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變頻器
控制交流電動(dòng)機的電力控制設備
變頻器（Variable-frequency Drive，VFD）是應用變頻技術(shù)與微電子技術(shù)，通過(guò)改變電機工作電源頻率方式來(lái)控制交流電動(dòng)機的電力控制設備。
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、驅動(dòng)單元、檢測單元微處理單元等組成。變頻器靠?jì)炔縄GBT的開(kāi)斷來(lái)調整輸出電源的電壓和頻率，根據電機的實(shí)際需要來(lái)提供其所需要的電源電壓，進(jìn)而達到節能、調速的目的，另外，變頻器還有很多的保護功能，如過(guò)流、過(guò)壓、過(guò)載保護等等。隨著(zhù)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用。
發(fā)展歷程
20世紀60年代以后，電力電子器件普遍應用了晶閘管及其升級產(chǎn)品。但其調速性能遠遠
無(wú)法滿(mǎn)足需要。1968年以丹佛斯為代表的高技術(shù)企業(yè)開(kāi)始批量化生產(chǎn)變頻器，開(kāi)啟了變頻器工業(yè)化的新時(shí)代。
變頻器
20世紀70年代開(kāi)始，脈寬調制變壓變頻(PWM－VVVF)調速的研究得到突破，20世紀80年代以后微處理器技術(shù)的完善使得各種優(yōu)化算法得以容易的實(shí)現。
20世紀80年代中后期，美、日、德、英等發(fā)達國家的 VVVF變頻器技術(shù)實(shí)用化，商品投入市場(chǎng)，得到了廣泛應用。最早的變頻器可能是日本人買(mǎi)了英國專(zhuān)利研制的。不過(guò)美國和德國憑借電子元件生產(chǎn)和電子技術(shù)的優(yōu)勢，高端產(chǎn)品迅速搶占市場(chǎng)。
步入21世紀后，國產(chǎn)變頻器逐步崛起，現已逐漸搶占高端市場(chǎng)。上海和深圳成為國產(chǎn)變頻器發(fā)展的前沿陣地，涌現出了像匯川變頻器、英威騰變頻器、安邦信變頻器、歐瑞變頻器等一批知名國產(chǎn)變頻器。其中安邦信變頻器成立于1998年，是我國最早生產(chǎn)變頻器的廠(chǎng)家之一。十幾年來(lái)，安邦信人以渾厚的文化底蘊作基石，支撐著(zhù)成長(cháng)，企業(yè)較早通過(guò)TUV機構ISO9000質(zhì)量體系認證，被授予“國家級高新技術(shù)企業(yè)”，多年被評為“中國變頻器用戶(hù)滿(mǎn)意十大國內品牌”。
變頻器組成
整流器
大量使用的是二極管的變流器，它把工頻電源變換為直流電源。也可用兩組晶體管變流器構成可逆變流器，由于其功率方向可逆，可以進(jìn)行再生運轉。
變頻器
平波回路
在整流器整流后的直流電壓中，含有電源6倍頻率的脈動(dòng)電壓，此外逆變器產(chǎn)生的脈動(dòng)電流也使直流電壓變動(dòng)。為了抑制電壓波動(dòng)，采用電感和電容吸收脈動(dòng)電壓（電流）。裝置容量小時(shí)，如果電源和主電路構成器件有余量，可以省去電感采用簡(jiǎn)單的平波回路。
變頻器
逆變器
同整流器相反，逆變器是將直流功率變換為所要求頻率的交流功率，以所確定的時(shí)間使6個(gè)開(kāi)關(guān)器件導通、關(guān)斷就可以得到3相交流輸出。以電壓型pwm逆變器為例示出開(kāi)關(guān)時(shí)間和電壓波形。
控制電路是給異步電動(dòng)機供電（電壓、頻率可調）的主電路提供控制信號的回路，它有頻率、電壓的“運算電路”，主電路的“電壓、電流檢測電路”，電動(dòng)機的“速度檢測電路”，將運算電路的控制信號進(jìn)行放大的“驅動(dòng)電路”，以及逆變器和電動(dòng)機的“保護電路”組成。
