什么是變頻器?

文章1
供水和水處理行業使用變頻器來節約能源和改善控制 供水和水處理行業使用變頻器來節約能源和改善控制

變頻器(VFD)是控制交流感應電機速度的電子設備。在研究它的工作原理以及如何使用它之前,我們先了解電機控制器的歷史以及電機本身的工作原理。

工業應用經常需要控制電動機的速度。幾乎所有電機運行都受益于對速度的控制。不僅可以從總體上改善流程, 而且為許多特殊情況(特別是使用泵和風機)節約巨大的能源。

在電子控制器出現之前,電機的控制方式多種多樣,例如通過使用一系列電阻器控制直流電機上的勵磁電流,或使用其他電機。當20世紀50年代第一代功率半導體晶閘管問世時,就可以通過相位控制來控制直流電機的電樞電壓,從而控制其速度。這些直流驅動器至今仍在生產和廣泛使用。

然而,控制交流感應電機(又稱異步電動機)的速度一直是個難題。 直流電機通常有兩個繞組(勵磁和電樞繞組)以及電刷和換向器,而交流電機有一個簡單的固定繞組(定子)和一個轉子。轉子通常由在鐵芯中澆鑄鋁或銅形成的導體組成。沒有電刷或換向器。因此更便宜、更簡單、更可靠。這種結構構的電機是工業中使用最多的電機。 那么它們是如何工作的,它們為什么需要變頻器?

讓我們先看一個三相變壓器,如圖-1所示:圖-1 三相變壓器


如果將變壓器繞組連接到三相交流電源,則正弦電流將在初級繞組中流動。電流將在變壓器的鐵芯中感應出磁通量,該磁通量會隨著所施加的電壓(以及電流)交替變化而上升和下降,通常取決于電源系統,頻率為5060 Hz。

然后,變化的磁通量將在次級繞組中感應出電壓,并且如果連接了負載(或者即使繞組短路在一起),也會有電流流過。 初級和次級繞組的匝數比將決定初級電壓和次級電壓的比值,這就是變頻器如此有用的原因。

現在想象一下,我們將繞組卷起來,在它們之間留一個小氣隙,然后讓次級繞組(現在稱為轉子)自由移動。 這是感應電動機的基礎,如圖2所示。圖-2 交流感應電動機截面


因此,將三相電源連接到初級繞組(現在稱為定子)時,我們像以前一樣具有變壓器作用,并且電流在轉子(次級)繞組中流動。 如上所述,如上所述,轉子通常由鐵芯內的鑄造導體組成,鐵芯的兩端各有一個短路環。由于這種結構看上去有點像圓形籠子(當然不考慮鐵心?。?,因此有時將電動機稱為鼠籠電機。 在圖2中,導體垂直于該圖,短路環未顯示。

圖-3 典型的電動機結構。

圖-3 感應電動機切面圖


現在,如果我們有一個磁場和一個電流,我們就會得到一個力,根據弗萊明的左手定律,這將使轉子轉動,所以我們就有了一個電動機。但是,隨著電機的加速,它開始追趕磁場,該磁場實際上以三相電源的頻率繞定子旋轉-交替-旋轉?,F在,只要磁場不斷變化,我們就能得到變壓器的作用。變壓器只能與交流電一起使用。因此,如果轉子追上電源,則不再有變化的磁場,因此就沒有變壓器作用,也沒有轉子電流和轉矩了。因此,標準感應電機將始終比供電頻率稍慢一些。這種速度差稱為滑差。當感應電機加載時,滑差會稍微增加,會得到更大的電流,電機轉動帶動負載。因此,電機的速度基本上取決于所施加的頻率。在簡單的感應電機應用中,該速度通常比同步速度(無轉矩時)低幾個百分點。

將繞組或磁極的數量加倍,可以降低速度。 因此,以5060Hz電源運行的帶有一對極的電機(兩極電機)將以每秒4858)轉或28803480rpm的速度運行。 因此,最常見的四極電機以14401740rpm的速度運行。也有六極和八極電機,在特殊應用中需要使用特殊電機來滿足要求。

圖-4顯示了交流感應電動機的經典轉矩/速度關系。

圖-4 交流感應電動機的轉矩/速度特性


因此,如果要控制電機的速度,則需要改變應用頻率。但是,如果我們設法改變頻率,則也需要注意電壓,因為定子中的勵磁電流取決于電壓隨時間的積分。即正弦波曲線下的面積。 如果降低頻率,則正弦波的周期或長度會增加,因此其下方的面積也會增加,從而導致電機中過大的勵磁電流。因此,如果我們降低頻率,我們還必須按比例降低施加到電動機上的電壓。

在下一篇文章中,我們將討論如何使用變頻器。

借助變頻器的控制,在現代化工廠中搬運貨物既方便又快捷

在上一篇文章中,我們看到交流感應電機的運行速度取決于所施加的頻率,但速度略有降低,稱為滑差。 為了控制電機速度,我們將需要改變該頻率,并控制施加的電壓以保持最佳的磁通量或磁場。

幾乎所有的變頻器都是交流電源供電,使用整流器將其轉換為直流,然后使用逆變器將其轉換為變頻電源。 逆變器是其中的關鍵部分,因此有時將變頻器簡稱為逆變器。

逆變器和小功率整流器都依賴于現代功率半導體,這些功率半導體可以切換并傳導高電壓(例如電源電壓)和數百安培的電流。 它們還需要功能強大的微處理器來控制它們。 這些組件在過去三十年左右才以合理的價格和可靠性得到廣泛應用,因此交流變頻器是一種相對較新的工業產品。

它們是如何工作的?

