變頻器工作原理

1、變頻器的原理及其應(yīng)用1變頻器原理 通用型變頻器絕大多數(shù)是交直交型變頻器，通常尤以電壓器變頻器為通用，其主回路圖（見圖1.1），它是變頻器的核心電路，由整流回路（交直交換），直流濾波電路（能耗電路）及逆變器電路（直交變換）組成，當(dāng)然還包括有限流電路、制動(dòng)電路、控制電路等組成部分 2交-直-交變頻器的主要結(jié)構(gòu)框圖整流器逆變器中間電路電動(dòng)機(jī)控制電路3整流電路如圖1.2所示，通用變頻器的整流電路是由三相橋式整流橋組成。它的功能是將工頻電源進(jìn)行整流，經(jīng)中間直流環(huán)節(jié)平波后為逆變器電路和控制電路提供所需的直流電源。三相交流電源一般需經(jīng)過(guò)吸收電容和壓敏電阻網(wǎng)絡(luò)引入整流橋的輸入端。網(wǎng)絡(luò)的作用，是吸收交流電網(wǎng)的高

2、頻諧波信號(hào)和浪涌過(guò)電壓，從而避免由此而損壞變頻器 4濾波電路逆變器的負(fù)載屬感性負(fù)載的異步電動(dòng)機(jī)，無(wú)論異步電動(dòng)機(jī)處于電動(dòng)或發(fā)電狀態(tài)，在直流濾波電路和異步電動(dòng)機(jī)之間，總會(huì)有無(wú)功功率的交換，這種無(wú)功能量要靠直流中間電路的儲(chǔ)能元件來(lái)緩沖。同時(shí)，三相整流橋輸出的電壓和電流屬直流脈沖電壓和電流。為了減小直流電壓和電流的波動(dòng)，直流濾波電路起到對(duì)整流電路的輸出進(jìn)行濾波的作用。 通用變頻器直流濾波電路的大容量鋁電解電容，通常是由若干個(gè)電容器串聯(lián)和并聯(lián)構(gòu)成電容器組，以得到所需的耐壓值和容量。另外，因?yàn)殡娊怆娙萜魅萘坑休^大的離散性，這將使它們隨的電壓不相等。因此，電容器要各并聯(lián)一個(gè)阻值等相的勻壓電阻，消除離散性的影

3、響，因而電容的壽命則會(huì)嚴(yán)重制約變頻器的壽命 5逆變電路逆變電路的作用是在控制電路的作用下，將直流電路輸出的直流電源轉(zhuǎn)換成頻率和電壓都可以任意調(diào)節(jié)的交流電源。逆變電路的輸出就是變頻器的輸出，所以逆變器電路是變頻器的核心電路之一，起著非常重要的作用。 最常見的逆變電路結(jié)構(gòu)形式是利用六個(gè)功率開關(guān)器件（電力晶體管GTR、絕緣柵雙極型晶體管IGBT、門極可關(guān)斷晶閘管GTO等）組成的三相橋式逆變電路，有規(guī)律的控制逆變器中功率開關(guān)器件的導(dǎo)通與關(guān)斷，可以得到任意頻率的三相交流輸出。 逆變電源電路中都設(shè)置有續(xù)流電路。續(xù)流電路的功能是當(dāng)頻率下降時(shí)，異步電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速也隨之下降。為異步電動(dòng)機(jī)的再生電能反饋至直流電

4、路提供通道。在逆變過(guò)程中，寄生電感釋放能量提供通道。另外，當(dāng)位于同一橋臂上的兩個(gè)開關(guān)，同時(shí)處于開通狀態(tài)時(shí)將會(huì)出現(xiàn)短路現(xiàn)象，并燒毀換流器件。所以在實(shí)際的通用變頻器中還設(shè)有緩沖電路等各種相應(yīng)的輔助電路，以保證電路的正常工作和在發(fā)生意外情況時(shí)，對(duì)換流器件進(jìn)行保護(hù)。6變頻器的調(diào)速原理N=60F/P P：極對(duì)數(shù) F：頻率N：轉(zhuǎn)速改變頻率和電壓是最優(yōu)的電機(jī)控制方法 。如果僅改變頻率，電機(jī)將被燒壞。特別是當(dāng)頻率降低時(shí)，該問題就非常突出。為了防止電機(jī)燒毀事故的發(fā)生，變頻器在改變頻率的同時(shí)必須要同時(shí)改變電壓，例如：為了使電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度減半，變頻器的輸出頻率必須從60Hz改變到30Hz，這時(shí)變頻器的輸出電壓就必須

