變頻器的原理與選型及主電路結(jié)構(gòu)-設(shè)計應(yīng)用

精品文檔-下載后可編輯變頻器的原理與選型，及主電路結(jié)構(gòu)-設(shè)計應(yīng)用我們常常聽到的變頻空調(diào)等。那么究竟是什么呢?

原理

變頻是現(xiàn)代電力電子技術(shù)領(lǐng)域發(fā)展而來的，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，來控制交流電動機(jī)的電力控制設(shè)備。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(shí)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。

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的脈沖信號成正弦規(guī)律時，整定出的直流呈正弦的規(guī)律，為正弦曲線的上半部分，周期為脈沖信號的正弦規(guī)律周期，是交流電周期的整數(shù)倍。通過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，保持頻運(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，從而節(jié)約電能。

另外，變頻器運(yùn)用在電動機(jī)上，可以實(shí)現(xiàn)無級調(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)。對于交交變頻器，省去了直流的中間環(huán)節(jié)，但是開關(guān)管的數(shù)量并沒有降低，往往一個橋臂需要的開關(guān)管的數(shù)量會增加一倍，這種電路結(jié)構(gòu)常見于超大功率的低速調(diào)節(jié)電路。其的缺點(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)低速的場合。的研究中，矩陣式的電流結(jié)構(gòu)得到了越來越多的關(guān)注，但是，這種電路結(jié)構(gòu)的問題在于控制的復(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：中間為電解電容儲存提供母線電壓，前級采用二極管不控整流，簡單可靠，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，此時只要控制好逆變的開關(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)定子磁場定向矢量控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了基于風(fēng)機(jī)功率點(diǎn)跟蹤的發(fā)電機(jī)有功和無功的解耦控制，是目前變速恒頻風(fēng)力發(fā)電的一個代表方向。

為了適應(yīng)不同的電網(wǎng)工作狀況，對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)動電機(jī)選擇合適的變頻器是一個被大家較為關(guān)注的問題。這個問題，應(yīng)該依據(jù)現(xiàn)場的工作環(huán)境，被控制的對象，速度要求的范圍，穩(wěn)態(tài)速度精度，轉(zhuǎn)矩要求，以及現(xiàn)場布線情況來進(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。定性的來說，從電壓匹配，電流匹配，轉(zhuǎn)矩匹配上進(jìn)行選型。這就要求我們隊現(xiàn)場的用電情況有一個全面徹底的了解，對用電電壓的等級，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，會使用稍微大規(guī)格的變頻器。若現(xiàn)場的電機(jī)需要頻繁的啟動和制動，則必須要安裝制動電阻，制動電阻的大小應(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)動高速電機(jī)時，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。變頻器如果要長電纜運(yùn)行時，此時要采取措施抑制長電纜對地耦合電容的影響，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。對一些特殊的應(yīng)用場合，如高溫，高海拔，此時會引起變頻器的降容，變頻器容量要放大一擋。

在一些精度要求嚴(yán)格的場合，需要對電機(jī)進(jìn)行一系列測試后然后選型，甚至對電機(jī)的旋轉(zhuǎn)編碼器也提出了一定的要求?？偠灾?，因事因地制宜，根據(jù)不同的現(xiàn)場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

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、電動機(jī)使用工頻電源驅(qū)動時，電壓下降則電流增加;對于變頻器驅(qū)動，如果頻率下降時電壓也下降，那么電流是否增加?

頻率下降(低速)時，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，電機(jī)的起動電流、起動轉(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時，起動電流為額定電流6~7倍，因此，將產(chǎn)生機(jī)械電氣上的沖擊。

采用變頻器傳動可以平滑地起動(起動時間變長)。起動電流為額定電流的1.2~1.5倍，起動轉(zhuǎn)矩為70%~120%額定轉(zhuǎn)矩;對于帶有轉(zhuǎn)矩自動增強(qiáng)功能的變頻器，起動轉(zhuǎn)矩為100%以上，可以帶全負(fù)載起動。

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

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

5、對于一般電機(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

6、所謂開環(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“開環(huán)”。通用變頻器多為開環(huán)方式，也有的機(jī)種利用選件可進(jìn)行PG反饋.無速度傳感器閉環(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)于用一個虛擬的速度傳感器形成閉環(huán)控制。

7、實(shí)際轉(zhuǎn)速對于給定速度有偏差時如何辦?

開環(huán)時，變頻器即使輸出給定頻率，電機(jī)在帶負(fù)載運(yùn)行時，電機(jī)的轉(zhuǎn)速在額定轉(zhuǎn)差率的范圍內(nèi)(1%~5%)變動。對于要求調(diào)速精度比較高，即使負(fù)載變動也要求在近于給定速度運(yùn)轉(zhuǎn)的場合，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?

如果給定的加速時間過短，變頻器的輸出頻率變化遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過轉(zhuǎn)速(電角頻率)的變化，變頻器將因流過過電流而跳閘，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)加速電流過大時適當(dāng)放慢加速速率。減速時也是如此。兩者結(jié)合起來就是失速功能。

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

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

10、為什么用離合器連接負(fù)載時，變頻器的保護(hù)功能就動作?

用離合器連接負(fù)載時，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，流過的大電流導(dǎo)致變頻器過電流跳閘，不能運(yùn)轉(zhuǎn)。

11、什么是變頻分辨率?有什么意義?

對于數(shù)字控制的變頻器，即使頻率指令為模擬信號，輸出頻率也是有級給定。這個級差的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、24.0Hz，因此電機(jī)的動作也是有級的跟隨。這樣對于像連續(xù)卷取控制的用途就造成問題。

在這種情況下，如果分辨率為0.015Hz左右，對于4級電機(jī)1個級差為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