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变频器 [ View count:about 1595 times ] ReleaseDate:2016-11-21

变频器(Variable-frequency Drive,VFD)是应用变频技术与微电子技术,通过改变电机工作电源频率方式来控制交流电动机的电力控制设备。变频器主要由整流(交流变直流)、滤波、逆变(直流变交流)、制动单元、驱动单元、检测单元微处理单元等组成。变频器靠内部IGBT的开断来调整输出电源的电压和频率,根据电机的实际需要来提供其所需要的电源电压,进而达到节能、调速的目的,另外,变频器还有很多的保护功能,如过流、过压、过载保护等等。随着工业自动化程度的不断提高,变频器也得到了非常广泛的应用。

变频器

Catalog
工作原理
给定方式
功能作用
基本组成
控制方式
变频器的选购
发展历程及方向


工作原理


概述

主电路是给异步电动机提供调压调频电源的电力变换部分,变频器的主电路大体上可分为两类:电压型是将电压源的直流变换为交流的变频器,直流回路的滤波是电容。电流型是将电流源的直流变换为交流的变频器,其直流回路滤波是电感。它由三部分构成,将工频电源变换为直流功率的“整流器”,吸收在变流器和逆变器产生的电压脉动的“平波回路

整流器

大量使用的是二极管的变流器,它把工频电源变换为直流电源。也可用两组晶体管变流器构成可逆变流器,由于其功率方向可逆,可以进行再生运转。

平波回路

在整流器整流后的直流电压中,含有电源6倍频率的脉动电压,此外逆变器产生的脉动电流也使直流电压变动。为了抑制电压波动,采用电感和电容吸收脉动电压(电流)。装置容量小时,如果电源和主电路构成器件有余量,可以省去电感采用简单的平波回路。

逆变器

同整流器相反,逆变器是将直流功率变换为所要求频率的交流功率,以所确定的时间使6个开关器件导通、关断就可以得到3相交流输出。以电压型pwm逆变器为例示出开关时间和电压波形。

控制电路是给异步电动机供电(电压、频率可调)的主电路提供控制信号的回路,它有频率、电压的“运算电路”,主电路的“电压、电流检测电路”,电动机的“速度检测电路”,将运算电路的控制信号进行放大的“驱动电路”,以及逆变器和电动机的“保护电路”组成。

(1)运算电路:将外部的速度、转矩等指令同检测电路的电流、电压信号进行比较运算,决定逆变器的输出电压、频率。

(2)电压、电流检测电路:与主回路电位隔离检测电压、电流等。

(3)驱动电路:驱动主电路器件的电路。它与控制电路隔离使主电路器件导通、关断。

(4)速度检测电路:以装在异步电动机轴机上的速度检测器(tg、plg等)的信号为速度信号,送入运算回路,根据指令和运算可使电动机按指令速度运转。

(5)保护电路:检测主电路的电压、电流等,当发生过载或过电压等异常时,为了防止逆变器和异步电动机损坏



给定方式


变频器常见的频率给定方式主要有:操作器键盘给定、接点信号给定、模拟信号给定、脉冲信号给定和通讯方式给定等。这些频率给定方式各有优缺点,须按照实际所需进行选择设置



功能作用


变频节能

变频器节能主要表现在风机、水泵的应用上。为了保证生产的可靠性,各种生产机械在设计配用动力驱动时,都留有一定的富余量。当电机不能在满负荷下运行时,除达到动力驱动要求外,多余的力矩增加了有功功率的消耗,造成电能的浪费。风机、泵类等设备传统的调速方法是通过调节入口或出口的挡板、阀门开度来调节给风量和给水量,其输入功率大,且大量的能源消耗在挡板、阀门的截流过程中。当使用变频调速时,如果流量要求减小,通过降低泵或风机的转速即可满足要求。

电动机使用变频器的作用就是为了调速,并降低启动电流。为了产生可变的电压和频率,该设备首先要把电源的交流电变换为直流电(DC),这个过程叫整流。把直流电(DC)变换为交流电(AC)的装置,其科学术语为“inverter”(逆变器)。一般逆变器是把直流电源逆变为一定的固定频率和一定电压的逆变电源。对于逆变为频率可调、电压可调的逆变器我们称为变频器。变频器输出的波形是模拟正弦波,主要是用在三相异步电动机调速用,又叫变频调速器。对于主要用在仪器仪表的检测设备中的波形要求较高的可变频率逆变器,要对波形进行整理,可以输出标准的正弦波,叫变频电源。一般变频电源是变频器价格的15--20倍。由于变频器设备中产生变化的电压或频率的主要装置叫“inverter”,故该产品本身就被命名为“inverter”,即:变频器。

