变频器 (Variable-frequency Drive 简称:VDF) 是将固定频率的交流电变换成频率、电压连续可调的交流电,供给电动机运转的电源装置。变频器靠内部IGBT的开断来调整输出电源的电压和频率,根据电机的实际需要来提供其所需要的电源电压,进而达到节能、调速的目的。变频器具有调速性能好,
调速范围宽,静态稳定性好;能实现电机的软启动,冲击小,运行效率高的特点。
芬兰瓦萨控制系统有限公司于1967年开发出世界上第一台变频器,现代变频器的研究重点主要是针对交流调速系统。变频器主要由主电路、整流器(交流变直流)、滤波、逆变(直流变交流)、制动单元、驱动单元、检测单元微处理单元等组成。变频器按工作原理主要可以分为V/f 控制变频器(VVVF 控制)、SF 控制变频器(转差频率控制)和VC 控制变频器。
随着电力电子器件制造技术、微电子技术和变频控制技术高速发展,变频器性能快速提高,得到了大量的推广,已被广泛应用在机械、化工、冶金、轻工等领域。
发展历程
芬兰瓦萨控制系统有限公司,其前身是
瑞典的STRONGB,于20世纪60年代成立,并于1967年开发出世界上第一台变频器,被称为变频器的皇祖,开创了世界商用变频器市场先河。
20世纪70年代,德国人 F.Blaschke 首先提出了
向量控制模型。矢量控制实现的基本原理是通过测量和控制异步电动机定子电流矢量根据
磁场定向原理分别对异步电动机的励磁电流和转矩电流进行控制,从而达到控制异步电动机转矩的目的。通用的变频器最早出现在这个时期,随着PWM控制技术,电力电子的器件出现感应电机的调速装置。到了70年代末,随着脉宽的变压变频和电力电子的广泛研究应用,变频器的研发取得了突破性进展。
20世纪80年代中期继矢量控制技术之后,直接转矩控制直接转矩控制 (Direct Torque Control,DTC) 系统开始发展,它一种高性能异步电动机变频调速系统。
进入到21世纪后,中国针对变频器展开了深入的研究,取得了突破性的进展,已经研发出很多具有独特作用的变频器,并且早已应用到实际适应中,技术水平已经可以与发达国家接轨。但是面对科技日新月异的现代社会,仍然没有哪一种控制方式是能够解决所有控制方式的优势,所以现代的变频技术仍然处于一个兼容的状态。现代变频器的发展方向变频器从诞生的那天开始,一直到今天都是交流调速系统的重要研究对象。
工作原理
变频器靠内部IGBT的开断来调整输出电源的电压和频率,根据电机的实际需要来提供其所需要的电源电压,进而达到节能、调速的目的。常用的变频器主要采用交-直-交方式 (VVVF变频或
向量控制变频),先把工频交流电源通过整流器转换成
DC电源,再把直流电源转换成频率、电压均可控制的交流电源以供给电动机。变频器的电路一般由整流、中间直流环节、逆变和控制4个部分组成。
为了产生可变的电压和频率,变频器首先要把电源的交流电转换为直流电(DC),这个过程称为整流。把直流电 (DC) 转换为交流电 (AC) 的装置,其科学术语为 [inverter](逆变器)。一般逆变器是把直流电源逆变为一定的固定频率和一定电压的逆变电源。对于逆变为频率可调、电压可调的逆变器称为变频器。变频器输出的
波形是模拟正弦波,主要用于三相异步电动机调速,又称变频调速器。对于主要用在仪器仪表的检测设备中的波形要求较高的可变频率逆变器,要对波形进行整理,可以输出标准的正弦波,称为变频电源。
主要结构
主电路
内部电路构成
变频器内部电路由逆变模块、整流模块、整流桥、控制板、驱动板、主回路板、电源板、分线板、制动电阻、电解
电容器、金属膜电容器、