（2）電壓、電流檢測電路：與主回路電位隔離檢測電壓、電流等。
（3）驅動(dòng)電路：驅動(dòng)主電路器件的電路。它與控制電路隔離使主電路器件導通、關(guān)斷。
（4）速度檢測電路：以裝在異步電動(dòng)機軸機上的速度檢測器(tg、plg等)的信號為速度信號，送入運算回路，根據指令和運算可使電動(dòng)機按指令速度運轉。
（5）保護電路：檢測主電路的電壓、電流等，當發(fā)生過(guò)載或過(guò)電壓等異常時(shí)，為了防止逆變器和異步電動(dòng)機損壞。
變頻器
功能作用
變頻節能
變頻器節能主要表現在風(fēng)機、水泵的應用上。風(fēng)機、泵類(lèi)負載采用變頻調速后，節電率為20%～60%，這是因為風(fēng)機、泵類(lèi)負載的實(shí)際消耗功率基本與轉速的三次方成比例。當用戶(hù)需要的平均流量較小時(shí)，風(fēng)機、泵類(lèi)采用變頻調速使其轉速降低，節能效果非常明顯。而傳統的風(fēng)機、泵類(lèi)采用擋板和閥門(mén)進(jìn)行流量調節，電動(dòng)機轉速基本不變，耗電功率變化不大。據統計，風(fēng)機、泵類(lèi)電動(dòng)機用電量占全國用電量的31%，占工業(yè)用電量的50%。在此類(lèi)負載上使用變頻調速裝置具有非常重要的意義。目前，應用較成功的有恒壓供水、各類(lèi)風(fēng)機、中央空調和液壓泵的變頻調速。
自動(dòng)化系統
由于變頻器內置有32位或16位的微處理器，具有多種算術(shù)邏輯運算和智能控制功能，輸出頻率精度為0.1%~0.01%，且設置有完善的檢測、保護環(huán)節，因此，在自動(dòng)化系統中獲得廣泛應用。例如：化纖工業(yè)中的卷繞、拉伸、計量、導絲；玻璃工業(yè)中的平板玻璃退火爐、玻璃窯攪拌、拉邊機、制瓶機；電弧爐自動(dòng)加料、配料系統以及電梯的智能控制等。變提高工藝水平和產(chǎn)品質(zhì)量方面的應用頻器在數控機床控制、汽車(chē)生產(chǎn)線(xiàn)、造紙和電梯上的應用。
提高工藝水平
變頻器還可以廣泛應用于傳送、起重、擠壓和機床等各種機械設備控制領(lǐng)域，它可以提高工藝水平和產(chǎn)品質(zhì)量，減少設備的沖擊和噪聲，延長(cháng)設備的使用壽命。采用變頻調速控制后，使機械系統簡(jiǎn)化，操作和控制更加方便，有的甚至可以改變原有的工藝規范，從而提高了整個(gè)設備的功能。例如，紡織和許多行業(yè)用的定型機，機內溫度是靠改變送入熱風(fēng)的多少來(lái)調節的。輸送熱風(fēng)通常用的是循環(huán)風(fēng)機，由于風(fēng)機速度不變，送入熱風(fēng)的多少只有用風(fēng)門(mén)來(lái)調節。如果風(fēng)門(mén)調節失靈或調節不當就會(huì )造成定型機失控，從而影響成品質(zhì)量。循環(huán)風(fēng)機高速啟動(dòng)，傳動(dòng)帶與軸承之間磨損非常厲害，使傳動(dòng)帶變成了一種易耗品。在采用變頻調速后，溫度調節可以通過(guò)變頻器自動(dòng)調節風(fēng)機的速度來(lái)實(shí)現，解決了產(chǎn)品質(zhì)量問(wèn)題。此外，變頻器能夠很方便地實(shí)現風(fēng)機在低頻低速下啟動(dòng)并減少了傳動(dòng)帶與軸承之間的磨損，還可以延長(cháng)設備的使用壽命，同時(shí)可以節能40%。
電機軟啟動(dòng)
電機硬啟動(dòng)不僅會(huì )對電網(wǎng)造成嚴重的沖擊，而且會(huì )對電網(wǎng)容量要求過(guò)高，啟動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的大電流和震動(dòng)對擋板和閥門(mén)的損害極大，對設備、管路的使用壽命極為不利。而使用變頻器后，變頻器的軟啟動(dòng)功能將使啟動(dòng)電流從零開(kāi)始變化，最大值也不超過(guò)額定電流，減輕了對電網(wǎng)的沖擊和對供電容量的要求，延長(cháng)了設備和閥門(mén)的使用壽命，同時(shí)也節省設備的維護費用。
