變頻器的組成結(jié)構(gòu)及功能應(yīng)用分析

分類：技術(shù)中心 2371人瀏覽 2020-08-20

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變頻器（Variable-frequency Drive，VFD）是應(yīng)用變頻技術(shù)與微電子技術(shù)，通過改變電機(jī)工作電源頻率方式來控制交流電動機(jī)的電力控制設(shè)備。
變頻器主要由整流（交流變直流）、濾波、逆變（直流變交流）、制動單元、驅(qū)動單元、檢測單元微處理單元等組成。變頻器靠內(nèi)部IGBT的開斷來調(diào)整輸出電源的電壓和頻率，根據(jù)電機(jī)的實際需要來提供其所需要的電源電壓，進(jìn)而達(dá)到節(jié)能、調(diào)速的目的，另外，變頻器還有很多的保護(hù)功能，如過流、過壓、過載保護(hù)等等。隨著工業(yè)自動化程度的不斷提高，變頻器也得到了非常廣泛的應(yīng)用。

發(fā)展歷程
變頻技術(shù)誕生背景是交流電機(jī)無級調(diào)速的廣泛需求。傳統(tǒng)的直流調(diào)速技術(shù)因體積大故障率高而應(yīng)用受限。
20世紀(jì)60年代以后，電力電子器件普遍應(yīng)用了晶閘管及其升級產(chǎn)品。但其調(diào)速性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法滿足需要。1968年以丹佛斯為代表的高技術(shù)企業(yè)開始批量化生產(chǎn)變頻器，開啟了變頻器工業(yè)化的新時代。

步入21世紀(jì)后，國產(chǎn)變頻器逐步崛起，現(xiàn)已逐漸搶占高端市場。上海和深圳成為國產(chǎn)變頻器發(fā)展的前沿陣地，涌現(xiàn)出了像匯川變頻器、英威騰變頻器、安邦信變頻器、歐瑞變頻器等一批知名國產(chǎn)變頻器。其中安邦信變頻器成立于1998年，是我國最早生產(chǎn)變頻器的廠家之一。十幾年來，安邦信人以渾厚的文化底蘊(yùn)作基石，支撐著成長，企業(yè)較早通過TUV機(jī)構(gòu)ISO9000質(zhì)量體系認(rèn)證，被授予“國家級高新技術(shù)企業(yè)”，多年被評為 “中國變頻器用戶滿意十大國內(nèi)品牌”。

變頻器組成
主電路
主電路是給異步電動機(jī)提供調(diào)壓調(diào)頻電源的電力變換部分，變頻器的主電路大體上可分為兩類：電壓型是將電壓源的直流變換為交流的變頻器，直流回路的濾波是電容。電流型是將電流源的直流變換為交流的變頻器，其直流回路濾波是電感。它由三部分構(gòu)成，將工頻電源變換為直流功率的“整流器”，吸收在變流器和逆變器產(chǎn)生的電壓脈動的“平波回路”，以及將直流功率變換為交流功率的“逆變器“。

整流器
大量使用的是二極管的變流器，它把工頻電源變換為直流電源。也可用兩組晶體管變流器構(gòu)成可逆變流器，由于其功率方向可逆，可以進(jìn)行再生運(yùn)轉(zhuǎn)。

平波回路
在整流器整流后的直流電壓中，含有電源6倍頻率的脈動電壓，此外逆變器產(chǎn)生的脈動電流也使直流電壓變動。為了抑制電壓波動，采用電感和電容吸收脈動電壓（電流）。裝置容量小時，如果電源和主電路構(gòu)成器件有余量，可以省去電感采用簡單的平波回路。

