變頻器原理

變頻器原理

變頻器原理(英文Variable-frequency Drive,簡稱VFD)是套用變頻技術與微電子技術的原理,通過改變電機工作電源頻率的方式來控制交流電動機的電力控制設備。使用的電源分為交流電源和直流電源,一般的直流電源大多是由交流電源通過變壓器變壓,整流濾波後得到的。交流電源在人們使用電源中占總使用電源的95%左右。

基本信息

變頻器簡介

無論是用於家庭還是用於工廠,單相交流電源和三相交流電源,其電壓和頻率均按各國的規定有一定的標準,如我國大陸規定,直接用戶單相交流電壓為220V,三相交流電線電壓為380V,頻率為50Hz,其它國家的電源電壓和頻率可能與我國的電壓和頻率不同,如有單相100V/60Hz,三相200V/60Hz等等,標準的電壓和頻率的交流供電電源叫工頻交流電。
通常,把電壓和頻率固定不變的工頻交流電變換為電壓或頻率可變的交流電的裝置稱作“變頻器”。
為了產生可變的電壓和頻率,該設備首先要把電源的交流電變換為直流電(DC),這個過程叫整流。
一般逆變器是把直流電源逆變為一定頻率和一定電壓的逆變電源。對於逆變電源頻率和電壓可調的逆變器我們稱為變頻器。
變頻器輸出的波形是模擬正弦波,主要是用在三相異步電動機調速用,又叫變頻調速器。
對於主要用在儀器儀表的檢測設備中的波形要求較高的可變頻率逆變器,要對波形進行整理,可以輸出標準的正弦波,叫變頻電源。一般變頻電源是變頻器價格的15--20倍。
變頻器也可用於家電產品。使用變頻器的家電產品中,不僅有電機(例如空調等),還有螢光燈等產品。
用於電機控制的變頻器,既可以改變電壓,又可以改變頻率。但用於螢光燈的變頻器主要用於調節電源供電的頻率。
變頻器的工作原理被廣泛套用於各個領域。例如計算機電源的供電,在該項套用中,變頻器用於抑制反向電壓、頻率的波動及電源的瞬間斷電。
變頻器主要採用交—直—交方式(VVVF變頻或矢量控制變頻),先把工頻交流電源通過整流器轉換成直流電源,然後再將直流電源轉換成頻率、電壓均可控制的交流電源以供給電動機。
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、驅動單元、檢測單元微處理單元等組成的。

變頻器元件

整流電路

由VD1-VD6六個整流二極體組成不可控全波整流橋。對於380V的額定電源,一般二極體反向耐壓值應選1200V,二極體的正向電流為電機額定電流的1.414-2倍。

電容C1

吸收電容,整流電路輸出是脈動的直流電壓,必須加以濾波。

變壓器

一種常見的電氣設備,可用來把某種數值的交變電壓變換為同頻率的另一數值的交變電壓,也可以改變交流電的數值及變換阻抗或改變相位。

壓敏電阻

有三個作用:一、過電壓保護;二、耐雷擊要求;三、安規測試需要.
熱敏電阻:過熱保護

霍爾元件

安裝在UVW的其中二相,用於檢測輸出電流值。選用時額定電流約為電機額定電流的2倍左右。

充電電阻

作用是防止開機上電瞬間電容對地短路,燒壞儲能電容開機前電容二端的電壓為0V;所以在上電(開機)的瞬間電容對地為短路狀態。如果不加充電電阻在整流橋與電解電容之間,則相當於380V電源直接對地短路,瞬間整流橋通過無窮大的電流導致整流橋炸掉。一般而言變頻器的功率越大,充電電阻越小。充電電阻的選擇範圍一般為:10-300Ω。

儲能電容

又叫電解電容,在充電電路中主要作用為儲能和濾波。PN端的電壓工作範圍一般在430VDC~700VDC之間,而一般的高壓電容都在400VDC左右,為了滿足耐壓需要就必須是二個400VDC的電容串起來作800VDC。容量選擇≥60uf/A
均壓電阻:防止由於儲能電容電壓的不均燒壞儲能電容;因為二個電解電容不可能做成完全一致,這樣每個電容上所承受的電壓就可能不同,承受電壓高的發熱嚴重(電容裡面有等效串聯電阻)或超過耐壓值而損壞。

C2電容

吸收電容,主要作用為吸收IGBT的過流與過壓能量。

電源板

開關電源電路向操作面板、主控板、驅動電路、檢測電路及風扇等提供低壓電源,開關電源提供的低壓電源有:±5V、±15V、±24V向CPU其附屬電路、控制電路、顯示面板等提供電源。