变频不是到处可以省电,有不少场合用变频并不一定能省电。 作为电子电路,变频器本身也要耗电(约额定功率的3-5%)。一台1.5匹的空调自身耗电算下来也有20-30W,相当于一盏长明灯. 变频器在工频下运行,具有节电功能,是事实。但是他的前提条件是:

第一、大功率并且为风机/泵类负载;

第二、装置本身具有节电功能(软件支持);

这是体现节电效果的三个条件。除此之外,无所谓节不节电,没有什么意义。如果不加前提条件的说变频器工频运行节能,就是夸大或是商业炒作。知道了原委,你会巧妙的利用他为你服务。一定要注意使用场合和使用条件才好正确应用,否则就是盲从、轻信而“受骗上当”。

功率因数补偿节能

无功功率不但增加线损和设备的发热,更主要的是功率因数的降低导致电网有功功率的降低,大量的无功电能消耗在线路当中,设备使用效率低下,浪费严重,使用变频调速装置后,由于变频器内部滤波电容的作用,从而减少了无功损耗,增加了电网的有功功率。

软启动节能

1:电机硬启动对电网造成严重的冲击,而且还会对电网容量要求过高,启动时产生的大电流和震动时对挡板和阀门的损害极大,对设备、管路的使用寿命极为不利。而使用变频节能装置后,利用变频器的软启动功能将使启动电流从零开始,最大值也不超过额定电流,减轻了对电网的冲击和对供电容量的要求,延长了设备和阀门的使用寿命。节省了设备的维护费用。

2:从理论上讲,变频器可以用在所有带有电动机的机械设备中,电动机在启动时,电流会比额定高5-6倍的,不但会影响电机的使用寿命而且消耗较多的电量.系统在设计时在电机选型上会留有一定的余量,电机的速度是固定不变,但在实际使用过程中,有时要以较低或者较高的速度运行,因此进行变频改造是非常有必要的。变频器可实现电机软启动、补偿功率因素



基本组成


变频器通常分为4部分:整流单元、高容量电容、逆变器和控制器。

整流单元:将工作频率固定的交流电转换为直流电。

高容量电容:存储转换后的电能。

逆变器:由大功率开关晶体管阵列组成电子开关,将直流电转化成不同频率、宽度、幅度的方波。

控制器:按设定的程序工作,控制输出方波的幅度与脉宽,使叠加为近似正弦波的交流电,驱动交流电动机。



控制方式


低压通用变频输出电压为380~650V,输出功率为0.75~400kW,工作频率为0~400Hz,它的主电路都采用交—直—交电路。其控制方式经历了以下四代。

第一代

1U/f=C的正弦脉宽调制(SPWM)控制方式:

其特点是控制电路结构简单、成本较低,机械特性硬度也较好,能够满足一般传动的平滑调速要求,已在产业的各个领域得到广泛应用。但是,这种控制方式在低频时,由于输出电压较低,转矩受定子电阻压降的影响比较显著,使输出最大转矩减小。另外,其机械特性终究没有直流电动机硬,动态转矩能力和静态调速性能都还不尽如人意,且系统性能不高、控制曲线会随负载的变化而变化,转矩响应慢、电机转矩利用率不高,低速时因定子电阻和逆变器死区效应的存在而性能下降,稳定性变差等。因此人们又研究出矢量控制变频调速。

第二代

电压空间矢量(SVPWM)控制方式:

它是以三相波形整体生成效果为前提,以逼近电机气隙的理想圆形旋转磁场轨迹为目的,一次生成三相调制波形,以内切多边形逼近圆的方式进行控制的。经实践使用后又有所改进,即引入频率补偿,能消除速度控制的误差;通过反馈估算磁链幅值,消除低速时定子电阻的影响;将输出电压、电流闭环,以提高动态的精度和稳定度。但控制电路环节较多,且没有引入转矩的调节,所以系统性能没有得到根本改善。

第三代

矢量控制(VC)方式:

矢量控制变频调速的做法是将异步电动机在三相坐标系下的定子电流Ia、Ib、Ic、通过三相-二相变换,等效成两相静止坐标系下的交流电流Ia1Ib1,再通过按转子磁场定向旋转变换,等效成同步旋转坐标系下的直流电流Im1、It1(Im1相当于直流电动机的励磁电流;It1相当于与转矩成正比的电枢电流),然后模仿直流电动机的控制方法,求得直流电动机的控制量,经过相应的坐标反变换,实现对异步电动机的控制。其实质是将交流电动机等效为直流电动机,分别对速度,磁场两个分量进行独立控制。通过控制转子磁链,然后分解定子电流而获得转矩和磁场两个分量,经坐标变换,实现正交或解耦控制。矢量控制方法的提出具有划时代的意义。然而在实际应用中,由于转子磁链难以准确观测,系统特性受电动机参数的影响较大,且在等效直流电动机控制过程中所用矢量旋转变换较复杂,使得实际的控制效果难以达到理想分析的结果。