讓我們從整流器開始。圖-5所示三相整流器由六個二極管組成,分別連接到電容和電阻,電阻作為簡單負載。

圖-5 帶電容器和電阻器負載的三相整流器   

 

二極管僅在一個方向上(在其指向的方向上)導通; 電容器像電池一樣儲存能量,電阻作為負載。如果將三相電源連接到左側的輸入,我們將開始向電容器中注入電流,并且電壓會升高,導致電流流入電阻??梢酝ㄟ^一個上面的二極管,電容器/電阻再通過一個下面的二極管由一相到另一相的路徑傳導。

在穩定狀態下,電容器上的電壓非常接近輸入正弦波電壓的峰值?,F在,僅當輸入電壓高于電容器電壓時,二極管才會導通。因此,有一個短的電流脈沖依次流過每個二極管,從而導致如圖所示,在三相的每相中均具有特征性的“雙峰”波形。如果我們使用單相電源,則只需要四個二極管,并且每半個周期將獲得一個峰值,因此我們需要一個更大的電容器來保持電壓峰值中的間隙。

在單相或三相系統上,這些電流脈沖可能會對電源產生影響,我們將在后面介紹。 但是,我們現在在電容器上有一個相對平滑的直流電壓。 如果我們拆下電阻,然后連接逆變器,它看起來就像是變頻器(圖6)。由于直流部分連接整流器和逆變器,因此直流部分有時稱為直流鏈路。

圖-6 變頻器功率部分


現在繼續, 我們有六個絕緣柵雙極晶體管(IGBT)。 這些模塊開關速度非???。 它們具有并聯的二極管,其原因將變得顯而易見。

現在,我們可以導通上下IGBT,并通過電機任何兩相連接提供電流回路。 要導通IGBT,我們只需向柵極施加幾伏電壓(此處未連接)。 然后,IGBT沿箭頭方向導通。 根據我們導通的IGBT,我們可以通過電機創建正向或負向電流路徑。 因此可以從DC變成AC。

我們不會導通同一組上下兩個IGBT,因為這會將直流母線造成短路。相反,如果我們以嚴格控制的順序打開和關閉IGBT,則可以在電動機繞組中建立三相電流。如果我們改變打開和關閉IGBT的時間,則可以控制此電流。這是因為電機電流變化不是很快,因此通過增加和減少“接通”時間,我們可以選擇在電機中以幾乎任何希望的頻率建立正弦波電流。 當然,這是我們要控制電機速度的方法。使用相同的技術,我們可以控制有效電壓,進而控制磁場。

這種開/關時間控制稱為脈沖寬度調制(PWM),在圖7中簡化顯示。 接通和斷開六個IGBT的開關為電機提供了電流路徑,并允許三相正弦波電流流過,從而以所需的速度旋轉電機。

圖-7 脈沖寬度調制


如果我們每秒將IGBT開關幾千次(通常在4至16kHz之間),我們可以建立一個相當不錯的電流波形,如圖8所示。


圖-8 電機上的電壓和電流


注意,輸出電壓由許多脈沖而不是一個正弦波組成。 電機將電流平滑為鋸齒狀的正弦波,但電壓仍由IGBT的PWM波形組成。 這可能會引起問題,我們將在后面討論。然而,電機可以接受鋸齒狀電流,并以所需的速度轉動。由于電機功率因數,電機電流與“平均”電壓不同步。

那么,逆變器中的二極管在做什么呢? 好吧,電機中的電流不會很快變化,因此,當我們關閉IGBT時,電流需要持續流動,否則會出現問題。 二極管通過接通或換向電流自動提供該電流路徑。 因此命名為換向或飛輪二極管。

逆變器非常難以控制-被描述為等待發生的短路,但是現代功率半導體非常堅固,而且快速,強大的數字信號處理器可對通斷進行可靠,精確的控制。

順便說一下,變頻器的電源部分都連接到了交流電源,并使用工業三相電源在300V(帶有230V AC輸入)到600-900V的DC電壓下工作。 因此,控制電路,用戶界面和電源部分之間的內部隔離至關重要。

在下一篇文章中,我們將研究變頻器的實際設計,其中包括保護,冷卻和用戶接口等。