什么是变频器?

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供水和水处理行业使用变频器来节约能源和改善控制 供水和水处理行业使用变频器来节约能源和改善控制

变频器(VFD)是控制交流感应电机速度的电子设备。在研究它的工作原理以及如何使用它之前,我们先了解电机控制器的历史以及电机本身的工作原理通博app下载_app推荐通博app下载_app推荐。

工业应用经常需要控制电动机的速度通博app下载_app推荐通博app下载_app推荐通博app下载_app推荐。几乎所有电机运行都受益于对速度的控制通博app下载_app推荐通博app下载_app推荐通博app下载_app推荐。不仅可以从总体上改善流程, 而且为许多特殊情况(特别是使用泵和风机)节约巨大的能源。

在电子控制器出现之前通博app下载_app推荐通博app下载_app推荐通博app下载_app推荐,电机的控制方式多种多样通博app下载_app推荐,例如通过使用一系列电阻器控制直流电机上的励磁电流,或使用其他电机。当20世纪50年代第一代功率半导体晶闸管问世时通博app下载_app推荐,就可以通过相位控制来控制直流电机的电枢电压通博app下载_app推荐通博app下载_app推荐通博app下载_app推荐,从而控制其速度通博app下载_app推荐。这些直流驱动器至今仍在生产和广泛使用。

然而,控制交流感应电机(又称异步电动机)的速度一直是个难题通博app下载_app推荐。 直流电机通常有两个绕组(励磁和电枢绕组)以及电刷和换向器通博app下载_app推荐,而交流电机有一个简单的固定绕组(定子)和一个转子通博app下载_app推荐通博app下载_app推荐。转子通常由在铁芯中浇铸铝或铜形成的导体组成通博app下载_app推荐通博app下载_app推荐。没有电刷或换向器通博app下载_app推荐通博app下载_app推荐。因此更便宜通博app下载_app推荐通博app下载_app推荐、更简单通博app下载_app推荐通博app下载_app推荐、更可靠通博app下载_app推荐。这种结构构的电机是工业中使用最多的电机通博app下载_app推荐。 那么它们是如何工作的通博app下载_app推荐通博app下载_app推荐,它们为什么需要变频器?

让我们先看一个三相变压器通博app下载_app推荐,如图-1所示:图-1 三相变压器


如果将变压器绕组连接到三相交流电源通博app下载_app推荐通博app下载_app推荐,则正弦电流将在初级绕组中流动通博app下载_app推荐。电流将在变压器的铁芯中感应出磁通量通博app下载_app推荐通博app下载_app推荐,该磁通量会随着所施加的电压(以及电流)交替变化而上升和下降通博app下载_app推荐通博app下载_app推荐,通常取决于电源系统,频率为5060 Hz。

然后通博app下载_app推荐通博app下载_app推荐,变化的磁通量将在次级绕组中感应出电压,并且如果连接了负载(或者即使绕组短路在一起)通博app下载_app推荐,也会有电流流过。 初级和次级绕组的匝数比将决定初级电压和次级电压的比值通博app下载_app推荐,这就是变频器如此有用的原因通博app下载_app推荐。

现在想象一下,我们将绕组卷起来通博app下载_app推荐,在它们之间留一个小气隙通博app下载_app推荐通博app下载_app推荐通博app下载_app推荐,然后让次级绕组(现在称为转子)自由移动通博app下载_app推荐。 这是感应电动机的基础,如图2所示通博app下载_app推荐。图-2 交流感应电动机截面


因此通博app下载_app推荐,将三相电源连接到初级绕组(现在称为定子)时通博app下载_app推荐,我们像以前一样具有变压器作用通博app下载_app推荐通博app下载_app推荐,并且电流在转子(次级)绕组中流动通博app下载_app推荐。 如上所述通博app下载_app推荐通博app下载_app推荐,如上所述,转子通常由铁芯内的铸造导体组成通博app下载_app推荐,铁芯的两端各有一个短路环通博app下载_app推荐通博app下载_app推荐。由于这种结构看上去有点像圆形笼子(当然不考虑铁心?通博app下载_app推荐。?,因此有时将电动机称为鼠笼电机。 在图2中通博app下载_app推荐,导体垂直于该图,短路环未显示通博app下载_app推荐通博app下载_app推荐。