5、從200V改變到約100V。例如：為了使電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度減半，變頻器的輸出頻率必須從60Hz改變到30Hz，這時(shí)變頻器的輸出電壓就必須從200V改變到約100V。 調(diào)速原理：7變頻器的優(yōu)點(diǎn)1、變頻調(diào)速的節(jié)能由于采用變頻調(diào)速后，風(fēng)機(jī)、泵類負(fù)載的節(jié)能效果最明顯，節(jié)電率可達(dá)到20%60%，這是因?yàn)轱L(fēng)機(jī)水泵的耗用功率與轉(zhuǎn)速的三次方成比例，當(dāng)用戶需要的平均流量較小時(shí)，風(fēng)機(jī)、水泵的轉(zhuǎn)速較低，其節(jié)能效果也是十分可觀的。而傳統(tǒng)的擋板和法門進(jìn)行流量調(diào)節(jié)時(shí)，耗用功率變化不大。由于這類負(fù)載很多，約占交流電動(dòng)機(jī)總?cè)萘康?0%30%，它們的節(jié)能就具有非常重要的意義。2、軟啟動(dòng) 工頻狀況下馬達(dá)采用的是星三角降壓延時(shí)啟動(dòng)，此

6、時(shí)電流是電機(jī)額定電流的47倍，若多臺(tái)大功率的電機(jī)同時(shí)啟動(dòng)，將對(duì)電網(wǎng)造成很大沖擊。采用變頻器后，馬達(dá)只需在額定電流下就可啟動(dòng)，電流平滑無(wú)沖擊，減少了啟動(dòng)電流對(duì)馬達(dá)和電網(wǎng)的沖擊，延長(zhǎng)了電機(jī)的使用壽命。3、減少無(wú)功功率 無(wú)功功率不但增加線損和設(shè)備的發(fā)熱，更主要的是因無(wú)功功率因素的降低導(dǎo)致電網(wǎng)有功功率的降低。而使用變頻器調(diào)節(jié)后由于變頻器內(nèi)濾波電容的使用，使得功率因素接近為1，增大了電網(wǎng)的有功功率。從而節(jié)省了無(wú)功功率消耗的能量。4、方便控制，使控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單化 、變頻器很容易實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正、反轉(zhuǎn) 、加、減速時(shí)間及頻率可任意調(diào)節(jié) 、變頻器還具有直流制動(dòng)功能，需要制動(dòng)時(shí)，變頻器給電動(dòng)機(jī)加上一個(gè)直流電壓，進(jìn)行制動(dòng)

7、，則無(wú)需另加制動(dòng)控制電路、運(yùn)行平穩(wěn)、可進(jìn)行高速運(yùn)轉(zhuǎn)8SINAMICS GM150 SINAMICS GM150變頻器為受控相位回轉(zhuǎn)機(jī)器的中壓變頻器。 參數(shù)： 輸入：電壓：2200V 電流：614A 頻率：50HZ 輸出：電壓：0-4160V 電流：600A 頻率：0-150HZ 9SINAMICS GM150GM 150 IGBT電源模塊結(jié)構(gòu) 1. 斷路器2. 換流變壓器 3. 基本型電源模塊（二極管整流器） 4. 與干式電容器之間的直流鏈。 5. 帶有 HV IGBT的電機(jī)模塊（3點(diǎn)式換流器） 6. 電機(jī)側(cè) PT和 CT 7. 高壓電機(jī) 10電機(jī)模塊電機(jī)模塊包括三部分，每部分包括三個(gè)電源卡（

8、結(jié)構(gòu)N=1）或五個(gè)電源卡（結(jié)構(gòu)N=2）。在每種結(jié)構(gòu)中，一個(gè)電源卡裝配有中性二極管；其它裝配有電源二極管（IGBT模塊），可被切斷。每個(gè)電源卡包括帶中性二極管或兩個(gè) IGBT電源半導(dǎo)體的散熱片。 IGBT可限制和切斷短路電流。這意味著，變頻器可提供短路保護(hù)；也就是說(shuō)，短路不會(huì)損壞裝 置，但可導(dǎo)致運(yùn)行停止。帶有 IGBT電源半導(dǎo)體的電源卡 11IGBT簡(jiǎn)介IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)，絕緣柵雙極型晶體管，是由BJT(雙極型三極管)和MOS(絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管)組成的復(fù)合全控型電壓驅(qū)動(dòng)式功率半導(dǎo)體器件, 兼有MOSFET的高輸入阻抗和GTR的低導(dǎo)通壓降

