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變頻器

 ? 2017-05-02 10:10:32

  變頻器是利用電力半導體器件的通斷作用將工頻電源變換為另一頻率的電能控制裝置,能 變頻器實現對交流異步電機的軟起動、變頻調速、提高運轉精度、改變功率因數、過流/過壓/過載保護等功能。

中文名
外文名
簡    稱
類    別
變頻器
 
Variable-frequency
 
Drive、AC Drive
VFD
電機控制設備

  目錄

  1、變頻器的概述

  2、變頻器的工作原理

  3、變頻器的分類

  4、變頻器的優點

  5、變頻器的選用注意事項

  6、變頻器的發展歷程

  7、變頻器的發展方向

  變頻器的概述:

  變頻器(Variable-frequency Drive,VFD)是應用變頻技術與微電子技術,通過改變電機工作電源頻率方式來控制交流電動機的電力控制設備。變頻器主要由整流(交流變直流)、濾波、逆變(直流變交流)、制動單元、驅動單元、檢測單元微處理單元等組成。通過改變電源的頻率來達到改變電源電壓的目的,根據電機的實際需要來提供其所需要的電源電壓,進而達到節能、調速的目的,另外,變頻器還有很多的保護功能,如過流、過壓、過載保護等等。隨著工業自動化程度的不斷提高,變頻器也得到了非常廣泛的應用。

  變頻器的工作原理:

  主電路是給異步電動機提供調壓調頻電源的電力變換部分,變頻器的主電路大體上可分為兩類:電壓型是將電壓源的直流變換為交流的變頻器,直流回路的濾波是電容。電流型是將電流源的直流變換為交流的變頻器,其直流回路濾波是電感。 它由三部分構成,將工頻電源變換為直流功率的“整流器”,吸收在變流器和逆變器產生的電壓脈動的“平波回路”,以及將直流功率變換為交流功率的“逆變器”。

  2.1整流器

  近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,可以進行再生運轉。

  2.2.平波回路

  在整流器整流后的直流電壓中,含有電源6倍頻率的脈動電壓,此外逆變器產生的脈動電流也使直流電壓變動。為了抑制電壓波動,采用電感和電容吸收脈動電壓(電流)。裝置容量小時,如果電源和主電路構成器件有余量,可以省去電感采用簡單的平波回路。

  2.3.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,以所確定的時間使6個開關器件導通、關斷就可以得到3相交流輸出。以電壓型pwm逆變器為例示出開關時間和電壓波形。

  控制電路是給異步電動機供電(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”,電動機的“速度檢測電路”,將運算電路的控制信號進行放大的“驅動電路”,以及逆變器和電動機的“保護電路”組成。

  (1)運算電路:將外部的速度、轉矩等指令同檢測電路的電流、電壓信號進行比較運算,決定逆變器的輸出電壓、頻率。

  (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)驅動電路:驅動主電路器件的電路。它與控制電路隔離使主電路器件導通、關斷。

  (4)速度檢測電路:以裝在異步電動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,當發生過載或過電壓等異常時,為了防止逆變器和異步電動機損壞,使逆變器停止工作或抑制電壓、電流值。

  變頻器的分類:

  3.1.單元串聯型變頻器

  這是近幾年才發展起來的一種電路拓撲結構,它主要由輸入變壓器、功率單元和控制單元三大部分組成。采用模塊化設計,由于采用功率單元相互串聯的辦法解決了高壓的難題而得名,可直接驅動交流電動機,無需輸出變壓器,更不需要任何形式的濾波器。

  整套變頻器共有18個功率單元,每相由6臺功率單元相串聯,并組成Y形連接,直接驅動電機。每臺功率單元電路、結構完全相同,可以互換,也可以互為備用。

  變頻器的輸入部分是一臺移相變壓器,原邊Y形連接,副邊采用沿邊三角形連接,共18副三相繞組,分別為每臺功率單元供電。它們被平均分成Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三大部分,每部分具有6副三相小繞組,之間均勻相位偏移10度。

  該變頻器的特點如下:

  ① 采用多重化PWM方式控制,輸出電壓波形接近正弦波。

  ② 整流電路的多重化,脈沖數多達36,功率因數高,輸入諧波小。

  ③ 模塊化設計,結構緊湊,維護方便,增強了產品的互換性。

  ④ 直接高壓輸出,無需輸出變壓器。

  ⑤ 極低的dv/dt輸出,無需任何形式的濾波器。

  ⑥ 采用光纖通訊技術,提高了產品的抗干擾能力和可靠性。

  ⑦ 功率單元自動旁通電路,能夠實現故障不停機功能。

  隨著現代電力電子技術及計算機控制技術的迅速發展,促進了電氣傳動的技術革命。交流調速取代直流調速,計算機數字控制取代模擬控制已成為發展趨勢。交流電機 變頻調速是當今節約電能,改善生產工藝流程,提高產品質量,以及改善運行環境的一種主要手段。變頻調速以其高效率,高功率因數,以及優異的調速和啟制動性能等諸多優點而被國內外公認為有發展前途的調速方式。

  以前的高壓變頻器,由可控硅整流,可控硅逆變等器件構成,缺點很多,諧波大, 對電網和電機都有影響。近年來,發展起來的一些新型器件將改變這一現狀,如IGBT、IGCT、SGCT等等。由它們構成的高壓變頻器,性能優異,可以實 現PWM逆變,甚至是PWM整流。不僅具有諧波小,功率因數也有很大程度的提高。

  3.2.按變換的環節分類:

  (1)交-直-交變頻器,則是先把工頻交流通過整流器變成直流,然后再把直流變換成頻率電壓可調的交流,又稱間接式變頻器,是目前廣泛應用的通用型變頻器。

  (2)可分為交-交變頻器,即將工頻交流直接變換成頻率電壓可調的交流,又稱直接式變頻器

  3.3.按直流電源性質分類:

  (1)電壓型變頻器

  電壓型變頻器特點是中間直流環節的儲能元件采用大電容,負載的無功功率將由它來緩沖,直流電壓比較平穩,直流電源內阻較小,相當于電壓源,故稱電壓型變頻器,常選用于負載電壓變化較大的場合。

  (2)電流型變頻器

  電流型變頻器特點是中間直流環節采用大電感作為儲能環節,緩沖無功功率,即扼制電流的變化,使電壓接近正弦波,由于該直流內阻較大,故稱電流源型變頻器(電流型)。電流型變頻器的特點(優點)是能扼制負載電流頻繁而急劇的變化。常選用于負載電流變化較大的場合。

  3.4.按主電路工作方法分類:電壓型變頻器、電流型變頻器

  按照工作原理分類:可以分為V/f控制變頻器、轉差頻率控制變頻器和矢量控制變頻器等

  按照開關方式分類:可以分為PAM控制變頻器、PWM控制變頻器和高載頻PWM控制變頻器

  3.5.按照用途分類:可以分為通用變頻器、高性能專用變頻器、高頻變頻器、單相變頻器和三相變頻器等。此外,變頻器還可以按輸出電壓調節方式分類,按控制方式分類,按主開關元器件分類,按輸入電壓高低分類。

  3.6.按變頻器調壓方法:

  ⑴、PAM變頻器是一種通過改變電壓源Ud 或電流源Id的幅值進行輸出控制的。

  ⑵、PWM變頻器方式是在變頻器輸出波形的一個周期產生個 脈沖波個脈沖,其等值電壓為正弦波,波形較平滑。

  3.7.按工作原理分:

  ⑴、U/f控制變頻器(VVVF控制)

  ⑵、SF控制變頻器(轉差頻率控制)

  ⑶、VC控制變頻器(Vectory Control 矢量控制)。

  3.8.按國際區域分類:

  ⑴、國產變頻器:安邦信、浙江三科、歐瑞傳動、森蘭、英威騰、藍海華騰、邁凱諾、偉創、美資易泰帝;

  ⑵、歐美變頻器:ABB、西門子、日本變頻器富士三菱、韓國變頻器、臺灣變頻器臺達、香港變頻器。

  3.9.按電壓等級分類:

  ⑴、高壓變頻器:3KV、6KV、10KV

  ⑵、中壓變頻器:660V、1140V

  ⑶、低壓變頻器:220V、380V

  3.10.按電壓性質分類:

  ⑴、交流變頻器:AC-DC-AC(交-直-交)、AC-AC(交-交)

  ⑵、直流變頻器:DC-AC(直-交)

  變頻器的優點:

  變頻器電路由:控制部分、整流部分、逆變部分、中間直流環節部分等幾大組成,是融入了微電子技術與變頻技術的電力控制設備。變頻器具有保護功能,能對設備過載、過壓、過流進行檢測,采取保護措施,避免硬件設備損壞。另外,變頻器還具有節能功能,能根據實際使用要求對電機功率進行條件,避免多余電能消耗,節約電能。但并不是所有領域都適合利用變頻器節能,一些設備用于變頻器不僅無法實現節能,還會再次消耗巨大的電能,所以必須合理運用。另一方面,變頻器能具有功率因數補償節能,全面提升電網運行穩定性與可靠性。變頻器是在直流調速技術無法滿足需求的情況下,誕生的新型電力技術。

  變頻器的選用注意事項:

  在選用變頻器之時,應當根據實際所需的生產類型、調控區域、變頻器處于靜態時的速度精準度以及變頻器在開啟轉矩時的要求,終選用合理控制方式的變頻器。而合理的標準碼,一方面是變頻器的適用性,另一方面也應當注重其經濟性,從而保證工藝與生產的基礎性指標與要求。在選用之時,控制電機極數常規狀態下應當不超過四級為標準,不然變頻器容量便需要進一步擴大。在相同電機功率的狀態下,對比于超負載的轉矩控制模式,變頻器其規格能夠降額選用。為了能夠降低主電源的干擾源干擾,在應用之時,可在中間區域段電路或是變頻器輸入電路里增設增加電感器,也可以裝設隔離變壓器。一般來說,一旦電機和變頻器的距離大于五十米的時候,應當在兩者之間串入電感器、電源EMI濾波器,也可以使用屏蔽電纜。

  變頻器的發展歷程:

  變頻技術誕生背景是交流電機無級調速的廣泛需求。傳統的直流調速技術因體積大故障率高而應用受限。

  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品。但其調速性能遠遠無法滿足需要。1968年以丹佛斯為代表的高技術企業開始批量化生產變頻器,開啟了變頻器工業化的新時代。

  20世紀70年代開始,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的完善使得各種優化算法得以容易的實現。

  20世紀80年代中后期,美、日、德、英等發達國家的 VVVF變頻器技術實用化,商品投入市場,得到了廣泛應用。 早的變頻器可能是日本人買了英國專利研制的。不過美國和德國憑借電子元件生產和電子技術的優勢,高端產品迅速搶占市場。

  步入21世紀后,國產變頻器逐步崛起,現已逐漸搶占高端市場。上海和深圳成為國產變頻器發展的前沿陣地,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變頻器。其中安邦信變頻器成立于1998年,是我國早生產變頻器的廠家之一。十幾年來,安邦信人以渾厚的文化底蘊作基石,支撐著成長,企業較早通過TUV機構ISO9000質量體系認證,被授予“國家級高新技術企業”, 多年被評為 “中國變頻器用戶滿意十大國內品牌”。

  變頻器的發展方向:

  7.1.整個高壓變頻器市場沒有出現持續的爆發式的增長,但我國變頻器品牌已經涵蓋了幾乎所有領域,而且相對國際品牌有性價比優勢。內資高壓變頻器的市場占比已經超過55%.從企業排名看,合康變頻增長13.2%,市場占比13%,已經躋身行業首位的位置;利德華福市場占比12%、西門子占比11%、ABB占比9%、東方日立占比5%.國電四維發展速度較快,2012年增長44%,行業占比接近5%.

  7.2.中國中高壓變頻器市場具有廣闊的發展空間,隨著市場的擴大和用戶端需求的多樣化,國內變頻器產品的功能在不斷完善和增加,集成度和系統化越來越高。

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