變頻器的原理與選型，及主電路結(jié)構(gòu)

　　我們常常聽(tīng)到的變頻空調(diào)等。那么究竟變頻器是什么呢?

　　變頻器原理

　　變頻是現(xiàn)代電力電子技術(shù)領(lǐng)域發(fā)展而來(lái)的，是我們常用的直流電與交流電之間的變換裝置。它還可以改變我們交流電的頻率，來(lái)控制交流電動(dòng)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(dòng)單元、驅(qū)動(dòng)單元、檢測(cè)單元微處理單元等組成。

　　變頻器靠?jī)?nèi)部IGBT的開(kāi)斷來(lái)調(diào)整輸出電源的電壓和頻率，根據(jù)電機(jī)的實(shí)際需要來(lái)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(guò)流、過(guò)壓、過(guò)載保護(hù)等等。

　　上圖為變交流頻率的電路，P、N為變流器電路，可以把交流電整定為直流電，并加載到負(fù)荷Z，當(dāng)給P的脈沖信號(hào)成正弦規(guī)律時(shí)，整定出的直流呈正弦的規(guī)律，為正弦曲線的上半部分，周期為脈沖信號(hào)的正弦規(guī)律周期，是交流電周期的整數(shù)倍。通過(guò)P和N的配合，就形成了在負(fù)荷Z上的周期正弦電流，并且頻率可以根據(jù)脈沖信號(hào)周期調(diào)節(jié)，這就是變頻器的工作原理。

　　變頻器的應(yīng)用

　　變頻空調(diào)就是裝載這種變頻器的，可以使空調(diào)運(yùn)行在不同的頻率下，可以根據(jù)你設(shè)定的溫度與室溫進(jìn)行比較自動(dòng)調(diào)整運(yùn)行頻率,溫差大運(yùn)行頻率就高，制冷或制熱就快，反之就小。當(dāng)房間溫度接近設(shè)置溫度時(shí)，保持最低頻運(yùn)行(運(yùn)行頻率越低,功率就越小,耗電量也就越低)，避免室外壓縮機(jī)的頻繁啟動(dòng)，從而節(jié)約電能。

　　另外，變頻器運(yùn)用在電動(dòng)機(jī)上，可以實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速，這在汽車、機(jī)車等領(lǐng)域廣泛運(yùn)用，實(shí)現(xiàn)了速度調(diào)節(jié)的連續(xù)性。

　　變頻器主電路結(jié)構(gòu)

　　一般認(rèn)為，從主電路的結(jié)構(gòu)和原理上可以認(rèn)為電路分為電壓型結(jié)構(gòu)和電流型控制結(jié)構(gòu);從工作方式上，變頻器的主要功能是實(shí)現(xiàn)交流到交流的電能變換，故而，這種電路工作方式是交交變換或者是交直交變換的形式。

　　這兩種變換電路在本質(zhì)功能上屬于不同的電路結(jié)構(gòu)，兩者各有不同特點(diǎn)。對(duì)于交交變頻器，省去了直流的中間環(huán)節(jié)，但是開(kāi)關(guān)管的數(shù)量并沒(méi)有降低，往往一個(gè)橋臂需要的開(kāi)關(guān)管的數(shù)量會(huì)增加一倍，這種電路結(jié)構(gòu)常見(jiàn)于超大功率的低速調(diào)節(jié)電路。其最大的缺點(diǎn)是輸出的電源頻率必須小于電網(wǎng)頻率的1/3或者1/2，否者輸出的電壓波形畸變很大，故適合電機(jī)低速的場(chǎng)合。最新的研究中，矩陣式的電流結(jié)構(gòu)得到了越來(lái)越多的關(guān)注，但是，這種電路結(jié)構(gòu)最大的問(wèn)題在于控制的復(fù)雜性，往往需要復(fù)雜的調(diào)制策略。

　　另外一種通用性較強(qiáng)的電路結(jié)構(gòu)是交直交的主電路結(jié)構(gòu)，從工作方式上又可以分為電壓型和電流型結(jié)構(gòu)，前者的使用范圍較為廣泛。

