變頻器工作原理與結(jié)構(gòu)圖文詳解-變頻器的功能作用分析-KIA MOS管
信息來源：本站 日期：2019-01-21
變頻器（Variable-frequency Drive，VFD）是應(yīng)用變頻技術(shù)與微電子技術(shù)，通過改變電機(jī)工作電源頻率方式來控制交流電動(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。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：由大功率開關(guān)晶體管陣列組成電子開關(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)。
變頻器的發(fā)展也同樣要經(jīng)歷一個(gè)徐徐漸進(jìn)的過程，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)洌侵苯咏唤唬瑹o(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)過幾組相控開關(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關(guān)陣組成。矩陣變換器沒有中間直流環(huán)節(jié)，輸出由三個(gè)電平組成，諧波含量比較小；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)，但是在其換流過程中不允許存在兩個(gè)開關(guān)同時(shí)導(dǎo)通的或者關(guān)斷的現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)起來比較困難。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，要承受開關(guān)頻率的交流電流，其體積并不小。
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。我們老師開玩笑說誰(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?/span>
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。
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。
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關(guān)頻率，輔逆變器有較低的開關(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。
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)過載能力減低，一般運(yùn)行在5Hz以下時(shí)變頻器過載能力減半；
（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、軸電流等問題。
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)速方法是通過調(diào)節(jié)入口或出口的擋板、閥門開度來調(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、閥門的截流過程中。當(dāng)使用變頻調(diào)速時(shí)，如果流量要求減小，通過降低泵或風(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，沒有什么意義。如果不加前提條件的說變頻器工頻運(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)”。
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。
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)電流從零開始，最大值也不超過額定電流，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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