǎn)矩紋波小

　　3. 與SFAVM相比轉(zhuǎn)矩紋波相對(duì)大些

　　電機(jī)模型為負(fù)載補(bǔ)償器和電壓矢量發(fā)生器分別計(jì)算額定的空載值ISX0，Isy0和I0，θ0。知道實(shí)際的空載值就有可能更準(zhǔn)確地估計(jì)電機(jī)軸的負(fù)載轉(zhuǎn)矩。

　　與V/f控制相比，電壓矢量控制在低速時(shí)很有利，傳動(dòng)的動(dòng)特性可得到明顯的改善。此外因?yàn)榭刂葡到y(tǒng)能更好地估計(jì)負(fù)載轉(zhuǎn)矩，給出電壓和電流的矢量值，與標(biāo)量（僅有大小的值）控制的情況相比，電壓矢量控制還能得到很好的靜態(tài)特征 。

　　各組成部分原理

　　自六十年代后期以來，由于微處理器和半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展及其價(jià)格的降低，使變頻器發(fā)生了很大的變化。但是，變頻器的基本原理并沒有變。

　　變頻器可以分為四個(gè)主要部分：

　　1、整流器：它與單相或三相交流電源相連接，產(chǎn)生脈動(dòng)的直流電壓。整流器有兩種基本類型---可控和不可控的。

　　2、中間電路：它有以下三種類型：

　　a) 將整流電壓變換成直流電流。

　　b) 使脈動(dòng)的直流電壓變得穩(wěn)定或平滑，供逆變器使用。

　　c) 將整流后固定的直流電壓變換成可變的直流電壓。

　　3、逆變器：它產(chǎn)生電動(dòng)機(jī)電壓的頻率，另外，一些逆變器還可以將固定的直流電壓變換成可變的交流電壓。

　　4、控制電路：它將信號(hào)傳送給整流器、中間電路和逆變器，同時(shí)它也接收來自這部分的信號(hào)。具體被控制的部分取決于各個(gè)變頻器的設(shè)計(jì)。

　　1- 可控整流器，

　　2- 不可控整流器，

　　3- 可變直流電流的中間電路，

　　4- 固定直流電壓的中間電路，

　　5- 可變直流電壓的中間電路，

　　6- 脈沖幅度調(diào)試逆變器，

　　7- 脈沖寬度調(diào)制逆變器。

　　電流逆變器：CSI（1+3+6）

　　脈沖幅度調(diào)制逆變器：PAM（1+4+7），（2+5+7）

　　脈沖寬度調(diào)制逆變器：PAM/VVC(2+4+7)

　　為了全面，還應(yīng)該簡要的提一下沒有中間電路的直接變頻器。這種變頻器用于功率等級(jí)不兆瓦級(jí)的地方，它們直接將50Hz電源變換為一個(gè)低頻電源，其最大輸出頻率為30Hz。

　　整流器

　　變頻器中的整流器可由二極管或晶閘管單獨(dú)構(gòu)成，也可由兩者共同構(gòu)成。由二極管構(gòu)成的是不可控整流器，有晶閘管構(gòu)成的是可控整流器。二極管和晶閘管都用的整流器是半控整流器。

　　中間電路

　　中間電路可看做是一個(gè)能量的存儲(chǔ)裝置，電動(dòng)機(jī)可以通過逆變器從中間電路獲得能量。和逆變器不同，中間電路可根據(jù)三種不同的原理構(gòu)成。

　　在使用電源逆變器時(shí)，中間電路由一個(gè)大的電感線圈構(gòu)成，它只能與可控整流器配合使用。電感線圈將整流器輸出的可變電流電壓轉(zhuǎn)換成可變的直流電流。電機(jī)電壓的大小取決于負(fù)載的大小。

　　中間電路的濾波器使斬波器輸出的方波電壓變得平滑。濾波器的電容和電感使輸出電壓在給定頻率下維持一定。

　　中間電路還能提供如下一些附加功能，這取決于中間電路的設(shè)計(jì)。例如：

　　l使整流器和逆變器解耦

　　l減少諧波

　　l 儲(chǔ)存能量以承受斷續(xù)的負(fù)載波動(dòng)

　　逆變器

　　逆變器是變頻器最后一個(gè)環(huán)節(jié)，其后與電動(dòng)機(jī)相聯(lián)。它最終產(chǎn)生適當(dāng)?shù)妮敵鲭妷骸?/p>

　　變頻器通過使輸出電壓適應(yīng)負(fù)載的辦法，保證在整個(gè)控制范圍內(nèi)提供良好的運(yùn)行條件。這方法是將電機(jī)的勵(lì)磁維持在最佳值。

　　逆變器可以從中間電路得到以下三者之一。

　　l 可變直流電流

　　l 可變直流電壓

　　l 固定直流電壓

　　在以上每種情況下，逆變器都要確保給電機(jī)提供可變的量。換句話說，電動(dòng)機(jī)電壓的頻率總是由逆變器產(chǎn)生的。如果中間電路提供的電流或電壓是可變的，逆變器只需調(diào)節(jié)頻率即可。如果中間電路只提供固定的電壓，則逆變器既要調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的頻率，還要調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的電壓。

　　晶閘管在很大程度上被頻率更好的晶體管所取代，因?yàn)榫w管可以更快速地導(dǎo)通和關(guān)斷。開關(guān)頻率取決于所用的半導(dǎo)體器件，典型的開關(guān)頻率在300Hz到20KHz之間。

