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變頻器工作原理和結(jié)構(gòu)圖文詳情-變頻器的功能作用分析
  • 發(fā)布時(shí)間:2019-11-22 16:47:39
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變頻器工作原理和結(jié)構(gòu)圖文詳情-變頻器的功能作用分析
變頻器
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(guò)改變電機(jī)工作電源頻率方式來(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。隨著工業(yè)自動(dòng)化程度的不斷提高,變頻器也得到了非常廣泛的應(yīng)用。
變頻器基本組成
變頻器通常分為4部分:整流單元、高容量電容、逆變器和控制器。
整流單元:將工作頻率固定的交流電轉(zhuǎn)換為直流電。
高容量電容:存儲(chǔ)轉(zhuǎn)換后的電能。
逆變器:由大功率開(kāi)關(guān)晶體管陣列組成電子開(kāi)關(guān),將直流電轉(zhuǎn)化成不同頻率、寬度、幅度的方波。
控制器:按設(shè)定的程序工作,控制輸出方波的幅度與脈寬,使疊加為近似正弦波的交流電,驅(qū)動(dòng)交流電動(dòng)機(jī)。
變頻器的結(jié)構(gòu)與原理圖解
變頻器的發(fā)展也同樣要經(jīng)歷一個(gè)徐徐漸進(jìn)的過(guò)程,最初的變頻器并不是采用這種交直交:交流變直流而后再變交流這種拓?fù)?,而是直接交交,無(wú)中間直流環(huán)節(jié)。這種變頻器叫交交變頻器,目前這種變頻器在超大功率、低速調(diào)速有應(yīng)用。其輸出頻率范圍為:0-17(1/2-1/3 輸入電壓頻率),所以不能滿足許多應(yīng)用的要求,而且當(dāng)時(shí)沒(méi)有IGBT,只有SCR,所以應(yīng)用范圍有限。
變頻器其工作原理是將三相工頻電源經(jīng)過(guò)幾組相控開(kāi)關(guān)控制直接產(chǎn)生所需要變壓變頻電源,其優(yōu)點(diǎn)是效率高,能量可以方便返回電網(wǎng),其最大的缺點(diǎn)輸出的最高頻率必須小于輸入電源頻率1/3或1/2,否則輸出波形太差,電機(jī)產(chǎn)生抖動(dòng),不能工作。故交交變頻器至今局限低轉(zhuǎn)速調(diào)速場(chǎng)合,因而大大限制了它的使用范圍。
變頻器
變頻器電路結(jié)構(gòu)框架圖
矩陣式變頻器是一種交交直接變頻器,由九個(gè)直接接于三相輸入和輸出之間的開(kāi)關(guān)陣組成。矩陣變換器沒(méi)有中間直流環(huán)節(jié),輸出由三個(gè)電平組成,諧波含量比較??;其功率電路簡(jiǎn)單、緊湊,并可輸出頻率、幅值及相位可控的正弦負(fù)載電壓;矩陣變換器的輸入功率因數(shù)可控,可在四象限工作。
雖然矩陣變換器有很多優(yōu)點(diǎn),但是在其換流過(guò)程中不允許存在兩個(gè)開(kāi)關(guān)同時(shí)導(dǎo)通的或者關(guān)斷的現(xiàn)象,實(shí)現(xiàn)起來(lái)比較困難。矩陣變換器最大輸出電壓能力低,器件承受電壓高也是此類變換器一個(gè)很大缺點(diǎn)。
應(yīng)用在風(fēng)力發(fā)電中,由于矩陣變換器的輸入輸出不解耦,即無(wú)論是負(fù)載還是電源側(cè)的不對(duì)稱都會(huì)影響到另一側(cè)。另外,矩陣變換器的輸入端必須接濾波電容,雖然其電容的容量比交直交的中間儲(chǔ)能電容小,但由于它們是交流電容,要承受開(kāi)關(guān)頻率的交流電流,其體積并不小。
變頻器
交-交變頻就是直接變頻,少了一個(gè)環(huán)節(jié),但是用的器件量很多,三相的需要36個(gè)晶閘管,控制復(fù)雜。我們老師開(kāi)玩笑說(shuō)誰(shuí)調(diào)通了36個(gè)管子就可以立即畢業(yè)。還有交-交變頻只能往工頻一下調(diào)節(jié)頻率,一般調(diào)到工頻的1/3-1/2,差不多20Hz。
我們把這種交流變直流而后再變交流這種變頻器叫交直交變頻器,分為兩種,一種是交直交電壓型,另外一種是交直交電流型。其中前者廣泛使用,現(xiàn)在的通用變頻器就是采用這種拓?fù)洹?/div>