9、兩方面的優(yōu)點(diǎn)。GTR飽和壓降低，載流密度大，但驅(qū)動(dòng)電流較大;MOSFET驅(qū)動(dòng)功率很小，開關(guān)速度快，但導(dǎo)通壓降大，載流密度小。IGBT綜合了以上兩種器件的優(yōu)點(diǎn)，驅(qū)動(dòng)功率小而飽和壓降低 12變頻器的散熱如果要正確的使用變頻器, 必須認(rèn)真地考慮散熱的問題。變頻器的故障率隨溫度升高而成指數(shù)的上升。使用壽命隨溫度升高而成指數(shù)的下降。環(huán)境溫度升高10度，變頻器使用壽命減半。因此，我們要重視散熱問題?。≡谧冾l器工作時(shí)，流過(guò)變頻器的電流是很大的, 變頻器產(chǎn)生的熱量也是非常大的，不能忽視其發(fā)熱所產(chǎn)生的影響。我站變頻器散熱方式采用的是水冷 13變頻器的控制矢量控制提升電機(jī)的轉(zhuǎn)矩此功能增加變頻器的輸出電壓，以使電機(jī)

10、的輸出轉(zhuǎn)矩和電壓的平方成正比的關(guān)系增加，從而改善電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩。改善電機(jī)低速輸出轉(zhuǎn)矩不足的技術(shù),使用矢量控制，可以使電機(jī)在低速,如(無(wú)速度傳感器時(shí))1Hz（對(duì)4極電機(jī)，其轉(zhuǎn)速大約為30r/min）時(shí)的輸出轉(zhuǎn)矩可以達(dá)到電機(jī)在50Hz供電輸出的轉(zhuǎn)矩（最大約為額定轉(zhuǎn)矩的150）。對(duì)于常規(guī)的V/F控制，電機(jī)的電壓降隨著電機(jī)速度的降低而相對(duì)增加，這就導(dǎo)致由于勵(lì)磁不足，而使電機(jī)不能獲得足夠的旋轉(zhuǎn)力。為了補(bǔ)償這個(gè)不足，變頻器中需要通過(guò)提高電壓，來(lái)補(bǔ)償電機(jī)速度降低而引起的電壓降。變頻器的這個(gè)功能叫做轉(zhuǎn)矩提升。轉(zhuǎn)矩提升功能是提高變頻器的輸出電壓。然而即使提高很多輸出電壓，電機(jī)轉(zhuǎn)矩并不能和其電流相對(duì)應(yīng)的提高。 因

11、為電機(jī)電流包含電機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩分量和其它分量（如勵(lì)磁分量）。矢量控制把電機(jī)的電流值進(jìn)行分配，從而確定產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的電機(jī)電流分量和其它電流分量（如勵(lì)磁分量）的數(shù)值。矢量控制可以通過(guò)對(duì)電機(jī)端的電壓降的響應(yīng)，進(jìn)行優(yōu)化補(bǔ)償，在不增加電流的情況下，允許電機(jī)產(chǎn)出大的轉(zhuǎn)矩。此功能對(duì)改善電機(jī)低速時(shí)溫升也有效。 14變頻器制動(dòng) 指電能從電機(jī)側(cè)流到變頻器側(cè)（或供電電源側(cè)）,這時(shí)電機(jī)的轉(zhuǎn)速高于同步轉(zhuǎn)速.負(fù)載的能量分為動(dòng)能和勢(shì)能. 動(dòng)能(由速度和重量確定其大?。╇S著物體的運(yùn)動(dòng)而累積。當(dāng)動(dòng)能減為零時(shí)，該事物就處在停止?fàn)顟B(tài)。機(jī)械抱閘裝置的方法是用制動(dòng)裝置把物體動(dòng)能轉(zhuǎn)換為摩擦和能消耗掉。對(duì)于變頻器，如果輸出頻率降低，電機(jī)轉(zhuǎn)速將跟隨頻率同樣降低。這時(shí)會(huì)產(chǎn)生制動(dòng)過(guò)程. 由制動(dòng)產(chǎn)生的功率將返回到變頻器側(cè)。這些功率可以用電阻發(fā)熱消耗。在用于提升類負(fù)載,在下降時(shí), 能量(勢(shì)能)也要返回到變頻器(或電源)側(cè),進(jìn)行制動(dòng).這種操作方法被稱作再生制動(dòng)，而該方法可應(yīng)用于變頻器制動(dòng)。在減速期間，產(chǎn)生的功率如果不通過(guò)熱消耗的方法消耗掉，而是把能量返回送到