逆變器
同整流器相反，逆變器是將直流功率變換為所要求頻率的交流功率，以所確定的時間使6個開關(guān)器件導(dǎo)通、關(guān)斷就可以得到3相交流輸出。以電壓型pwm逆變器為例示出開關(guān)時
間和電壓波形。
控制電路是給異步電動機(jī)供電（電壓、頻率可調(diào)）的主電路提供控制信號的回路，它有頻率、電壓的“運(yùn)算電路”，主電路的“電壓、電流檢測電路”，電動機(jī)的“速度檢測電路”，將運(yùn)算電路的控制信號進(jìn)行放大的“驅(qū)動電路”，以及逆變器和電動機(jī)的“保護(hù)電路”組成。
（1）運(yùn)算電路：將外部的速度、轉(zhuǎn)矩等指令同檢測電路的電流、電壓信號進(jìn)行比較運(yùn)算，決定逆變器的輸出電壓、頻率。
（2）電壓、電流檢測電路：與主回路電位隔離檢測電壓、電流等。
（3）驅(qū)動電路：驅(qū)動主電路器件的電路。它與控制電路隔離使主電路器件導(dǎo)通、關(guān)斷。
（4）速度檢測電路:以裝在異步電動機(jī)軸機(jī)上的速度檢測器(tg、plg等)的信號為速度信號，送入運(yùn)算回路，根據(jù)指令和運(yùn)算可使電動機(jī)按指令速度運(yùn)轉(zhuǎn)。
（5）保護(hù)電路：檢測主電路的電壓、電流等，當(dāng)發(fā)生過載或過電壓等異常時，為了防止逆變器和異步電動機(jī)損壞。

功能作用
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%，這是因為風(fēng)機(jī)、泵類負(fù)載的實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，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)，電動機(jī)轉(zhuǎn)速基本不變，耗電功率變化不大。據(jù)統(tǒng)計，風(fēng)機(jī)、泵類電動機(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。

在自動化系統(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、保護(hù)環(huán)節(jié)，因此，在自動化系統(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。
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，有的甚至可以改變原有的工藝規(guī)范，從而提高了整個設(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，傳動帶與軸承之間磨損非常厲害，使傳動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調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)的速度來實現(xiàn)，解決了產(chǎn)品質(zhì)量問題。此外，變頻器能夠很方便地實現(xiàn)風(fēng)機(jī)在低頻低速下啟動并減少了傳動帶與軸承之間的磨損，還可以延長設(shè)備的使用壽命，同時可以節(jié)能40%。

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

變頻器的選用
選用變頻器的類型，按照生產(chǎn)機(jī)械的類型、調(diào)速范圍、靜態(tài)速度精度、起動轉(zhuǎn)矩的要求，決定選用那種控制方式的變頻器最合適。所謂合適是既要好用，又要經(jīng)濟(jì)，以滿足工藝和生產(chǎn)的基本條件和要求。

需要控制的電機(jī)及變頻器自身
1）電機(jī)的極數(shù)。一般電機(jī)極數(shù)以不多于(極為宜，否則變頻器容量就要適當(dāng)加大。
2）轉(zhuǎn)矩特性、臨界轉(zhuǎn)矩、加速轉(zhuǎn)矩。在同等電機(jī)功率情況下，相對于高過載轉(zhuǎn)矩模式，變頻器規(guī)格可以降額選取。3）電磁兼容性。為減少主電源干擾，使用時可在中間電路或變頻器輸入電路中增加電抗器，或安裝前置隔離變壓器。一般當(dāng)電機(jī)與變頻器距離超過50m時，應(yīng)在它們中間串入電抗器、濾波器或采用屏蔽防護(hù)電纜。

變頻器功率的選用
系統(tǒng)效率等于變頻器效率與電動機(jī)效率的乘積，只有兩者都處在較高的效率下工作時，則系統(tǒng)效率才較高。從效率角度出發(fā)，在選用變頻器功率時，要注意以下幾點：
1）變頻器功率值與電動機(jī)功率值相當(dāng)時最合適，以利變頻器在高的效率值下運(yùn)轉(zhuǎn)。
2）在變頻器的功率分級與電動機(jī)功率分級不相同時，則變頻器的功率要盡可能接近電動機(jī)的功率，但應(yīng)略大于電動機(jī)的功率。
3）當(dāng)電動機(jī)屬頻繁起動、制動工作或處于重載起動且較頻繁工作時，可選取大一級的變頻器，以利用變頻器長期、安全地運(yùn)行。
4）經(jīng)測試，電動機(jī)實際功率確實有富余，可以考慮選用功率小于電動機(jī)功率的變頻器，但要注意瞬時峰值電流是否會造成過電流保護(hù)動作。
5）當(dāng)變頻器與電動機(jī)功率不相同時，則必須相應(yīng)調(diào)整節(jié)能程序的設(shè)置，以利達(dá)到較高的節(jié)能效果。

