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亚博平台网站|首页亚博平台网站|首页。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亚博平台网站|首页。

工业应用经常需要控制电动机的速度。几乎所有电机运行都受益于对速度的控制。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)节约巨大的能源亚博平台网站|首页亚博平台网站|首页。

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

然而亚博平台网站|首页,控制交流感应电机(又称异步电动机)的速度一直是个难题亚博平台网站|首页亚博平台网站|首页。 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,而交流电机有一个简单的固定绕组(定子)和一个转子。转子通常由在铁芯中浇铸铝或铜形成的导体组成亚博平台网站|首页亚博平台网站|首页亚博平台网站|首页亚博平台网站|首页。没有电刷或换向器。因此更便宜亚博平台网站|首页、更简单亚博平台网站|首页亚博平台网站|首页、更可靠亚博平台网站|首页亚博平台网站|首页。这种结构构的电机是工业中使用最多的电机亚博平台网站|首页亚博平台网站|首页。 那么它们是如何工作的亚博平台网站|首页亚博平台网站|首页亚博平台网站|首页,它们为什么需要变频器?

让我们先看一个三相变压器亚博平台网站|首页亚博平台网站|首页亚博平台网站|首页,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,则正弦电流将在初级绕组中流动亚博平台网站|首页亚博平台网站|首页。电流将在变压器的铁芯中感应出磁通量亚博平台网站|首页,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亚博平台网站|首页,通常取决于电源系统,频率为5060 Hz。

然后亚博平台网站|首页亚博平台网站|首页亚博平台网站|首页,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),也会有电流流过亚博平台网站|首页。 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,这就是变频器如此有用的原因亚博平台网站|首页亚博平台网站|首页。

现在想象一下亚博平台网站|首页,我们将绕组卷起来亚博平台网站|首页亚博平台网站|首页亚博平台网站|首页亚博平台网站|首页,在它们之间留一个小气隙亚博平台网站|首页亚博平台网站|首页,然后让次级绕组(现在称为转子)自由移动。 这是感应电动机的基础亚博平台网站|首页,如图2所示亚博平台网站|首页。图-2 交流感应电动机截面


因此亚博平台网站|首页亚博平台网站|首页,将三相电源连接到初级绕组(现在称为定子)时亚博平台网站|首页亚博平台网站|首页亚博平台网站|首页,我们像以前一样具有变压器作用亚博平台网站|首页,并且电流在转子(次级)绕组中流动。 如上所述亚博平台网站|首页,如上所述亚博平台网站|首页,转子通常由铁芯内的铸造导体组成,铁芯的两端各有一个短路环亚博平台网站|首页亚博平台网站|首页。由于这种结构看上去有点像圆形笼子(当然不考虑铁心?亚博平台网站|首页亚博平台网站|首页。┭遣┢教ㄍ緗首页,因此有时将电动机称为鼠笼电机亚博平台网站|首页。 在图2中,导体垂直于该图亚博平台网站|首页亚博平台网站|首页,短路环未显示。

图-3 典型的电动机结构。

图-3 感应电动机切面图


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

将绕组或磁极的数量加倍亚博平台网站|首页亚博平台网站|首页,可以降低速度亚博平台网站|首页。 因此亚博平台网站|首页亚博平台网站|首页,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。 因此亚博平台网站|首页,最常见的四极电机以14401740rpm的速度运行亚博平台网站|首页。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亚博平台网站|首页亚博平台网站|首页。

图-4显示了交流感应电动机的经典转矩/速度关系亚博平台网站|首页亚博平台网站|首页亚博平台网站|首页亚博平台网站|首页。

图-4 交流感应电动机的转矩/速度特性


因此亚博平台网站|首页亚博平台网站|首页,如果要控制电机的速度亚博平台网站|首页,则需要改变应用频率。但是,如果我们设法改变频率,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。即正弦波曲线下的面积亚博平台网站|首页亚博平台网站|首页。 如果降低频率亚博平台网站|首页亚博平台网站|首页亚博平台网站|首页,则正弦波的周期或长度会增加,因此其下方的面积也会增加亚博平台网站|首页,从而导致电机中过大的励磁电流亚博平台网站|首页亚博平台网站|首页。因此亚博平台网站|首页亚博平台网站|首页,如果我们降低频率亚博平台网站|首页,我们还必须按比例降低施加到电动机上的电压亚博平台网站|首页亚博平台网站|首页。

在下一篇文章中亚博平台网站|首页,我们将讨论如何使用变频器亚博平台网站|首页。

借助变频器的控制亚博平台网站|首页,在现代化工厂中搬运货物既方便又快捷

在上一篇文章中,我们看到交流感应电机的运行速度取决于所施加的频率亚博平台网站|首页亚博平台网站|首页,但速度略有降低,称为滑差。 为了控制电机速度亚博平台网站|首页,我们将需要改变该频率亚博平台网站|首页,并控制施加的电压以保持最佳的磁通量或磁场亚博平台网站|首页亚博平台网站|首页亚博平台网站|首页。

几乎所有的变频器都是交流电源供电,使用整流器将其转换为直流亚博平台网站|首页亚博平台网站|首页,然后使用逆变器将其转换为变频电源亚博平台网站|首页。 逆变器是其中的关键部分亚博平台网站|首页,因此有时将变频器简称为逆变器亚博平台网站|首页。

逆变器和小功率整流器都依赖于现代功率半导体亚博平台网站|首页亚博平台网站|首页亚博平台网站|首页,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。 它们还需要功能强大的微处理器来控制它们亚博平台网站|首页亚博平台网站|首页。 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亚博平台网站|首页,因此交流变频器是一种相对较新的工业产品亚博平台网站|首页。

它们是如何工作的?