　　其特點(diǎn)是：中間為電解電容儲(chǔ)存提供母線電壓，前級(jí)采用二極管不控整流，簡(jiǎn)單可靠，逆變采用三相PWM調(diào)制(目前調(diào)制算法是空間電壓矢量)。由于采用了一定容量的電解電容，所以直流母線電壓穩(wěn)定，此時(shí)只要控制好逆變IGBT的開(kāi)關(guān)順序(輸出相序、頻率)和占空比(輸出電壓大小)，就可以獲得非常優(yōu)越的控制特性。

　　采用電壓型交直交變頻器這種整流變頻裝置具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、諧波含量少、定轉(zhuǎn)子功率因數(shù)可調(diào)等優(yōu)異特點(diǎn)，可以明顯地改善雙饋發(fā)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)和輸出電能質(zhì)量，并且該結(jié)構(gòu)通過(guò)直流母線側(cè)電容完全實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)側(cè)和轉(zhuǎn)子側(cè)的分離。電壓型交直交變頻器的雙饋發(fā)電機(jī)定子磁場(chǎng)定向矢量控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了基于風(fēng)機(jī)最大功率點(diǎn)跟蹤的發(fā)電機(jī)有功和無(wú)功的解耦控制，是目前變速恒頻風(fēng)力發(fā)電的一個(gè)代表方向。

　　為了適應(yīng)不同的電網(wǎng)工作狀況，對(duì)變頻器提出了更多的要求，為了適應(yīng)不同的電網(wǎng)電壓的要求，有些變頻器會(huì)在電路結(jié)構(gòu)中加入直流占波部分，將電壓按照電機(jī)的工況要求進(jìn)行升壓，比如加入boost電路。在電網(wǎng)噪聲比較大的情況下，為了保證電路的正常使用，會(huì)加入前段的濾波電路。

　　變頻器如何選型

　　工業(yè)控制中經(jīng)常使用工業(yè)變頻器，如何為這些運(yùn)動(dòng)電機(jī)選擇合適的變頻器是一個(gè)被大家較為關(guān)注的問(wèn)題。這個(gè)問(wèn)題，應(yīng)該依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的工作環(huán)境，被控制的對(duì)象，速度要求的范圍，穩(wěn)態(tài)速度精度，轉(zhuǎn)矩要求，以及現(xiàn)場(chǎng)布線情況來(lái)進(jìn)行要求。在生產(chǎn)工藝和生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)性之間進(jìn)行一個(gè)平衡。

　　變頻器的選型依據(jù)是按照變頻器的工作電流特性曲線包括負(fù)載電流曲線這一原則作為依據(jù)的。定性的來(lái)說(shuō)，從電壓匹配，電流匹配，轉(zhuǎn)矩匹配上進(jìn)行選型。這就要求我們隊(duì)現(xiàn)場(chǎng)的用電情況有一個(gè)全面徹底的了解，對(duì)用電電壓的等級(jí)，電壓的波形質(zhì)量進(jìn)行全方位的了解，以保證變頻器能夠正常的工作，其次，要對(duì)負(fù)載有一定的認(rèn)知，負(fù)載的性能曲線決定了變頻器的應(yīng)用方法，普通的離心泵變頻器的額定電流與電機(jī)的額定電流相符，深水泵則需要更大的電流。

　　工程上的經(jīng)驗(yàn)是，使用的電機(jī)功率多大，就是使用多大功率的變頻器，一般為了留出余量，會(huì)使用稍微大規(guī)格的變頻器。若現(xiàn)場(chǎng)的電機(jī)需要頻繁的啟動(dòng)和制動(dòng)，則必須要安裝制動(dòng)電阻，制動(dòng)電阻的大小應(yīng)該依據(jù)功率的大小選定。若工廠的環(huán)境比較惡劣，粉塵較大，散熱比較困難，可以選擇水冷式的變頻器，這樣可以有效的防止模塊的炸裂，此外有效的降低了噪聲。若是需要做老化測(cè)試的設(shè)備，可以考慮使用四象限的產(chǎn)品，有效的降低功率損耗。若現(xiàn)場(chǎng)有單獨(dú)的直流電，可以只使用純逆變的模組節(jié)約投入。此外，在大功率的變頻器進(jìn)線端，必須加入電抗器，這樣既可以改善輸入設(shè)備的電能質(zhì)量，也可以提高設(shè)備的功率因數(shù)。

　　此外，根據(jù)變頻器的功能可以選擇不同精度的控制電機(jī)，一般的工業(yè)電機(jī)為交流感應(yīng)電機(jī)，可以使用恒壓控制或者恒流控制，根據(jù)電機(jī)類型的不同，使用的設(shè)備也不完全一樣。根據(jù)電機(jī)的控制目的不同可以選擇的變頻器功能也不盡相同。