　　逆變器中的半導(dǎo)體器件，由控制電路產(chǎn)生的信號(hào)使其導(dǎo)通和關(guān)斷。這些信號(hào)可以受到不同的控制。

　　變頻器的作用

　　1、變頻節(jié)能

　　變頻器節(jié)能主要表現(xiàn)在風(fēng)機(jī)、水泵的應(yīng)用上。風(fēng)機(jī)、泵類負(fù)載采用變頻調(diào)速后，節(jié)電率為20%～60%，這是因?yàn)轱L(fēng)機(jī)、泵類負(fù)載的實(shí)際消耗功率基本與轉(zhuǎn)速的三次方成比例。當(dāng)用戶需要的平均流量較小時(shí)，風(fēng)機(jī)、泵類采用變頻調(diào)速使其轉(zhuǎn)速降低，節(jié)能效果非常明顯。而傳統(tǒng)的風(fēng)機(jī)、泵類采用擋板和閥門進(jìn)行流量調(diào)節(jié)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速基本不變，耗電功率變化不大。據(jù)統(tǒng)計(jì)，風(fēng)機(jī)、泵類電動(dòng)機(jī)用電量占全國用電量的31%，占工業(yè)用電量的50%。在此類負(fù)載上使用變頻調(diào)速裝置具有非常重要的意義。目前，應(yīng)用較成功的有恒壓供水、各類風(fēng)機(jī)、中央空調(diào)和液壓泵的變頻調(diào)速。

　　2、在自動(dòng)化系統(tǒng)中應(yīng)用

　　由于變頻器內(nèi)置有32位或16位的微處理器，具有多種算術(shù)邏輯運(yùn)算和智能控制功能，輸出頻率精度為0.1%~0.01%，且設(shè)置有完善的檢測(cè)、保護(hù)環(huán)節(jié)，因此，在自動(dòng)化系統(tǒng)中獲得廣泛應(yīng)用。例如：化纖工業(yè)中的卷繞、拉伸、計(jì)量、導(dǎo)絲；玻璃工業(yè)中的平板玻璃退火爐、玻璃窯攪拌、拉邊機(jī)、制瓶機(jī)；電弧爐自動(dòng)加料、配料系統(tǒng)以及電梯的智能控制等。變提高工藝水平和產(chǎn)品質(zhì)量方面的應(yīng)用頻器在數(shù)控機(jī)床控制、汽車生產(chǎn)線、造紙和電梯上的應(yīng)用。

　　3、在提高工藝水平和產(chǎn)品質(zhì)量方面的應(yīng)用

　　變頻器還可以廣泛應(yīng)用于傳送、起重、擠壓和機(jī)床等各種機(jī)械設(shè)備控制領(lǐng)域，它可以提高工藝水平和產(chǎn)品質(zhì)量，減少設(shè)備的沖擊和噪聲，延長設(shè)備的使用壽命。采用變頻調(diào)速控制后，使機(jī)械系統(tǒng)簡化，操作和控制更加方便，有的甚至可以改變?cè)械墓に囈?guī)范，從而提高了整個(gè)設(shè)備的功能。例如，紡織和許多行業(yè)用的定型機(jī)，機(jī)內(nèi)溫度是靠改變送入熱風(fēng)的多少來調(diào)節(jié)的。輸送熱風(fēng)通常用的是循環(huán)風(fēng)機(jī)，由于風(fēng)機(jī)速度不變，送入熱風(fēng)的多少只有用風(fēng)門來調(diào)節(jié)。如果風(fēng)門調(diào)節(jié)失靈或調(diào)節(jié)不當(dāng)就會(huì)造成定型機(jī)失控，從而影響成品質(zhì)量。循環(huán)風(fēng)機(jī)高速啟動(dòng)，傳動(dòng)帶與軸承之間磨損非常厲害，使傳動(dòng)帶變成了一種易耗品。在采用變頻調(diào)速后，溫度調(diào)節(jié)可以通過變頻器自動(dòng)調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)的速度來實(shí)現(xiàn)，解決了產(chǎn)品質(zhì)量問題。此外，變頻器能夠很方便地實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)在低頻低速下啟動(dòng)并減少了傳動(dòng)帶與軸承之間的磨損，還可以延長設(shè)備的使用壽命，同時(shí)可以節(jié)能40%。

　　4、實(shí)現(xiàn)電機(jī)軟啟動(dòng)

　　電機(jī)硬啟動(dòng)不僅會(huì)對(duì)電網(wǎng)造成嚴(yán)重的沖擊，而且會(huì)對(duì)電網(wǎng)容量要求過高，啟動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的大電流和震動(dòng)對(duì)擋板和閥門的損害極大，對(duì)設(shè)備、管路的使用壽命極為不利。而使用變頻器后，變頻器的軟啟動(dòng)功能將使啟動(dòng)電流從零開始變化，最大值也不超過額定電流，減輕了對(duì)電網(wǎng)的沖擊和對(duì)供電容量的要求，延長了設(shè)備和閥門的使用壽命，同時(shí)也節(jié)省設(shè)備的維護(hù)費(fèi)用。

　　發(fā)展方向：

　　電力電子器件的基片已從Si（硅）變換為SiC（碳化硅），使電力電子新元件具有耐高壓、低功耗、耐高溫的優(yōu)點(diǎn)；并制造出體積小、容量大的驅(qū)動(dòng)裝置；永久磁鐵電動(dòng)機(jī)也正在開發(fā)研制之中。隨著IT技術(shù)的迅速普及，變頻器相關(guān)技術(shù)發(fā)展迅速，未來主要向以下幾個(gè)方面發(fā)展：

　　1.網(wǎng)絡(luò)智能化

　　2.專門化和一體化

　　3.節(jié)能環(huán)保無公害

　　4.適應(yīng)新能源