分類(lèi)
1．按輸入電壓等級分類(lèi)
變頻器按輸入電壓等級可分低壓變頻器和高壓變頻器，低壓變頻器國內常見(jiàn)的有單相220 V變頻器、三相220 V變頻器、i相380 V變頻器。高壓變頻器常見(jiàn)有6 kV、10 kV變壓器，控制方式一般是按高低一高變頻器或高一高變頻器方式進(jìn)行變換的。
2．按變換頻率的方法分類(lèi)
變頻器按頻率變換的方法分為交-交型變頻器和交-直交型變頻器。交-交型變頻器可將工頻交流電直接轉換成頻率、電壓均可以控制的交流，故稱(chēng)直接式變頻器。交直-交型變頻器則是先把工頻交流電通過(guò)整流裝置轉變成直流電，然后再把直流電變換成頻率、電壓均可以調節的交流電，故又稱(chēng)為間接型變頻器。
3．按直流電源的性質(zhì)分類(lèi)
給定方式
變頻器常見(jiàn)的頻率給定方式主要有：操作器鍵盤(pán)給定、接點(diǎn)信號給定、模擬信號給定、脈沖信號給定和通訊方式給定等。這些頻率給定方式各有優(yōu)缺點(diǎn)，必須按照實(shí)際的需要進(jìn)行選擇設置，同時(shí)也可以根據功能需要選擇不同頻率給定方式進(jìn)行疊加和切換。
控制方式
低壓通用變頻輸出電壓為380～650V，輸出功率為0.75～400kW，工作頻率為0～400Hz，它的主電路都采用交—直—交電路。其控制方式經(jīng)歷了以下四代。
正弦脈寬調制
其特點(diǎn)是控制電路結構簡(jiǎn)單、成本較低，機械特性硬度也較好，能夠滿(mǎn)足一般傳動(dòng)的平滑調速要求，已在產(chǎn)業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應用。但是，這種控制方式在低頻時(shí)，由于輸出電壓較低，轉矩受定子電阻壓降的影響比較顯著(zhù)，使輸出最大轉矩減小。另外，其機械特性終究沒(méi)有直流電動(dòng)機硬，動(dòng)態(tài)轉矩能力和靜態(tài)調速性能都還不盡如人意，且系統性能不高、控制曲線(xiàn)會(huì )隨負載的變化而變化，轉矩響應慢、電機轉矩利用率不高，低速時(shí)因定子電阻和逆變器死區效應的存在而性能下降，穩定性變差等。因此人們又研究出矢量控制變頻調速。
電壓空間矢量
它是以三相波形整體生成效果為前提，以逼近電機氣隙的理想圓形旋轉磁場(chǎng)軌跡為目的，一次生成三相調制波形，以?xún)惹卸噙呅伪平鼒A的方式進(jìn)行控制的。經(jīng)實(shí)踐使用后又有所改進(jìn)，即引入頻率補償，能消除速度控制的誤差；通過(guò)反饋估算磁鏈幅值，消除低速時(shí)定子電阻的影響；將輸出電壓、電流閉環(huán)，以提高動(dòng)態(tài)的精度和穩定度。但控制電路環(huán)節較多，且沒(méi)有引入轉矩的調節，所以系統性能沒(méi)有得到根本改善。
矢量控制
矢量控制變頻調速的做法是將異步電動(dòng)機在三相坐標系下的定子電流Ia、Ib、Ic、通過(guò)三相－二相變換，等效成兩相靜止坐標系下的交流電流Ia1Ib1，再通過(guò)按轉子磁場(chǎng)定向旋轉變換，等效成同步旋轉坐標系下的直流電流Im1、It1(Im1相當于直流電動(dòng)機的勵磁電流；It1相當于與轉矩成正比的電樞電流)，然后模仿直流電動(dòng)機的控制方法，求得直流電動(dòng)機的控制量，經(jīng)過(guò)相應的坐標反變換，實(shí)現對異步電動(dòng)機的控制。其實(shí)質(zhì)是將交流電動(dòng)機等效為直流電動(dòng)機，分別對速度，磁場(chǎng)兩個(gè)分量進(jìn)行獨立控制。通過(guò)控制轉子磁鏈，然后分解定子電流而獲得轉矩和磁場(chǎng)兩個(gè)分量，經(jīng)坐標變換，實(shí)現正交或解耦控制。矢量控制方法的提出具有劃時(shí)代的意義。然而在實(shí)際應用中，由于轉子磁鏈難以準確觀(guān)測，系統特性受電動(dòng)機參數的影響較大，且在等效直流電動(dòng)機控制過(guò)程中所用矢量旋轉變換較復雜，使得實(shí)際的控制效果難以達到理想分析的結果。