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?。?,就可以獲得非常優(yōu)越的控制特性。
交—直—交變頻器則是先把交流電經(jīng)整流器先整流成直流電,直流中間電路對(duì)整流電路的輸出進(jìn)行平滑濾波,再經(jīng)過(guò)逆變器把這個(gè)直流電流變成頻率和電壓都可變的交流電。
交直交變頻器又可以分為電壓型和電流型兩種,由于控制方法和硬件設(shè)計(jì)等各種因素,電壓型逆變器應(yīng)用比較廣泛。傳統(tǒng)的電流型交直交變頻器采用自然換流的晶閘管作為功率開(kāi)關(guān),其直流側(cè)電感比較昂貴,而且應(yīng)用于雙饋調(diào)速中,在過(guò)同步速時(shí)需要換流電路,在低轉(zhuǎn)差頻率的條件下性能也比較差,在雙饋異步風(fēng)力發(fā)電中應(yīng)用的不多。
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。
變頻器
此外,還有一種并聯(lián)的交直交逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)的主要思想是通過(guò)一個(gè)交直交電流型和一個(gè)交直交電壓型變頻器并聯(lián),電流型逆變器作為主逆變器負(fù)責(zé)功率傳輸,電壓型逆變器作為輔逆變器負(fù)責(zé)補(bǔ)償電流型逆變器諧波。
這種結(jié)構(gòu)主逆變器有較低的開(kāi)關(guān)頻率,輔逆變器有較低的開(kāi)關(guān)電流。同上面提到的交直交電壓型逆變器相比較,該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有低開(kāi)關(guān)損耗,整個(gè)系統(tǒng)的效率比較高。其缺點(diǎn)也是顯而易見(jiàn)的,大量電力電子器件的使用導(dǎo)致成本的上升以及更加復(fù)雜的控制算法,另外該種結(jié)構(gòu)電壓利用率比較低。
變頻器
盡管交—直—交變頻器具有輸出頻率高、功率因數(shù)高等優(yōu)點(diǎn),但交—直—交變頻器仍存在許多待改進(jìn)的問(wèn)題:
(1)當(dāng)前大功率高電壓電力電子器件處在發(fā)展期,GTO元件面臨淘汰,IGBT,IGCT尚待成熟;
(2)采用IGCT(或者GTO)、IECT的變流器,器件故障造成直通短路的保護(hù)還是難題;電源側(cè)變流器如果發(fā)生直通短路會(huì)造成電網(wǎng)短路,所以變流器必須采用高漏抗輸入變壓器,一般要求15%,甚至高達(dá)20%;
(3)交—直—交變頻器低頻運(yùn)行時(shí)過(guò)載能力減低,一般運(yùn)行在5Hz以下時(shí)變頻器過(guò)載能力減半;
(4)交—直—交變頻器輸出PWM調(diào)制電壓波形的電壓變化率du/dt很高,容易造成電機(jī)和電器的絕緣疲勞損傷;輸出導(dǎo)線較長(zhǎng)時(shí),共模反射電壓會(huì)在電機(jī)側(cè)產(chǎn)生很高的電壓,如果是兩電平的變流器,這個(gè)電壓的峰值是直流電壓的兩倍,如果是三電平的變流器,這個(gè)電壓的峰值是中間一半電壓的三倍;
(5)交—直—交變頻器PWM調(diào)制將產(chǎn)生諧波、噪聲、軸電流等問(wèn)題。
變頻器的功能作用
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。為了保證生產(chǎn)的可靠性,各種生產(chǎn)機(jī)械在設(shè)計(jì)配用動(dòng)力驅(qū)動(dòng)時(shí),都留有一定的富余量。當(dāng)電機(jī)不能在滿負(fù)荷下運(yùn)行時(shí),除達(dá)到動(dòng)力驅(qū)動(dòng)要求外,多余的力矩增加了有功功率的消耗,造成電能的浪費(fèi)。風(fēng)機(jī)、泵類等設(shè)備傳統(tǒng)的調(diào)速方法是通過(guò)調(diào)節(jié)入口或出口的擋板、閥門開(kāi)度來(lái)調(diào)節(jié)給風(fēng)量和給水量,其輸入功率大,且大量的能源消耗在擋板、閥門的截流過(guò)程中。當(dāng)使用變頻調(diào)速時(shí),如果流量要求減小,通過(guò)降低泵或風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速即可滿足要求。