电阻、继电器、接触器、快速
保险丝、RS485 接口、RS232 接口、电流传感器、散热风机、散热器、充电电阻、光耦、温控开关、电源厚膜组件、频率厚膜组件、缺相厚膜组件、快速三极管、主回路端子排、控制回路端子排、接线端子、充电指示灯、压敏电阻等构成。
外部电路构成
变频器外部电路由制动单元、输入电抗器、输出电抗器、直流电抗器、标准键盘、远控键盘、远控电源、远控电缆、自动控制专用接口板、RS232/RS485
总线适配器、RS232总线分配器、RS232总线电缆RS485通信电缆、机壳、
机箱、机柜等构成。
整流器
整流器把工频电源变换为直流电源。也可用两组
晶体管变流器构成可逆变流器,由于其功率方向可逆,可以进行再生运转。在整流器整流后的直流电压中,含有电源6倍频率的
脉动电压此外逆变器产生的脉动电流也使直流电压变动。为了抑制电压波动,采用
电感和电容吸收脉动电压(电流)。装置容量小时,如果电源和主电路构成器件有余量,可以省去电感采用简单的平波回路。
逆变器
常见的变频器逆变电路是由IGD、IGBT、电容等不同元件组成的,IGBT在整个逆变电路中起着核心作用,IGD负责对IGBT进行触发、保护和监控,电容则是用来对直流电进行暂时保存。
逆变器在主电路中的作用与整流器相反,逆变器是将直流功率变换为所要求频率的交流功率,作用是在所确定的时间里有规则地使六个功率开关器件导通、关断,从而将直流功率变换为所需电压和频率的交流输出功率。
控制电路
控制电路是给异步电动机供电(电压、频率可调)的主电路提供控制信号的回路,它有频率、电压的“运算电路”,主电路的“电压、电流检测电路”,电动机的“速度检测电路”,将运算电路的控制信号进行放大的“驱动电路”,以及逆变器和电动机的“保护电路”组成。每一相都有3种工作模式,以A相为例,说明三种工作模式的原理。
工作模式1:功率器件VTl、VT2导通,VT3、
VT-4主战坦克关断;若电流方向为流人负载,即电流从P点流人VT1、VT2到达输出端A。在忽略功率器件的正向导通管压降,则输入端
电势与P点电位相同。若电流从负载流出,此时电流从输出端A流过续流二极管VD2、VDl注入P点,输出端A点电位仍与P点电位相等。所以工作于该模式时输出端A与P点电位相等。此时以
直流电压中心点O为零电位,则输出电压为仉/2,并用状态符号“P”表示该工作模式。
工作模式2:功率器件VT2、VT3导通,VT1、VT4关断;若电流流人负载,则电流从中性点0通过VD5、主功率器件VT2到达输出端,输出端电位与0点电位相等。若电流从负载流出,电流从输出端流过注人中性点,输出端电位仍与0点电位相等。在这种情况下,VD5、VD6与VT2一起将输出端电位钳制于中性点0,并用状态代号“O”表示该工作模式。
工作模式3:VT3、VT4导通,VT1、VT2关断;类似于工作模式1分析,得出输出端A点电位等同于Ⅳ点电位。
运算电路
将外部的速度、转矩等指令同检测电路的电流、电压信号进行比较运算,决定逆变器的输出电压、频率。
电压、电流检测电路
用于主回路电位隔离检测电压、电流等。
驱动电路
驱动主电路器件的电路。它与控制电路隔离使主电路器件导通、关断。
速度检测电路
以装在异步电动机轴机上的速度检测器(tg、plg等)的信号为速度信号,送入运算回路,根据指令和运算可使电动机按指令速度运转。
保护电路
检测主电路的电压、电流等,当发生过载或过电压等异常时,为了防止逆变器和异步电动机损坏。
主要分类
按输入电压等级
变频器按输入电压等级可分