直接轉矩控制
1985年，德國魯爾大學(xué)的DePenbrock教授首次提出了直接轉矩控制變頻技術(shù)。該技術(shù)在很大程度上解決了上述矢量控制的不足，并以新穎的控制思想、簡(jiǎn)潔明了的系統結構、優(yōu)良的動(dòng)靜態(tài)性能得到了迅速發(fā)展。該技術(shù)已成功地應用在電力機車(chē)牽引的大功率交流傳動(dòng)上。直接轉矩控制直接在定子坐標系下分析交流電動(dòng)機的數學(xué)模型，控制電動(dòng)機的磁鏈和轉矩。它不需要將交流電動(dòng)機等效為直流電動(dòng)機，因而省去了矢量旋轉變換中的許多復雜計算；它不需要模仿直流電動(dòng)機的控制，也不需要為解耦而簡(jiǎn)化交流電動(dòng)機的數學(xué)模型。
矩陣式交一交控制
VVVF變頻、矢量控制變頻、直接轉矩控制變頻都是交—直—交變頻中的一種。其共同缺點(diǎn)是輸入功率因數低，諧波電流大，直流電路需要大的儲能電容，再生能量又不能反饋回電網(wǎng)，即不能進(jìn)行四象限運行。為此，矩陣式交—交變頻應運而生。由于矩陣式交—交變頻省去了中間直流環(huán)節，從而省去了體積大、價(jià)格貴的電解電容。它能實(shí)現功率因數為l，輸入電流為正弦且能四象限運行，系統的功率密度大。該技術(shù)雖尚未成熟，但仍吸引著(zhù)眾多的學(xué)者深入研究。其實(shí)質(zhì)不是間接的控制電流、磁鏈等量，而是把轉矩直接作為被控制量來(lái)實(shí)現的。具體方法是：
4、實(shí)現Band—Band控制按磁鏈和轉矩的Band—Band控制產(chǎn)生PWM信號，對逆變器開(kāi)關(guān)狀態(tài)進(jìn)行控制。
矩陣式交—交變頻具有快速的轉矩響應(<2ms)，很高的速度精度(±2%，無(wú)PG反饋)，高轉矩精度(<+3%)；同時(shí)還具有較高的起動(dòng)轉矩及高轉矩精度，尤其在低速時(shí)(包括0速度時(shí))，可輸出150%～200%轉矩。
諧波電流
功率因數表
變頻器的選用
選用變頻器的類(lèi)型，按照生產(chǎn)機械的類(lèi)型、調速范圍、靜態(tài)速度精度、起動(dòng)轉矩的要求，決定選用那種控制方式的變頻器最合適。所謂合適是既要好用，又要經(jīng)濟，以滿(mǎn)足工藝和生產(chǎn)的基本條件和要求。
變頻器功率
系統效率等于變頻器效率與電動(dòng)機效率的乘積，只有兩者都處在較高的效率下工作時(shí)，則系統效率才較高。從效率角度出發(fā)，在選用變頻器功率時(shí)，要注意以下幾點(diǎn)：
1）變頻器功率值與電動(dòng)機功率值相當時(shí)最合適，以利變頻器在高的效率值下運轉。
2）在變頻器的功率分級與電動(dòng)機功率分級不相同時(shí)，則變頻器的功率要盡可能接近電動(dòng)機的功率，但應略大于電動(dòng)機的功率。
3）當電動(dòng)機屬頻繁起動(dòng)、制動(dòng)工作或處于重載起動(dòng)且較頻繁工作時(shí)，可選取大一級的變頻器，以利用變頻器長(cháng)期、安全地運行。
4）經(jīng)測試，電動(dòng)機實(shí)際功率確實(shí)有富余，可以考慮選用功率小于電動(dòng)機功率的變頻器，但要注意瞬時(shí)峰值電流是否會(huì )造成過(guò)電流保護動(dòng)作。