驅動板

主要是將CPU生成的PWM脈衝經驅動電路產生符合要求的驅動信號激勵IGBT輸出電壓。

控制板

變頻器原理變頻器原理

也叫CPU板,相當人的大腦,處理各種信號以及控制程式等部分

變頻器基礎原理

控制方式

1:VVVF是VariableVoltageandVariableFrequency的縮寫,意為改變電壓和改變頻率,也就是人們所說的變壓變頻。
2:CVCF是ConstantVoltageandConstantFrequency的縮寫,意為恆電壓、恆頻率,也就是人們所說的恆壓恆頻。

VVC的控制原理

變頻器原理變頻器原理

在VVC中,控制電路用一個數學模型來計算電機負載變化時最佳的電機勵磁,並對負載加以補償。
此外集成於ASIC電路上的同步60°PWM方法決定了逆變器半導體器件(IGBTS)的最佳開關時間。
決定開關時間要遵循以下原則:
數值上最大的一相在1/6個周期(60°)內保持它的正電位或負電位不變。
其它兩相按比例變化,使輸出線電壓保持正弦並達到所需的幅值(如下圖)
與正弦控制PWM不同,VVC是依據所需輸出電壓的數字量來工作的。這能保證變頻器的輸出達到電壓的額定值,電機電流為正弦波,電機的運行與電機直接接市電時一樣。

變頻器原理變頻器原理

由於在變頻器計算最佳的輸出電壓時考慮了電機的常數(定子電阻和電感),所以可得到最佳的電機勵磁。
因為變頻器連續的檢測負載電流,變頻器就能調節輸出電壓與負載相匹配,所以電機電壓可適應電機的類型,跟隨負載的變化。
VVC+的控制原理是將矢量調製的原理套用於固定電壓源PWM逆變器,這一控制建立在一個改善了的電機模型上,該電機模型較好的對負載和轉差進行了補償。
因為有功和無功電流成分對於控制系統來說都是很重要的,控制電壓矢量的角度可顯著的改善0-12HZ範圍內的動態性能,而在標準的PWMU/F驅動中0-10HZ範圍一般都存在著問題。
利用SFAVM或60°AVM原理來計算逆變器的開關模式,可使氣隙轉矩的脈動很小(與使用同步PWM的變頻器相比)。
用戶可以選擇自己最喜愛的工作原理,或者由逆變器依據散熱器的溫度來自動選擇控制原理。如果溫度低於75°C採用SFAVM原理來控制,當溫度高於75℃時就套用60°AVM原理。
以下給出這兩個原理的概要
​選擇
​逆變器最大的開關頻率
特點​
​SFAVM
最大8kHz
1.與同步60°PWM(VVC)相比,轉矩紋波小
2.無“換擋”
3.逆變器的開關損耗大​
​60°AVM
​最大14kHz
​1.逆變器的開關損耗減少(與SFAVM相比減少1/3)
2.與同步60°PWM(VVC)相比轉矩紋波小
3.與SFAVM相比轉矩紋波相對大些
變頻器原理變頻器原理

如圖所示,電機模型為負載補償器和電壓矢量發生器分別計算額定的空載值ISX0,Isy0和I0,θ0。知道實際的空載值就有可能更準確地估計電機軸的負載轉矩。
與V/f控制相比,電壓矢量控制在低速時很有利,傳動的動特性可得到明顯的改善。此外因為控制系統能更好地估計負載轉矩,給出電壓和電流的矢量值,與標量(僅有大小的值)控制的情況相比,電壓矢量控制還能得到很好的靜態特徵[2]。
各組成部分原理
自六十年代後期以來,由於微處理器和半導體技術的發展及其價格的降低,使變頻器發生了很大的變化。但是,變頻器的基本原理並沒有變。
變頻器可以分為四個主要部分:

變頻器原理變頻器原理

1、整流器:它與單相或三相交流電源相連線,產生脈動的直流電壓。整流器有兩種基本類型---可控和不可控的。
2、中間電路:它有以下三種類型:
a)將整流電壓變換成直流電流。
b)使脈動的直流電壓變得穩定或平滑,供逆變器使用。
c)將整流後固定的直流電壓變換成可變的直流電壓。
3、逆變器:它產生電動機電壓的頻率,另外,一些逆變器還可以將固定的直流電壓變換成可變的交流電壓。
4、控制電路:它將信號傳送給整流器、中間電路和逆變器,同時它也接收來自這部分的信號。具體被控制的部分取決於各個變頻器的設計。如下圖:
變頻器原理變頻器原理