低压变频器和高压变频器,低压变频器国内常见的有单相220 V变频器、三相220V变频器、三相380V变频器。高压变频器常见有6kV、10kV变压器,控制方式一般是按高低一高变频器或高一高变频器方式进行变换的。
按变换频率的方法
变频器按频率变换的方法分为交-交型变频器和交-直交型变频器。交-交型变频器可将
市电直接转换成频率、电压均可以控制的交流,故称直接式变频器。交直-交型变频器则是先把工频交流电通过整流装置转变成直流电,然后再把直流电变换成频率、电压均可以调节的交流电,故又称为间接型变频器。
按直流电源的性质分类
在交-直-交型变频器中,按主电路电源变换成直流电源的过程中,直流电源的性质分为电压型变频器和电流型变频器。
按变频器调压方法分类
PAM变频器是一种通过改变电压源U或电流源I的幅值进行输出控制的。PWM变频器方式是在变频器输出
波形的一个周期产生多个脉冲波,其等值电压为正弦波,波形较平滑。
按工作原理分
V/f 控制变频器(VVVF 控制)、SF 控制变频器(转差频率控制)、VC 控制变频器。
按照用途
用途作为依据进行划分,则有五种不同类型,即通用、高性能专用、高频、单相、三相变频器。
变频器频率给定方式和特点
变频器频率给定方式即变频器的频率设定方式,也就是调节变频器输出频率的具体方法。频率给定方式主要有:操作面板给定、端子多段给定、模拟信号给定等方式。
操作面板给定方式
操作面板给定方式是通过变频器操作面板上的
电位器或上下按键设定频率的方式,是内部PU给定。输出频率可以通过电位器来调节,这种给定属于模拟量给定方式,频率调节精度稍低。有些变频器操作面板(例如:三菱E540变频器)自带上下按键,变频器输出频率是通过上下按键来调节,这种给定属于数字量给定方式,频率调节精度高。
操作面板给定方式优点是不需要外部额外接线,变频器输出频率连续可调,是变频器最简单的频率给定方式,使用非常方便,适用于单台变频器的手动设定。缺点是只能通过手动设定,在经常改变输出频率的场合使用有些不太方便。
端子多段给定方式
端子多段给定方式通过设置变频器的内部参数,用开关信号控制变频器输入端子来设定变频器频率的方式,是外部给定,电路如图2所示。开关信号可以用按钮、中间继电器和PLC等,输入端RH、RM和RL分别是高速、中速和低速,3种输出频率可以通过参数Pr.4~Pr.6设置(3段调速)。这种给定方式是数字量给定方式,优点是频率调节精度高,抗干扰能力强,接线简单,与电压信号给定相比不存在温度漂移现象,常用于传送带调速控制。缺点是只能分段调速。
模拟信号给定方式
模拟信号给定方式是通过模拟信号(电压信号或电流信号)控制变频器输入端子来设定输出频率的给定方式,变频器输出频率的高低通过模拟量的大小调节,属于外部给定。根据模拟量给定信号的种类不同,可以分为电压信号给定和电流信号给定。
模拟量给定中通常采用电流或电压信号,常见于电位器、仪表、PLC和DCS等控制回路。电流信号一般指0~20mA或4~20mA。电压信号一般指0~10V、2~I0V、0~±10V、0~5V、1~5V,0~±5V等。电流信号在传输过程中,不受线路电压降、接触电阻及其压降、杂散的热电效应以及感应噪声等影响,抗干扰能力较电压信号强。但由于电流信号电路比较复杂,故在距离不远的情况下,仍以选用电压给定为模拟量信号居多。
变频器控制方式
u/I控制方式
u/I控制方式,就是压频比
标量控制方式,是最基本的变频器控制方式。通常是开环控制,维持
磁通量为
常数。在对异步电动机进行调速控制时,希望电动机的主磁通保持额定值不变。三相异步电动机定子每相
电动势的有效值:
