通用變頻器

通用變頻器（Variable Voltage Variable Frequency,VVVF）是利用絕緣柵雙極型晶體管(IGBT）等電力電子器件按照一定的規(guī)律將工頻電源變換為U/f（電壓和頻率比）可變的電源輸出，對通用三相異步電動機進行速度控制的控制器。當(dāng)通用三相異步電動機被通用變頻器拖動時，將按設(shè)定的斜坡函數(shù)運行曲線同時改變其定子電壓和頻率，以控制電動機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，達到變頻調(diào)速的目的，這也是通用變頻器的基本原理。

通用變頻器有單相和三相兩類。單相變頻器是單相輸入三相輸出，而不是單相輸出，選擇時應(yīng)注意。除此之外，還有專用變頻器、高頻變頻器、高壓變頻器等。另外，根據(jù)控制方式，通用變頻器有U/f控制方式、矢量控制方式和直接轉(zhuǎn)矩控制方式三類。U/f控制方式通用變頻器也稱為風(fēng)機、水泵專用變頻器，用于二次方降轉(zhuǎn)矩負(fù)載；矢量控制方式和直接轉(zhuǎn)矩控制方式通用變頻器也稱為高性能通用變頻器，主要特點是動態(tài)性能高、機械特性硬，低速過載能力大，可實現(xiàn)挖土機特性，主要用于恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載。高性能通用變頻器－般也具有U/f控制方式，使用時根據(jù)需要通過菜單選擇。

目前，通用變頻器的品牌繁多，幾乎世界上所有大的電氣公司、廠商都有自己的通用變頻器品牌，并在中國市場上銷售。我國自行設(shè)計、生產(chǎn)變頻器的公司、廠商也達上百家。

通用變頻器的結(jié)構(gòu)原理

通用變頻器的外形結(jié)構(gòu)

下圖是羅克韋爾PF700通用變頻器的外形結(jié)構(gòu)示意圖。

圖中，右上角圖是LCD顯示數(shù)字操作面板，可以通過連接電纜遠離通用變頻器本體連接而遠距離操作通用變頻器。在通用變頻器的上后部有冷卻風(fēng)扇，當(dāng)開機時，與通用變頻器同步工作，以冷卻功率模塊?？刂?a target="_blank">端子與控制板（左上圖）安裝在一起，用于連接I/O信號；主回路端子（見中下兩圖）與主電路的功率模塊連接，主回路端子用于連接輸入電源和電動機。右下角是通信接口模塊。

通用變頻器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

從通用變頻器的控制原理上看，其基本結(jié)構(gòu)由主電路，包括整流器、中間直流環(huán)節(jié)、逆變器，主控制板、通信和外部接口及顯示操作面板組成，如圖所示。

主電路接線端子中，R、S、T（或標(biāo)注Ll、L2、L3）是電源輸入端子，接電網(wǎng)三相交流電；U、V、W是交流輸出端子，接電動機。

整流器有可控整流橋和不可控整流橋兩種，大多數(shù)通用變頻器采用不可控整流橋，具有能量回饋功能的通用變頻器采用可控整流橋。整流橋的作用是把三相交流變換為直流，作為逆變器的恒定電源。逆變器是將直流轉(zhuǎn)換成交流的換流器，它是由6個IGBT組成的三相逆變橋，采用脈寬調(diào)制（Pulse Width Modulation,PWM）技術(shù)，從而獲得大功率、高效率的交流輸出。中間直流環(huán)節(jié)是一個（組）大容量電解電容器起穩(wěn)定直流電壓、濾波和存儲回饋能量作用。由于逆變器的負(fù)載為異步電動機，屬于感性負(fù)載，無論電動機處于電動或發(fā)電制動狀態(tài)，其功率因數(shù)總不會為1。因此，在中間直流環(huán)節(jié)和電動機之間總會有無功功率的交換，這種無功能量要靠中間直流環(huán)節(jié)的儲能元件（電容器或電抗器）來緩沖，所以常稱中間直流環(huán)節(jié)為中間直流儲能環(huán)節(jié)。

控制電路是通用變頻器的心臟，包括CPU、控制策略算法電路、信號檢測電路、驅(qū)動和保護電路、外部接口、數(shù)字操作面板插口等構(gòu)成?？刂撇呗运惴娐芳磁c通用變頻器控制方式對應(yīng)的數(shù)學(xué)模型及運行曲線（斜坡函數(shù)）。高性能的通用變頻器目前已經(jīng)采用微處理器進行全數(shù)字控制，硬件電路簡單，主要靠軟件實現(xiàn)各種控制和保護功能。可以通過數(shù)字操作面板來設(shè)定各種參數(shù)和選擇所需要的功能。新型通用變頻器還可以通過編程和調(diào)試軟件在計算機上進行參數(shù)設(shè)置和監(jiān)控。

通用變頻器的數(shù)字操作面板是一個具有LED或LCD顯示和操作鍵的微型界面，利用它可以進行各種參數(shù)編程、監(jiān)視和運行操作，監(jiān)視通用變頻器的運行狀態(tài)，顯示頻率指令值和實際輸出頻率、輸出電壓指令值和實際輸出電壓及輸出電流等。當(dāng)通用變頻器保護功能動作后，可以通過操作面板顯示故障內(nèi)容、查看故障原因等。運行操作包括運行／停止、正轉(zhuǎn)／反轉(zhuǎn)、點動、輸出頻率設(shè)定等內(nèi)容，可以根據(jù)外部給定信號進行設(shè)定。

外部接口電路通常包括多功能輸入輸出I/O接線端子、頻率指令輸入輸出I/O接線端子、串行通信接口和特殊輸入輸出端子等。多功能I/O接線端子是可編程的，可以通過編程定義端子的功能。頻率指令I(lǐng)/O接線端子是模擬量輸入端子，用于通過電位器或標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)信號進行速度控制。串行通信接口通常是RS-232或RS-485，不同品牌的通用變頻器遵循不同的通信協(xié)議，用于連網(wǎng)通信。如西門子通用變頻器的串行通信接口RS-485，通信協(xié)議是USS協(xié)議。特殊輸入輸出端子主要是模擬量輸出信號和數(shù)字量輸出信號等，通過相應(yīng)的接口可進行頻率、速度等的輸出顯示、故障報警等。

審核編輯 黃昊宇