让我们从整流器开始亚博平台网站|首页。图-5所示三相整流器由六个二极管组成,分别连接到电容和电阻,电阻作为简单负载。

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,电阻作为负载亚博平台网站|首页亚博平台网站|首页。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,并且电压会升高亚博平台网站|首页,导致电流流入电阻⊙遣┢教ㄍ緗首页?梢酝ü桓錾厦娴亩?,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亚博平台网站|首页。

在稳定状态下亚博平台网站|首页,电容器上的电压非常接近输入正弦波电压的峰值亚博平台网站|首页亚博平台网站|首页亚博平台网站|首页。现在,仅当输入电压高于电容器电压时亚博平台网站|首页,二极管才会导通。因此,有一个短的电流脉冲依次流过每个二极管亚博平台网站|首页亚博平台网站|首页,从而导致如图所示,在三相的每相中均具有特征性的“双峰”波形亚博平台网站|首页。如果我们使用单相电源亚博平台网站|首页,则只需要四个二极管亚博平台网站|首页,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亚博平台网站|首页。

在单相或三相系统上亚博平台网站|首页亚博平台网站|首页亚博平台网站|首页亚博平台网站|首页,这些电流脉冲可能会对电源产生影响亚博平台网站|首页,我们将在后面介绍亚博平台网站|首页。 但是亚博平台网站|首页,我们现在在电容器上有一个相对平滑的直流电压。 如果我们拆下电阻亚博平台网站|首页,然后连接逆变器亚博平台网站|首页亚博平台网站|首页亚博平台网站|首页,它看起来就像是变频器(图6)。由于直流部分连接整流器和逆变器亚博平台网站|首页亚博平台网站|首页亚博平台网站|首页,因此直流部分有时称为直流链路亚博平台网站|首页。

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??榭厮俣确浅??亚博平台网站|首页。 它们具有并联的二极管亚博平台网站|首页,其原因将变得显而易见亚博平台网站|首页。

现在,我们可以导通上下IGBT,并通过电机任何两相连接提供电流回路亚博平台网站|首页。 要导通IGBT亚博平台网站|首页,我们只需向栅极施加几伏电压(此处未连接)。 然后亚博平台网站|首页亚博平台网站|首页,IGBT沿箭头方向导通亚博平台网站|首页亚博平台网站|首页。 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亚博平台网站|首页亚博平台网站|首页亚博平台网站|首页。

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亚博平台网站|首页。相反亚博平台网站|首页,如果我们以严格控制的顺序打开和关闭IGBT亚博平台网站|首页亚博平台网站|首页,则可以在电动机绕组中建立三相电流。如果我们改变打开和关闭IGBT的时间亚博平台网站|首页,则可以控制此电流亚博平台网站|首页亚博平台网站|首页。这是因为电机电流变化不是很快,因此通过增加和减少“接通”时间,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亚博平台网站|首页。 当然亚博平台网站|首页亚博平台网站|首页,这是我们要控制电机速度的方法亚博平台网站|首页亚博平台网站|首页。使用相同的技术,我们可以控制有效电压,进而控制磁场亚博平台网站|首页。

这种开/关时间控制称为脉冲宽度调制(PWM)亚博平台网站|首页亚博平台网站|首页亚博平台网站|首页,在图7中简化显示亚博平台网站|首页亚博平台网站|首页。 接通和断开六个IGBT的开关为电机提供了电流路径,并允许三相正弦波电流流过,从而以所需的速度旋转电机亚博平台网站|首页亚博平台网站|首页亚博平台网站|首页。

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),我们可以建立一个相当不错的电流波形亚博平台网站|首页亚博平台网站|首页,如图8所示亚博平台网站|首页。


图-8 电机上的电压和电流


注意,输出电压由许多脉冲而不是一个正弦波组成亚博平台网站|首页亚博平台网站|首页亚博平台网站|首页。 电机将电流平滑为锯齿状的正弦波,但电压仍由IGBT的PWM波形组成亚博平台网站|首页。 这可能会引起问题亚博平台网站|首页,我们将在后面讨论亚博平台网站|首页。然而亚博平台网站|首页,电机可以接受锯齿状电流,并以所需的速度转动亚博平台网站|首页。由于电机功率因数,电机电流与“平均”电压不同步。

那么亚博平台网站|首页,逆变器中的二极管在做什么呢亚博平台网站|首页? 好吧,电机中的电流不会很快变化亚博平台网站|首页,因此,当我们关闭IGBT时亚博平台网站|首页,电流需要持续流动,否则会出现问题亚博平台网站|首页。 二极管通过接通或换向电流自动提供该电流路径亚博平台网站|首页亚博平台网站|首页。 因此命名为换向或飞轮二极管亚博平台网站|首页。

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,而且快速亚博平台网站|首页亚博平台网站|首页,强大的数字信号处理器可对通断进行可靠,精确的控制亚博平台网站|首页亚博平台网站|首页。

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电压下工作亚博平台网站|首页。 因此,控制电路亚博平台网站|首页,用户界面和电源部分之间的内部隔离至关重要。

在下一篇文章中亚博平台网站|首页,我们将研究变频器的实际设计亚博平台网站|首页,其中包括毖遣┢教ㄍ緗首页;?亚博平台网站|首页,冷却和用户接口等。