電動(dòng)機(jī)使用變頻器的作用就是為了調(diào)速,并降低啟動(dòng)電流。為了產(chǎn)生可變的電壓和頻率,該設(shè)備首先要把電源的交流電變換為直流電(DC),這個(gè)過(guò)程叫整流。把直流電(DC)變換為交流電(AC)的裝置,其科學(xué)術(shù)語(yǔ)為“inverter”(逆變器)。一般逆變器是把直流電源逆變?yōu)橐欢ǖ墓潭l率和一定電壓的逆變電源。對(duì)于逆變?yōu)轭l率可調(diào)、電壓可調(diào)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(dòng)機(jī)調(diào)速用,又叫變頻調(diào)速器。對(duì)于主要用在儀器儀表的檢測(cè)設(shè)備中的波形要求較高的可變頻率逆變器,要對(duì)波形進(jìn)行整理,可以輸出標(biāo)準(zhǔn)的正弦波,叫變頻電源。一般變頻電源是變頻器價(jià)格的15--20倍。由于變頻器設(shè)備中產(chǎn)生變化的電壓或頻率的主要裝置叫“inverter”,故該產(chǎn)品本身就被命名為“inverter”,即:變頻器。
變頻不是到處可以省電,有不少場(chǎng)合用變頻并不一定能省電。 作為電子電路,變頻器本身也要耗電(約額定功率的3-5%)。一臺(tái)1.5匹的空調(diào)自身耗電算下來(lái)也有20-30W,相當(dāng)于一盞長(zhǎng)明燈. 變頻器在工頻下運(yùn)行,具有節(jié)電功能,是事實(shí)。但是他的前提條件是:
第一、大功率并且為風(fēng)機(jī)/泵類負(fù)載;
第二、裝置本身具有節(jié)電功能(軟件支持);
這是體現(xiàn)節(jié)電效果的三個(gè)條件。除此之外,無(wú)所謂節(jié)不節(jié)電,沒(méi)有什么意義。如果不加前提條件的說(shuō)變頻器工頻運(yùn)行節(jié)能,就是夸大或是商業(yè)炒作。知道了原委,你會(huì)巧妙的利用他為你服務(wù)。一定要注意使用場(chǎng)合和使用條件才好正確應(yīng)用,否則就是盲從、輕信而“受騙上當(dāng)”。
功率因數(shù)補(bǔ)償節(jié)能
無(wú)功功率不但增加線損和設(shè)備的發(fā)熱,更主要的是功率因數(shù)的降低導(dǎo)致電網(wǎng)有功功率的降低,大量的無(wú)功電能消耗在線路當(dāng)中,設(shè)備使用效率低下,浪費(fèi)嚴(yán)重,使用變頻調(diào)速裝置后,由于變頻器內(nèi)部濾波電容的作用,從而減少了無(wú)功損耗,增加了電網(wǎng)的有功功率。
軟啟動(dòng)節(jié)能
1:電機(jī)硬啟動(dòng)對(duì)電網(wǎng)造成嚴(yán)重的沖擊,而且還會(huì)對(duì)電網(wǎng)容量要求過(guò)高,啟動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的大電流和震動(dòng)時(shí)對(duì)擋板和閥門的損害極大,對(duì)設(shè)備、管路的使用壽命極為不利。而使用變頻節(jié)能裝置后,利用變頻器的軟啟動(dòng)功能將使啟動(dòng)電流從零開(kāi)始,最大值也不超過(guò)額定電流,減輕了對(duì)電網(wǎng)的沖擊和對(duì)供電容量的要求,延長(zhǎng)了設(shè)備和閥門的使用壽命。節(jié)省了設(shè)備的維護(hù)費(fèi)用。
2:從理論上講,變頻器可以用在所有帶有電動(dòng)機(jī)的機(jī)械設(shè)備中,電動(dòng)機(jī)在啟動(dòng)時(shí),電流會(huì)比額定高5-6倍的,不但會(huì)影響電機(jī)的使用壽命而且消耗較多的電量.系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)在電機(jī)選型上會(huì)留有一定的余量,電機(jī)的速度是固定不變,但在實(shí)際使用過(guò)程中,有時(shí)要以較低或者較高的速度運(yùn)行,因此進(jìn)行變頻改造是非常有必要的。變頻器可實(shí)現(xiàn)電機(jī)軟啟動(dòng)、補(bǔ)償功率因素。
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