上圖示出變頻器不同的設計及控制原理。圖中:
1-可控整流器,
2-不可控整流器,
3-可變直流電流的中間電路,
4-固定直流電壓的中間電路,
5-可變直流電壓的中間電路,
6-脈衝幅度調試逆變器,
7-脈衝寬度調製逆變器。
電流逆變器:CSI(1+3+6)
脈衝幅度調製逆變器:PAM(1+4+7),(2+5+7)
脈衝寬度調製逆變器:PAM/VVC(2+4+7)
為了全面,還應該簡要的提一下沒有中間電路的直接變頻器。這種變頻器用於功率等級不兆瓦級的地方,它們直接將50Hz電源變換為一個低頻電源,其最大輸出頻率為30Hz。

整流器

變頻器中的整流器可由二極體或晶閘管單獨構成,也可由兩者共同構成。由二極體構成的是不可控整流器,有晶閘管構成的是可控整流器。二極體和晶閘管都用的整流器是半控整流器。
中間電路
中間電路可看做是一個能量的存儲裝置,電動機可以通過逆變器從中間電路獲得能量。和逆變器不同,中間電路可根據三種不同的原理構成。
在使用電源逆變器時,中間電路由一個大的電感線圈構成,它只能與可控整流器配合使用。電感線圈將整流器輸出的可變電流電壓轉換成可變的直流電流。電機電壓的大小取決於負載的大小。
中間電路的濾波器使斬波器輸出的方波電壓變得平滑。濾波器的電容和電感使輸出電壓在給定頻率下維持一定。
中間電路還能提供如下一些附加功能,這取決於中間電路的設計。例如:
l使整流器和逆變器解耦
l減少諧波
l儲存能量以承受斷續的負載波動

逆變器

逆變器是變頻器最後一個環節,其後與電動機相聯。它最終產生適當的輸出電壓。
變頻器通過使輸出電壓適應負載的辦法,保證在整個控制範圍內提供良好的運行條件。這方法是將電機的勵磁維持在最佳值。
逆變器可以從中間電路得到以下三者之一。
l可變直流電流
l可變直流電壓
l固定直流電壓
在以上每種情況下,逆變器都要確保給電機提供可變的量。換句話說,電動機電壓的頻率總是由逆變器產生的。如果中間電路提供的電流或電壓是可變的,逆變器只需調節頻率即可。如果中間電路只提供固定的電壓,則逆變器既要調節電動機的頻率,還要調節電動機的電壓。
晶閘管在很大程度上被頻率更好的電晶體所取代,因為電晶體可以更快速地導通和關斷。開關頻率取決於所用的半導體器件,典型的開關頻率在300Hz到20KHz之間。
逆變器中的半導體器件,由控制電路產生的信號使其導通和關斷。這些信號可以受到不同的控制。

變頻器的套用

通常,家用電器用得最多的是單相異步電動機,靠電容或電阻來分相。電機在工作時常處於短時重複狀態(開/停),如空調、冰櫃等。這樣勢必帶來起動頻繁、噪聲大、電機壽命短、溫度穩定性差以及能耗高等一系列弊端。變頻調速技術的套用不但給這些家電產品帶來功能的增加、性能的改善,而且具有明顯的節能效果和降噪效果,同時使整機壽命較傳統家電有明顯提高。 
異步電機調速有許多方法,如變極調速、變轉差率調速和變頻調速等。前兩種轉差損耗大,效率低,對電機特性來說都有一定的局限性。變頻調速是通過改變定子電源的頻率來改變同步頻率實現電機調速的。在調速的整個過程中,從高速到低速可以保持有限的轉差率,因而具有高效、調速範圍寬(10~100%)和精度高等性能,節電效果可達到20~30%。 
變頻調速有兩種方法:一是交-直-交變頻,適用於高速小容量電機;二是交-交變頻。適用於低速大容量拖動系統。 
變頻空調器按照其室內風扇電機、室外風機及壓縮機的類型,可分為3A和3D變頻空調器。對於室內、室外風機和變頻壓縮機均為交流(AC)形式的變頻空調器,一般稱之為3A變頻空調器;而對於室內、室外風機和變頻壓縮機均為三相直流無刷電機(DCBLM)形式的變頻空調器,一般稱之為3D變頻空調器。後者價位遠高於前者,僅物料成本就高於同功率的3A變頻空調器近300元,而且開發難度較大,空調系統和控制器的配合複雜度較高

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