图-3 典型的电动机结构。

图-3 感应电动机切面图


现在,如果我们有一个磁场和一个电流通博app下载_app推荐通博app下载_app推荐通博app下载_app推荐,我们就会得到一个力,根据弗莱明的左手定律,这将使转子转动通博app下载_app推荐,所以我们就有了一个电动机通博app下载_app推荐。但是通博app下载_app推荐,随着电机的加速通博app下载_app推荐,它开始追赶磁场通博app下载_app推荐,该磁场实际上以三相电源的频率绕定子旋转-交替-旋转通博app下载_app推荐。现在,只要磁场不断变化,我们就能得到变压器的作用通博app下载_app推荐通博app下载_app推荐通博app下载_app推荐。变压器只能与交流电一起使用通博app下载_app推荐通博app下载_app推荐通博app下载_app推荐。因此通博app下载_app推荐,如果转子追上电源通博app下载_app推荐,则不再有变化的磁场,因此就没有变压器作用通博app下载_app推荐,也没有转子电流和转矩了。因此通博app下载_app推荐通博app下载_app推荐通博app下载_app推荐,标准感应电机将始终比供电频率稍慢一些通博app下载_app推荐。这种速度差称为滑差通博app下载_app推荐通博app下载_app推荐。当感应电机加载时,滑差会稍微增加,会得到更大的电流通博app下载_app推荐,电机转动带动负载通博app下载_app推荐。因此通博app下载_app推荐,电机的速度基本上取决于所施加的频率通博app下载_app推荐。在简单的感应电机应用中通博app下载_app推荐,该速度通常比同步速度(无转矩时)低几个百分点。

将绕组或磁极的数量加倍,可以降低速度通博app下载_app推荐。 因此通博app下载_app推荐通博app下载_app推荐,以5060Hz电源运行的带有一对极的电机(两极电机)将以每秒4858)转或28803480rpm的速度运行通博app下载_app推荐。 因此通博app下载_app推荐,最常见的四极电机以14401740rpm的速度运行。也有六极和八极电机,在特殊应用中需要使用特殊电机来满足要求通博app下载_app推荐。

图-4显示了交流感应电动机的经典转矩/速度关系通博app下载_app推荐。

图-4 交流感应电动机的转矩/速度特性


因此,如果要控制电机的速度通博app下载_app推荐,则需要改变应用频率。但是通博app下载_app推荐通博app下载_app推荐,如果我们设法改变频率通博app下载_app推荐,则也需要注意电压,因为定子中的励磁电流取决于电压随时间的积分通博app下载_app推荐通博app下载_app推荐。即正弦波曲线下的面积通博app下载_app推荐通博app下载_app推荐。 如果降低频率,则正弦波的周期或长度会增加通博app下载_app推荐,因此其下方的面积也会增加,从而导致电机中过大的励磁电流。因此,如果我们降低频率通博app下载_app推荐,我们还必须按比例降低施加到电动机上的电压。

在下一篇文章中通博app下载_app推荐,我们将讨论如何使用变频器通博app下载_app推荐。

借助变频器的控制通博app下载_app推荐,在现代化工厂中搬运货物既方便又快捷

在上一篇文章中通博app下载_app推荐通博app下载_app推荐,我们看到交流感应电机的运行速度取决于所施加的频率,但速度略有降低,称为滑差。 为了控制电机速度,我们将需要改变该频率通博app下载_app推荐,并控制施加的电压以保持最佳的磁通量或磁场通博app下载_app推荐。

几乎所有的变频器都是交流电源供电通博app下载_app推荐通博app下载_app推荐通博app下载_app推荐,使用整流器将其转换为直流通博app下载_app推荐,然后使用逆变器将其转换为变频电源通博app下载_app推荐通博app下载_app推荐。 逆变器是其中的关键部分通博app下载_app推荐,因此有时将变频器简称为逆变器通博app下载_app推荐通博app下载_app推荐。