第四代

直接转矩控制(DTC)方式:

1985年,德国鲁尔大学的DePenbrock教授首次提出了直接转矩控制变频技术。该技术在很大程度上解决了上述矢量控制的不足,并以新颖的控制思想、简洁明了的系统结构、优良的动静态性能得到了迅速发展。该技术已成功地应用在电力机车牵引的大功率交流传动上。 直接转矩控制直接在定子坐标系下分析交流电动机的数学模型,控制电动机的磁链和转矩。它不需要将交流电动机等效为直流电动机,因而省去了矢量旋转变换中的许多复杂计算;它不需要模仿直流电动机的控制,也不需要为解耦而简化交流电动机的数学模型。

矩阵式交—交控制方式:

VVVF变频、矢量控制变频、直接转矩控制变频都是交—直—交变频中的一种。其共同缺点是输入功率因数低,谐波电流大,直流电路需要大的储能电容,再生能量又不能反馈回电网,即不能进行四象限运行。为此,矩阵式交—交变频应运而生。由于矩阵式交—交变频省去了中间直流环节,从而省去了体积大、价格贵的电解电容。它能实现功率因数为l,输入电流为正弦且能四象限运行,系统的功率密度大。该技术虽尚未成熟,但仍吸引着众多的学者深入研究。其实质不是间接的控制电流、磁链等量,而是把转矩直接作为被控制量来实现的。具体方法是:

1、控制定子磁链引入定子磁链观测器,实现无速度传感器方式;

2、自动识别(ID)依靠精确的电机数学模型,对电机参数自动识别;

3、算出实际值对应定子阻抗、互感、磁饱和因素、惯量等算出实际的转矩、定子磁链、转子速度进行实时控制;

4、实现Band—Band控制按磁链和转矩的Band—Band控制产生PWM信号,对逆变器开关状态进行控制。

矩阵式交—交变频具有快速的转矩响应(<2ms),很高的速度精度(±2%,无PG反馈),高转矩精度(<+3%);同时还具有较高的起动转矩及高转矩精度,尤其在低速时(包括0速度时),可输出150%~200%转矩。

VVC的控制原理:

VVC的控制原理是将矢量调制的原理应用于固定电压源PWM逆变器。这一控制建立在一个改善了的电机模型上,该电机模型较好的对负载和转差进行了补偿。

因为有功和无功电流成分对于控制系统来说都是很重要的,控制电压矢量的角度可显著的改善0-12HZ范围内的动态性能,而在标准的PWM U/F驱动中0-10HZ范围一般都存在着问题。

利用SFAVM或60°AVM原理来计算逆变器的开关模式,可使气隙转矩的脉动很小(与使用同步PWM的变频器相比)。



变频器的选购


选用变频器的类型,按照生产机械的类型、调速范围、静态速度精度、起动转矩的要求,决定选用那种控制方式的变频器最合适。所谓合适是既要好用,又要经济,以满足工艺和生产的基本条件和要求 。

1、需要控制的电机及变频器自身

1)电机的极数。一般电机极数以不多于(极为宜,否则变频器容量就要适当加大。

2)转矩特性、临界转矩、加速转矩。在同等电机功率情况下,相对于高过载转矩模式,变频器规格可以降额选取。

3)电磁兼容性。为减少主电源干扰,使用时可在中间电路或变频器输入电路中增加电抗器,或安装前置隔离变压器。一般当电机与变频器距离超过50m时,应在它们中间串入电抗器、滤波器或采用屏蔽防护电缆  。

2、变频器功率的选用

系统效率等于变频器效率与电动机效率的乘积,只有两者都处在较高的效率下工作时,则系统效率才较高  。从效率角度出发,在选用变频器功率时,要注意以下几点:

1)变频器功率值与电动机功率值相当时最合适,以利变频器在高的效率值下运转。

2)在变频器的功率分级与电动机功率分级不相同时,则变频器的功率要尽可能接近电动机的功率,但应略大于电动机的功率。

3)当电动机属频繁起动、制动工作或处于重载起动且较频繁工作时,可选取大一级的变频器,以利用变频器长期、安全地运行。

4)经测试,电动机实际功率确实有富余,可以考虑选用功率小于电动机功率的变频器,但要注意瞬时峰值电流是否会造成过电流保护动作。

5)当变频器与电动机功率不相同时,则必须相应调整节能程序的设置,以利达到较高的节能效果。

3、变频器箱体结构的选用

变频器的箱体结构要与环境条件相适应,即必须考虑温度、湿度、粉尘、酸碱度、腐蚀性气体等因素。常见有下列几种结构类型可供用户选用:

1)敞开型IPOO型本身无机箱,适用装在电控箱内或电气室内的屏、盘、架上,尤其是多台变频器集中使用时,选用这种型式较好,但环境条件要求较高;

2)封闭型IP20型适用一般用途,可有少量粉尘或少许温度、湿度的场合;

3)密封型IP45型适用工业现场条件较差的环境;

4)密闭型IP65型适用环境条件差,有水、尘及一定腐蚀性气体的场合。

4、变频器容量的确定

合理的容量选择本身就是一种节能降耗措施。根据现有资料和经验,比较简便的方法有三种:

1)电机实际功率确定发。首先测定电机的实际功率,以此来选用变频器的容量。

2)公式法。当一台变频器用于多台电机时,应满足:至少要考虑一台电动机启动电流的影响,以避免变频器过流跳闸。

3)电机额定电流法变频器。变频器容量选定过程,实际上是一个变频器与电机的最佳匹配过程,最常见、也较安全的是使变频器的容量大于或等于电机的额定功率,但实际匹配中要考虑电机的实际功率与额定功率相差多少,通常都是设备所选能力偏大,而实际需要的能力小,因此按电机的实际功率选择变频器是合理的,避免选用的变频器过大,使投资增大。对于轻负载类,变频器电流一般应按1.1N(N为电动机额定电流)来选择,或按厂家在产品中标明的与变频器的输出功率额定值相配套的最大电机功率来选择。

5、主电源

1)电源电压及波动。应特别注意与变频器低电压保护整定值相适应,因为在实际使用中,电网电压偏低的可能性较大。

2)主电源频率波动和谐波干扰。这方面的干扰会增加变频器系统的热损耗,导致噪声增加,输出降低。

3)变频器和电机在工作时,自身的功率消耗。在进行系统主电源供电设计时,两者的功率消耗因素都应考虑进去。

     


     发展历程及方向


     历史

     变频技术诞生背景是交流电机无级调速的广泛需求。传统的直流调速技术因体积大故障率高而应用受限。20世纪60年代以后,电力电子器件普遍应用了晶闸管及其升级产品。但其调速性能远远无法满足需要。1968年以丹佛斯为代表的高技术企业开始批量化生产变频器,开启了变频器工业化的新时代。20世纪70年代开始,脉宽调制变压变频(PWM-VVVF)调速的研究得到突破,20世纪80年代以后微处理器技术的完善使得各种优化算法得以容易的实现。20世纪80年代中后期,美、日、德、英等发达国家的 VVVF变频器技术实用化,商品投入市场,得到了广泛应用。 最早的变频器可能是日本人买了英国专利研制的。不过美国和德国凭借电子元件生产和电子技术的优势,高端产品迅速抢占市场。步入21世纪后,国产变频器逐步崛起,现已逐渐抢占高端市场。上海和深圳成为国产变频器发展的前沿阵地,涌现出了像汇川变频器、英威腾变频器、安邦信变频器、欧瑞变频器等一批知名国产变频器。其中安邦信变频器成立于1998年,是我国最早生产变频器的厂家之一。十几年来,安邦信人以浑厚的文化底蕴作基石,支撑着成长,企业较早通过TUV机构ISO9000质量体系认证,被授予“国家级高新技术企业”, 多年被评为 “中国变频器用户满意十大国内品牌”。

     过程

     直流电动拖动和交流电动机拖动先后生于19世纪,距今已有100多年的历史,并已成为动力机械的主要驱动装置。由于当时的技术问题,在很长的一个时间内,需要进行调速控制的拖动系统中则基本上采用的是直流电动机。

直流电动机存在以下缺点是由于结构上的原因:

     1、由于直流电动机存在换向火花,难以应用于存在易燃易爆气体的恶劣环境;

     2、需要定期更换电刷和换向器,维护保养困难,寿命较短;

     3、结构复杂,难以制造大容量、高转速和高电压的直流电动机。


     发展方向

     1:整个高压变频器市场没有出现持续的爆发式的增长,但我国变频器品牌已经涵盖了几乎所有领域,而且相对国际品牌有性价比优势。内资高压变频器的市场占比已经超过55%.从企业排名看,合康变频增长13.2%,市场占比13%,已经跻身行业首位的位置;利德华福市场占比12%、西门子占比11%、ABB占比9%、东方日立占比5%.国电四维发展速度较快,2012年增长44%,行业占比接近5%.

     2:中国中高压变频器市场具有广阔的发展空间,随着市场的扩大和用户端需求的多样化,国内变频器产品的功能在不断完善和增加,集成度和系统化越来越高。