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 2289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)，通過改變電機工作電源頻率方式來控制交流電動機的電力控制設(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)電機的實際需要來提供其所需要的電源電壓，進而達到節(jié)能、調(diào)速的目的，另外，變頻器還有很多的保護功能，如過流、過壓、過載保護等等。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)速性能遠遠無法滿足需要。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作基石，支撐著成長，企業(yè)較早通過TUV機構(gòu)ISO9000質(zhì)量體系認證，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，可以進行再生運轉(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“運算電路”，主電路的“電壓、電流檢測電路”，電動機的“速度檢測電路”，將運算電路的控制信號進行放大的“驅(qū)動電路”，以及逆變器和電動機的“保護電路”組成。
（1）運算電路：將外部的速度、轉(zhuǎn)矩等指令同檢測電路的電流、電壓信號進行比較運算，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:以裝在異步電動機軸機上的速度檢測器(tg、plg等)的信號為速度信號，送入運算回路，根據(jù)指令和運算可使電動機按指令速度運轉(zhuǎn)。
（5）保護電路：檢測主電路的電壓、電流等，當發(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損壞。

功能作用
變頻節(jié)能
變頻器節(jié)能主要表現(xiàn)在風機、水泵的應(yīng)用上。風機、泵類負載采用變頻調(diào)速后，節(jié)電率為20%～60%，這是因為風機、泵類負載的實際消耗功率基本與轉(zhuǎn)速的三次方成比例。當用戶需要的平均流量較小時，風機、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)的風機、泵類采用擋板和閥門進行流量調(diào)節(jié)，電動機轉(zhuǎn)速基本不變，耗電功率變化不大。據(jù)統(tǒng)計，風機、泵類電動機用電量占全國用電量的31%，占工業(yè)用電量的50%。在此類負載上使用變頻調(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、各類風機、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、制瓶機；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、擠壓和機床等各種機械設(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，機內(nèi)溫度是靠改變送入熱風的多少來調(diào)節(jié)的。輸送熱風通常用的是循環(huán)風機，由于風機速度不變，送入熱風的多少只有用風門來調(diào)節(jié)。如果風門調(diào)節(jié)失靈或調(diào)節(jié)不當就會造成定型機失控，從而影響成品質(zhì)量。循環(huán)風機高速啟動，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)風機的速度來實現(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)風機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)電機軟啟動
電機硬啟動不僅會對電網(wǎng)造成嚴重的沖擊，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)備的維護費用。

變頻器的選用
選用變頻器的類型，按照生產(chǎn)機械的類型、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，以滿足工藝和生產(chǎn)的基本條件和要求。

需要控制的電機及變頻器自身
1）電機的極數(shù)。一般電機極數(shù)以不多于(極為宜，否則變頻器容量就要適當加大。
2）轉(zhuǎn)矩特性、臨界轉(zhuǎn)矩、加速轉(zhuǎn)矩。在同等電機功率情況下，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。一般當電機與變頻器距離超過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功率值相當時最合適，以利變頻器在高的效率值下運轉(zhuǎn)。
2）在變頻器的功率分級與電動機功率分級不相同時，則變頻器的功率要盡可能接近電動機的功率，但應(yīng)略大于電動機的功率。
3）當電動機屬頻繁起動、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、安全地運行。
4）經(jīng)測試，電動機實際功率確實有富余，可以考慮選用功率小于電動機功率的變頻器，但要注意瞬時峰值電流是否會造成過電流保護動作。
5）當變頻器與電動機功率不相同時，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）電機實際功率確定發(fā)。首先測定電機的實際功率，以此來選用變頻器的容量。
2）公式法。當一臺變頻器用于多臺電機時，應(yīng)滿足：至少要考慮一臺電動機啟動電流的影響，以避免變頻器過流跳閘。
3）電機額定電流法變頻器。
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的額定功率，但實際匹配中要考慮電機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。對于輕負載類，變頻器電流一般應(yīng)按1.1N（N為電動機額定電流）來選擇，或按廠家在產(chǎn)品中標明的與變頻器的輸出功率額定值相配套的最大電機功率來選擇。

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）變頻器和電機在工作時，自身的功率消耗。在進行系統(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，如風機、水泵用變頻器、電梯專用變頻器、起重機械專用變頻器、張力控制專用變頻器等。除此以外，變頻器有與電動機一體化的趨勢，使變頻器成為電動機的一部分，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步，這種進步集中體現(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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