式中:E1为定子每相气隙磁通感应电动势的均方根值;f1为定子频率;N1为定子每相绕组有效匝数;为每极磁通量。
这种控制方法优点是结构简单、工作可靠,控制运算速度要求不高。缺点是调速精度和动态性能较差,只控制了气隙磁通,不能调节转知,性能不高,由于不含有电流控制,起动时必须具有给定积分环节以抑制电流冲击,低频时转距不足,需转距补偿,以改变低频时转距特性。
转差频率控制(SFC)
从异步电动机的等效电路图得出,异步电动机稳态运行时所产生的电磁转矩为:
式中,转差频率fs=sf1,是施加于电动机的交流电压频率与以电动机实际速度nn,作为同步转速所对应的电源频率fn的差频率,即f1=fs+fn。电动机稳态运行时,转差频率较小,如果E1/f1=常数,则电动机的转矩基本上与转差频率成正比。在进行变频调速时在电动机转子上安装测速发电机等速度检出器得出,并根据希望得到的转知调节变频器的输出频率。这样就可以使电动机得到设定的转差频率,即使电动机具有所需的输出转矩。
这种控制方法优点是基本上控制了电机转矩,提高了转速调节的动态性能和
稳态精度。同时还可以控制电动机的转子电流,起到保护电动机的作用。缺点是不能真正控制动态过程的转矩,动态性能不理想。
矢量控制(VC)
矢量控制是一种高性能异步电动机的控制方式。它仿照直流电动机的调速特点,以电流产生的旋转磁动势相同为准则,将异步电动机的定子电流,即变频器的输出电流ia、ib、ic通过3s/2s变换,等效为两相静止坐标系下的两相交流电流iα、iβ再利用2s/2r坐标变换实现,等效为两相旋转坐标系下的两相直流电流id、iq,id是产生
磁场的电流分量(励磁电流),iq是产生转矩的电流分量(转矩电流)。
该控制方法的优点是将
定子和转子电流解耦为励磁电流和转矩电流,分别控制,提高了控制性能。缺点是采用转子磁场定向,对电机参数的依赖性大,而电机参数存在时变性,难以达到理想的控制效果。
相关标准
中国标准
GB/T32877-2016
在电气传动系统中,电动机和变频器通常由不同制造商提供,而统一设计的电动机被大批量生产,它们可能由电网或者不同制造商提供的不同型号的变频器驱动,各变频器的性能(如开关频率、
直流母线电压等级等)可能也会影响系统的效率。因此标准提出了一个试验用变频器的概念。它是一个基于脉宽调制、脉冲模式固定,为被试电动机提供重复
谐波含量的电压源型变频器。目的在于比较变频器供电情况下的不同交流感应电动机产生的谐波损耗。
GB 12668
中国调速电气传动系统国家标准,标准是发布的建立设计规格和设计流程的文档,通过建立被普遍理解和采纳的一致性协议,形成产品研发、生产的基本构件,用于确保产品等的可靠性、功能和兼容性,增强交互性,以保证消费者的安全等权益。通过使用标准,能够保证互连性和交互性的要求;通过标准的应用,能够验证新产品和新市场的可信度。
国际标准
IEC/TS60034-2-3-2013
翻译为《变频器供电交流感应电动机确定损耗和效率的特定试验方法》,主要测试变频器驱动感应电动机时,电动机的损耗不仅有基波损耗,以及变频器谐波产生的谐波损耗,谐波损耗附加在基波铁耗、基波转子损耗、基波定子损耗和附加损耗。
相关应用
家电变频节能
随着大型家用电器如中央空调系统普及程度的不断提高,能耗问题逐渐成为社会各界共同关注的焦点。变频节能技术作为中央空调系统中常用的节能降耗技术,对其进行优化调整成为推进中央空调系统节能减排的重要途径。对于中央空调系统,变频节能技术的应用主要包含两个方面。一方面,针对末端送风装置进行变频控制。对于中央空调系统,利用变频作业的操作,空调系统本身的输入端电压也会随之发生变化,不仅能够有效降低中央空调系统的能耗,也能够在一定程度上减少系统噪音。另一方面,针对空调冷冻水系统进行变频控制来调控电机的转速,控制冷冻水,水量等。