　　在使用變頻器驅(qū)動(dòng)高速電機(jī)時(shí)，由于高速電機(jī)的電抗小，高次諧波增加導(dǎo)致輸出電流值增大。因此用于高速電機(jī)的變頻器的選型，其容量要稍大于普通電機(jī)的選型。變頻器如果要長(zhǎng)電纜運(yùn)行時(shí)，此時(shí)要采取措施抑制長(zhǎng)電纜對(duì)地耦合電容的影響，避免變頻器出力不足，所以在這樣情況下，變頻器容量要放大一檔或者在變頻器的輸出端安裝輸出電抗器。 對(duì)一些特殊的應(yīng)用場(chǎng)合，如高溫，高海拔，此時(shí)會(huì)引起變頻器的降容，變頻器容量要放大一擋。

　　在一些精度要求嚴(yán)格的場(chǎng)合，需要對(duì)電機(jī)進(jìn)行一系列測(cè)試后然后選型，甚至對(duì)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)編碼器也提出了一定的要求?？偠灾蚴乱虻刂埔?，根據(jù)不同的現(xiàn)場(chǎng)狀況選擇不同的電機(jī)和變頻器是一條不變的準(zhǔn)則。

　　變頻器十二問(wèn)

　　1、電壓型與電流型有什么不同?

　　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。

　　2、電動(dòng)機(jī)使用工頻電源驅(qū)動(dòng)時(shí)，電壓下降則電流增加;對(duì)于變頻器驅(qū)動(dòng)，如果頻率下降時(shí)電壓也下降，那么電流是否增加?

　　頻率下降(低速)時(shí)，如果輸出相同的功率,則電流增加，但在轉(zhuǎn)矩一定的條件下,電流幾乎不變。

　　3、采用變頻器運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，電機(jī)的起動(dòng)電流、起動(dòng)轉(zhuǎn)矩怎樣?

　　采用變頻器運(yùn)轉(zhuǎn)，隨著電機(jī)的加速相應(yīng)提高頻率和電壓，起動(dòng)電流被限制在150%額定電流以下(根據(jù)機(jī)種不同，為125%~200%)。用工頻電源直接起動(dòng)時(shí)，起動(dòng)電流為額定電流6~7倍，因此，將產(chǎn)生機(jī)械電氣上的沖擊。

　　采用變頻器傳動(dòng)可以平滑地起動(dòng)(起動(dòng)時(shí)間變長(zhǎng))。起動(dòng)電流為額定電流的1.2~1.5倍，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩為70%~120%額定轉(zhuǎn)矩;對(duì)于帶有轉(zhuǎn)矩自動(dòng)增強(qiáng)功能的變頻器，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩為100%以上，可以帶全負(fù)載起動(dòng)。

　　4、在說(shuō)明書上寫著變速范圍60~6Hz，即10：1，那么在6Hz以下就沒(méi)有輸出功率嗎?

　　在6Hz以下仍可輸出功率，但根據(jù)電機(jī)溫升和起動(dòng)轉(zhuǎn)矩的大小等條件，最低使用頻率取6Hz左右，此時(shí)電動(dòng)機(jī)可輸出額定轉(zhuǎn)矩而不會(huì)引起嚴(yán)重的發(fā)熱問(wèn)題。變頻器實(shí)際輸出頻率(起動(dòng)頻率)根據(jù)機(jī)種為0.5~3Hz。。

　　5、對(duì)于一般電機(jī)的組合是在60Hz以上也要求轉(zhuǎn)矩一定，是否可以?

　　通常情況下時(shí)不可以的。在60Hz以上(也有50Hz以上的模式)電壓不變，大體為恒功率特性，在 高速下要求相同轉(zhuǎn)矩時(shí)

　　6、所謂開(kāi)環(huán)是什么意思?