逆变器和小功率整流器都依赖于现代功率半导体通博app下载_app推荐,这些功率半导体可以切换并传导高电压(例如电源电压)和数百安培的电流通博app下载_app推荐。 它们还需要功能强大的微处理器来控制它们通博app下载_app推荐通博app下载_app推荐。 这些组件在过去三十年左右才以合理的价格和可靠性得到广泛应用通博app下载_app推荐,因此交流变频器是一种相对较新的工业产品通博app下载_app推荐。

它们是如何工作的?

让我们从整流器开始通博app下载_app推荐。图-5所示三相整流器由六个二极管组成通博app下载_app推荐通博app下载_app推荐,分别连接到电容和电阻,电阻作为简单负载通博app下载_app推荐。

图-5 带电容器和电阻器负载的三相整流器   

 

二极管仅在一个方向上(在其指向的方向上)导通; 电容器像电池一样储存能量通博app下载_app推荐通博app下载_app推荐,电阻作为负载。如果将三相电源连接到左侧的输入,我们将开始向电容器中注入电流,并且电压会升高通博app下载_app推荐,导致电流流入电阻⊥ú゛pp下载_app推荐通博app下载_app推荐?梢酝ü桓錾厦娴亩芡ú゛pp下载_app推荐通博app下载_app推荐,电容器/电阻再通过一个下面的二极管由一相到另一相的路径传导通博app下载_app推荐通博app下载_app推荐。

在稳定状态下通博app下载_app推荐,电容器上的电压非常接近输入正弦波电压的峰值通博app下载_app推荐通博app下载_app推荐通博app下载_app推荐。现在通博app下载_app推荐,仅当输入电压高于电容器电压时通博app下载_app推荐通博app下载_app推荐,二极管才会导通通博app下载_app推荐。因此,有一个短的电流脉冲依次流过每个二极管通博app下载_app推荐通博app下载_app推荐,从而导致如图所示通博app下载_app推荐,在三相的每相中均具有特征性的“双峰”波形通博app下载_app推荐。如果我们使用单相电源,则只需要四个二极管,并且每半个周期将获得一个峰值,因此我们需要一个更大的电容器来保持电压峰值中的间隙通博app下载_app推荐通博app下载_app推荐。

在单相或三相系统上通博app下载_app推荐通博app下载_app推荐通博app下载_app推荐,这些电流脉冲可能会对电源产生影响,我们将在后面介绍通博app下载_app推荐。 但是通博app下载_app推荐通博app下载_app推荐,我们现在在电容器上有一个相对平滑的直流电压通博app下载_app推荐通博app下载_app推荐。 如果我们拆下电阻通博app下载_app推荐,然后连接逆变器,它看起来就像是变频器(图6)通博app下载_app推荐。由于直流部分连接整流器和逆变器通博app下载_app推荐,因此直流部分有时称为直流链路通博app下载_app推荐。

图-6 变频器功率部分


现在继续, 我们有六个绝缘栅双极晶体管(IGBT)。 这些?通博app下载_app推荐?榭厮俣确浅通博app下载_app推荐通博app下载_app推荐?焱ú゛pp下载_app推荐。 它们具有并联的二极管通博app下载_app推荐,其原因将变得显而易见通博app下载_app推荐。

现在通博app下载_app推荐通博app下载_app推荐通博app下载_app推荐,我们可以导通上下IGBT通博app下载_app推荐,并通过电机任何两相连接提供电流回路。 要导通IGBT通博app下载_app推荐,我们只需向栅极施加几伏电压(此处未连接)通博app下载_app推荐通博app下载_app推荐通博app下载_app推荐。 然后通博app下载_app推荐通博app下载_app推荐,IGBT沿箭头方向导通通博app下载_app推荐通博app下载_app推荐通博app下载_app推荐。 根据我们导通的IGBT,我们可以通过电机创建正向或负向电流路径。 因此可以从DC变成AC。