變頻器箱體結(jié)構(gòu)的選用
變頻器的箱體結(jié)構(gòu)要與環(huán)境條件相適應(yīng)，即必須考慮溫度、濕度、粉塵、酸堿度、腐蝕性氣體等因素。常見有下列幾種結(jié)構(gòu)類型可供用戶選用：
1）敞開型IPOO型本身無機(jī)箱，適用裝在電控箱內(nèi)或電氣室內(nèi)的屏、盤、架上，尤其是多臺變頻器集中使用時，選用這種型式較好，但環(huán)境條件要求較高；
2）封閉型IP20型適用一般用途，可有少量粉塵或少許溫度、濕度的場合；
3）密封型IP45型適用工業(yè)現(xiàn)場條件較差的環(huán)境；
4）密閉型IP65型適用環(huán)境條件差，有水、塵及一定腐蝕性氣體的場合

變頻器容量的確定
合理的容量選擇本身就是一種節(jié)能降耗措施。根據(jù)現(xiàn)有資料和經(jīng)驗，比較簡便的方法有三種：
1）電機(jī)實際功率確定發(fā)。首先測定電機(jī)的實際功率，以此來選用變頻器的容量。
2）公式法。當(dāng)一臺變頻器用于多臺電機(jī)時，應(yīng)滿足：至少要考慮一臺電動機(jī)啟動電流的影響，以避免變頻器過流跳閘。
3）電機(jī)額定電流法變頻器。
變頻器容量選定過程，實際上是一個變頻器與電機(jī)的最佳匹配過程，最常見、也較安全的是使變頻器的容量大于或等于電機(jī)的額定功率，但實際匹配中要考慮電機(jī)的實際功率與額定功率相差多少，通常都是設(shè)備所選能力偏大，而實際需要的能力小，因此按電機(jī)的實際功率選擇變頻器是合理的，避免選用的變頻器過大，使投資增大。對于輕負(fù)載類，變頻器電流一般應(yīng)按1.1N（N為電動機(jī)額定電流）來選擇，或按廠家在產(chǎn)品中標(biāo)明的與變頻器的輸出功率額定值相配套的最大電機(jī)功率來選擇。

主電源
1）電源電壓及波動。應(yīng)特別注意與變頻器低電壓保護(hù)整定值相適應(yīng)，因為在實際使用中，電網(wǎng)電壓偏低的可能性較大。
2）主電源頻率波動和諧波干擾。這方面的干擾會增加變頻器系統(tǒng)的熱損耗，導(dǎo)致噪聲增加，輸出降低。
3）變頻器和電機(jī)在工作時，自身的功率消耗。在進(jìn)行系統(tǒng)主電源供電設(shè)計時，兩者的功率消耗因素都應(yīng)考慮進(jìn)去

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；并制造出體積小、容量大的驅(qū)動裝置；永久磁鐵電動機(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方面發(fā)展：

網(wǎng)絡(luò)智能化
智能化的變頻器使用時不必進(jìn)行很多參數(shù)設(shè)定，本身具備故障自診斷功能，具有高穩(wěn)定性、高可靠性及實用性。利用互聯(lián)網(wǎng)可以實現(xiàn)多臺變頻器聯(lián)動，甚至是以工廠為單位的變頻器綜合管理控制系統(tǒng)。

專門化和一體化
變頻器的制造專門化，可以使變頻器在某一領(lǐng)域的性能更強(qiáng)，如風(fēng)機(jī)、水泵用變頻器、電梯專用變頻器、起重機(jī)械專用變頻器、張力控制專用變頻器等。除此以外，變頻器有與電動機(jī)一體化的趨勢，使變頻器成為電動機(jī)的一部分，可以使體積更小，控制更方便。

節(jié)能環(huán)保無公害
保護(hù)環(huán)境，制造“綠色”產(chǎn)品是人類的新理念。電力拖動裝置應(yīng)著重考慮節(jié)能、變頻器能量轉(zhuǎn)換過程的低公害，使變頻器在使用過程中的噪聲、電源諧波對電網(wǎng)的污染等問題減少到最低程度。

適應(yīng)新能源
現(xiàn)在以太陽能和風(fēng)力為能源的燃料電池以其低廉的價格嶄露頭角，有后來居上之勢。這些發(fā)電設(shè)備的最大特點是容量小而分散，將來的變頻器就要適應(yīng)這樣的新能源，既要高效，又要低耗?，F(xiàn)在電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)和現(xiàn)代控制技術(shù)以驚人的速度向前發(fā)展，變頻調(diào)速傳動技術(shù)也隨之取得了日新月異的進(jìn)步，這種進(jìn)步集中體現(xiàn)在交流調(diào)速裝置的大容量化、變頻器的高性能化和多功能化、結(jié)構(gòu)的小型化等方面。

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