5）當變頻器與電動(dòng)機功率不相同時(shí)，則必須相應調整節能程序的設置，以利達到較高的節能效果。
變頻器箱體結構
變頻器的箱體結構要與環(huán)境條件相適應，即必須考慮溫度、濕度、粉塵、酸堿度、腐蝕性氣體等因素。常見(jiàn)有下列幾種結構類(lèi)型可供用戶(hù)選用：
2）封閉型IP20型適用一般用途，可有少量粉塵或少許溫度、濕度的場(chǎng)合；
3）密封型IP45型適用工業(yè)現場(chǎng)條件較差的環(huán)境；
4）密閉型IP65型適用環(huán)境條件差，有水、塵及一定腐蝕性氣體的場(chǎng)合。
變頻器容量的確定
1）電機實(shí)際功率確定發(fā)。首先測定電機的實(shí)際功率，以此來(lái)選用變頻器的容量。
3）電機額定電流法變頻器。
變頻器容量選定過(guò)程，實(shí)際上是一個(gè)變頻器與電機的最佳匹配過(guò)程，最常見(jiàn)、也較安全的是使變頻器的容量大于或等于電機的額定功率，但實(shí)際匹配中要考慮電機的實(shí)際功率與額定功率相差多少，通常都是設備所選能力偏大，而實(shí)際需要的能力小，因此按電機的實(shí)際功率選擇變頻器是合理的，避免選用的變頻器過(guò)大，使投資增大。對于輕負載類(lèi)，變頻器電流一般應按1.1N（N為電動(dòng)機額定電流）來(lái)選擇，或按廠(chǎng)家在產(chǎn)品中標明的與變頻器的輸出功率額定值相配套的最大電機功率來(lái)選擇。
主電源
2）主電源頻率波動(dòng)和諧波干擾。這方面的干擾會(huì )增加變頻器系統的熱損耗，導致噪聲增加，輸出降低。
3）變頻器和電機在工作時(shí)，自身的功率消耗。在進(jìn)行系統主電源供電設計時(shí)，兩者的功率消耗因素都應考慮進(jìn)去。
發(fā)展方向
網(wǎng)絡(luò )智能化
智能化的變頻器使用時(shí)不必進(jìn)行很多參數設定，本身具備故障自診斷功能，具有高穩定性、高可靠性及實(shí)用性。利用互聯(lián)網(wǎng)可以實(shí)現多臺變頻器聯(lián)動(dòng)，甚至是以工廠(chǎng)為單位的變頻器綜合管理控制系統。
專(zhuān)門(mén)化和一體化
變頻器的制造專(zhuān)門(mén)化，可以使變頻器在某一領(lǐng)域的性能更強，如風(fēng)機、水泵用變頻器、電梯專(zhuān)用變頻器、起重機械專(zhuān)用變頻器、張力控制專(zhuān)用變頻器等。除此以外，變頻器有與電動(dòng)機一體化的趨勢，使變頻器成為電動(dòng)機的一部分，可以使體積更小，控制更方便。
節能環(huán)保無(wú)公害
保護環(huán)境，制造“綠色”產(chǎn)品是人類(lèi)的新理念。電力拖動(dòng)裝置應著(zhù)重考慮節能、變頻器能量轉換過(guò)程的低公害，使變頻器在使用過(guò)程中的噪聲、電源諧波對電網(wǎng)的污染等問(wèn)題減少到最低程度。
適應新能源
現在以太陽(yáng)能和風(fēng)力為能源的燃料電池以其低廉的價(jià)格嶄露頭角，有后來(lái)居上之勢。這些發(fā)電設備的最大特點(diǎn)是容量小而分散，將來(lái)的變頻器就要適應這樣的新能源，既要高效，又要低耗。現在電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)和現代控制技術(shù)以驚人的速度向前發(fā)展，變頻調速傳動(dòng)技術(shù)也隨之取得了日新月異的進(jìn)步，這種進(jìn)步集中體現在交流調速裝置的大容量化、變頻器的高性能化和多功能化、結構的小型化等方面。
參考資料
[1]
周志敏，周紀海，紀愛(ài)華 . 變頻調速系統設計與維護 : 中國電力出版社 ，2007-11 . 34 .
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