我们不会导通同一组上下两个IGBT,因为这会将直流母线造成短路通博app下载_app推荐通博app下载_app推荐。相反,如果我们以严格控制的顺序打开和关闭IGBT,则可以在电动机绕组中建立三相电流通博app下载_app推荐通博app下载_app推荐通博app下载_app推荐。如果我们改变打开和关闭IGBT的时间通博app下载_app推荐通博app下载_app推荐通博app下载_app推荐,则可以控制此电流。这是因为电机电流变化不是很快通博app下载_app推荐通博app下载_app推荐,因此通过增加和减少“接通”时间通博app下载_app推荐通博app下载_app推荐,我们可以选择在电机中以几乎任何希望的频率建立正弦波电流通博app下载_app推荐通博app下载_app推荐。 当然通博app下载_app推荐,这是我们要控制电机速度的方法。使用相同的技术通博app下载_app推荐,我们可以控制有效电压,进而控制磁场通博app下载_app推荐。

这种开/关时间控制称为脉冲宽度调制(PWM),在图7中简化显示通博app下载_app推荐通博app下载_app推荐。 接通和断开六个IGBT的开关为电机提供了电流路径通博app下载_app推荐,并允许三相正弦波电流流过通博app下载_app推荐通博app下载_app推荐,从而以所需的速度旋转电机通博app下载_app推荐通博app下载_app推荐通博app下载_app推荐通博app下载_app推荐通博app下载_app推荐。

图-7 脉冲宽度调制


如果我们每秒将IGBT开关几千次(通常在4至16kHz之间)通博app下载_app推荐通博app下载_app推荐通博app下载_app推荐,我们可以建立一个相当不错的电流波形通博app下载_app推荐,如图8所示通博app下载_app推荐通博app下载_app推荐。


图-8 电机上的电压和电流


注意通博app下载_app推荐通博app下载_app推荐通博app下载_app推荐,输出电压由许多脉冲而不是一个正弦波组成通博app下载_app推荐。 电机将电流平滑为锯齿状的正弦波通博app下载_app推荐通博app下载_app推荐,但电压仍由IGBT的PWM波形组成通博app下载_app推荐通博app下载_app推荐通博app下载_app推荐。 这可能会引起问题通博app下载_app推荐通博app下载_app推荐,我们将在后面讨论通博app下载_app推荐。然而,电机可以接受锯齿状电流,并以所需的速度转动通博app下载_app推荐。由于电机功率因数,电机电流与“平均”电压不同步通博app下载_app推荐。

那么通博app下载_app推荐,逆变器中的二极管在做什么呢通博app下载_app推荐? 好吧通博app下载_app推荐通博app下载_app推荐通博app下载_app推荐,电机中的电流不会很快变化,因此,当我们关闭IGBT时通博app下载_app推荐,电流需要持续流动,否则会出现问题通博app下载_app推荐通博app下载_app推荐。 二极管通过接通或换向电流自动提供该电流路径通博app下载_app推荐通博app下载_app推荐。 因此命名为换向或飞轮二极管。

逆变器非常难以控制-被描述为等待发生的短路,但是现代功率半导体非常坚固,而且快速通博app下载_app推荐通博app下载_app推荐,强大的数字信号处理器可对通断进行可靠,精确的控制通博app下载_app推荐通博app下载_app推荐。

顺便说一下,变频器的电源部分都连接到了交流电源,并使用工业三相电源在300V(带有230V AC输入)到600-900V的DC电压下工作通博app下载_app推荐。 因此通博app下载_app推荐通博app下载_app推荐通博app下载_app推荐,控制电路通博app下载_app推荐通博app下载_app推荐通博app下载_app推荐,用户界面和电源部分之间的内部隔离至关重要。

在下一篇文章中通博app下载_app推荐,我们将研究变频器的实际设计通博app下载_app推荐,其中包括?;?通博app下载_app推荐,冷却和用户接口等。