食品轻工业
变频器在食品机械上的应用功效基于以下两点,第一点是增加产量、降低成本。变频器可以提高食品机械的生产技术,使产品产量和品质都得到提高,并能有效节约成本,实现
利润最大化。第二点是实现控制的软件化,提高功能,通过转矩补偿、防止失速和重合闸等功能,实现不跳闸运行。
工业自动化等
在电梯、工业自动化等行业中,对于电机软启动的要求非常高,如果可以在其中推广使用变频器,即可满足精准控制的要求。其中,使用最广泛的一种类型就是极型复合自关断器件,这一器件的应用是高压变频器的革命,已经在各个工业领域得到了应用,有效延长了电容使用寿命。3kv、6kv、10kv等电压等级的电机被称为高压电机,与这种电机同时使用,对其进行调速的变频器则为高压变频器。高压变频器的种类也有很多,主要可以分为交交变频器和交直交变频器两种,经常使用的变频器为交直交变频器,这种变频器会经过两次变换,可以满足各个行业的使用需求。
矿产冶金等
变频器的应用能够实现对矿井内瓦斯浓度的合理控制,避免瓦斯含量过高所引发的瓦斯事故,降低煤矿损失。因此,在煤矿企业的生产中, 为了给作业人员创造相对安全的作业环境,需科学应用高压变频器。高压变频器在瓦斯抽放泵中的应用满足了煤矿企业的生产需求,有效实现了对瓦斯抽放量的科学控制。
纺织机械
纺织纤维,特别是合成纤维(化纤)生产机械的电力拖动,不论是前期工序还是后期工序均已广泛采用变频调速。如卷绕机是化纤工程的最尾工序的主要设备,通过卷筒将拉伸后的纺丝进行
卷取。卷绕成品的质量与后期纺织工序有很大关系,故对电气控制提出如下要求。①选用高速电动机以提高生产率;②卷绕过程中必须自动调节转速,定长剪断。
风力发电
风电机组规模的扩大给风力发电机组的稳定运行带来了一些技术难题,其中比较常见的就是发电机组的输出功率问题。电网中传输的功率往往需要控制在比较稳定的范围内,这就需要风力发电机组具有稳定的运行
速率。但是在自然环境中,风力强弱并不是固定不变的,而是随其他因素的微小变化而时刻变化的,进而干扰风力发电机的稳步运行,使得发电机组中稳定输出功率的控制表现出一定的难度。将变频器用于风力发电机组中,可以很好的解决这一技术难题,使风力发电机的运行速率保持稳定,从而输出稳定的功率。
未来发展
网络智能化
未来的变频器必然要朝向网络化的方向发展。网络控制可以说是实现当今社会机器自动化控制的必备功能。变频器的自动化同样如此。在变频器采用数值化控制之后其实就可以初步具有网络控制的前提条件了,它能够像其他的自动化装置一样通过网络来实现自动化的控制。
节能环保
环保化依旧是其一个主要的发展方向,特别是在当今社会各种自然灾害频繁发生的情况下,我们必须对各个领域进行环保化的变革,变频器研究领域同样如此。无论是电力电子器件的使用还是拓扑结构的改进,再到低噪声控制技术的发展,我们都必须始终将环保意识贯穿始终,特别是降低变频器的噪声技术,必须要着重解决。
专门化和一体化
变频器的制造专门化,可以使变频器在某一领域的性能更强,如风机、水泵用变频器、电梯
专用变频器、起重机械专用变频器、
张力控制专用变频器等。除此以外,变频器有与电动机一体化的趋势,使变频器成为电动机的一部分,可以使体积更小,控制更方便。
小型化
现在电力电子技术、微电子技术和现代控制技术以惊人的速度向前发展,变频调速传动技术也随之取得了日新月异的进步,这种进步集中体现在交流调速装置的大容量化、变频器的高性能化和多功能化、结构的小型化等方面。