　　給所使用的電機(jī)裝置設(shè)速度檢出器(PG)，將實(shí)際轉(zhuǎn)速反饋給控制裝置進(jìn)行控制的，稱為“閉環(huán) ”，不用PG運(yùn)轉(zhuǎn)的就叫作“開(kāi)環(huán)”。通用變頻器多為開(kāi)環(huán)方式，也有的機(jī)種利用選件可進(jìn)行PG反饋.無(wú)速度傳感器閉環(huán)控制方式是根據(jù)建立的數(shù)學(xué)模型根據(jù)磁通推算電機(jī)的實(shí)際速度，相當(dāng)于用一個(gè)虛擬的速度傳感器形成閉環(huán)控制。

　　7、實(shí)際轉(zhuǎn)速對(duì)于給定速度有偏差時(shí)如何辦?

　　開(kāi)環(huán)時(shí)，變頻器即使輸出給定頻率，電機(jī)在帶負(fù)載運(yùn)行時(shí)，電機(jī)的轉(zhuǎn)速在額定轉(zhuǎn)差率的范圍內(nèi)(1%~5%)變動(dòng)。對(duì)于要求調(diào)速精度比較高，即使負(fù)載變動(dòng)也要求在近于給定速度運(yùn)轉(zhuǎn)的場(chǎng)合，可采用具有PG反饋功能的變頻器(選用件)。

　　8、失速防止功能是什么意思?

　　如果給定的加速時(shí)間過(guò)短，變頻器的輸出頻率變化遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)轉(zhuǎn)速(電角頻率)的變化，變頻器將因流過(guò)過(guò)電流而跳閘，運(yùn)轉(zhuǎn)停止，這就叫作失速。為了防止失速使電機(jī)繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，就要檢出電流的大小進(jìn)行頻率控制。當(dāng)加速電流過(guò)大時(shí)適當(dāng)放慢加速速率。減速時(shí)也是如此。兩者結(jié)合起來(lái)就是失速功能。

　　9、有加速時(shí)間與減速時(shí)間可以分別給定的機(jī)種，和加減速時(shí)間共同給定的機(jī)種，這有什么意義?

　　加減速可以分別給定的機(jī)種，對(duì)于短時(shí)間加速、緩慢減速場(chǎng)合，或者對(duì)于小型機(jī)床需要嚴(yán)格給定生產(chǎn)節(jié)拍時(shí)間的場(chǎng)合是適宜的，但對(duì)于風(fēng)機(jī)傳動(dòng)等場(chǎng)合，加減速時(shí)間都較長(zhǎng)，加速時(shí)間和減速時(shí)間可以共同給定。

　　10、為什么用離合器連接負(fù)載時(shí)，變頻器的保護(hù)功能就動(dòng)作?

　　用離合器連接負(fù)載時(shí)，在連接的瞬間，電機(jī)從空載狀態(tài)向轉(zhuǎn)差率大的區(qū)域急劇變化，流過(guò)的大電流導(dǎo)致變頻器過(guò)電流跳閘，不能運(yùn)轉(zhuǎn)。

　　11、什么是變頻分辨率?有什么意義?

　　對(duì)于數(shù)字控制的變頻器，即使頻率指令為模擬信號(hào)，輸出頻率也是有級(jí)給定。這個(gè)級(jí)差的最小單位就稱為變頻分辨率。

　　變頻分辨率通常取值為0.015~0.5Hz.例如，分辨率為0.5Hz，那么23Hz的上面可變?yōu)?3.5、24.0 Hz，因此電機(jī)的動(dòng)作也是有級(jí)的跟隨。這樣對(duì)于像連續(xù)卷取控制的用途就造成問(wèn)題。

　　在這種情況下，如果分辨率為0.015Hz左右，對(duì)于4級(jí)電機(jī)1個(gè)級(jí)差為1r/min 以下，也可充分適應(yīng)。另外，有的機(jī)種給定分辨率與輸出分辨率不相同。

　　12、為什么變頻器不能用作變頻電源?

　　變頻電源的整個(gè)電路由交流一直流一交流一濾波等部分構(gòu)成，因此它輸出的電壓和電流波形均為純正的正弦波,非常接近理想的交流供電電源。

　　可以輸出世界任何國(guó)家的電網(wǎng)電壓和頻率。而變頻器是由交流一直流一交流(調(diào)制波)等電路構(gòu)成的,變頻器標(biāo)準(zhǔn)叫法應(yīng)為變頻調(diào)速器。

　　其輸出電壓的波形為脈沖方波,且諧波成分多,電壓和頻率同時(shí)按比例變化,不可分別調(diào)整,不符合交流電源的要求。原則上不能做供電電源的使用,一般僅用于三相異步電機(jī)的調(diào)速。