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變頻器基礎(chǔ)知識

2024-11-25

變頻器的分類

（1） 按直流電源的性質(zhì)分類

變頻器中間直流環(huán)節(jié)用于緩沖無功功率的儲能元件可以是由電容或是電感，據(jù)此變頻器可分成電壓型變頻器和電流型變頻器兩大類。

電流型變頻器的特點是中間直流環(huán)節(jié)采用大電感作為儲能元件，無功功率將由該電感來緩沖。電流型變頻器的一個較突出的優(yōu)點是，當(dāng)電動機處于再生發(fā)電狀態(tài)是，回饋到直流側(cè)的再生電能可以方便地回饋交流電網(wǎng)，不需要在主電路內(nèi)附加任何設(shè)備。電流型變頻器常用于頻繁急加減速的大容量電動機的傳動。在大容量風(fēng)機、泵類節(jié)能調(diào)速中也有應(yīng)用。

電壓變頻器的特點是中間直流環(huán)節(jié)的儲能元件采用大電容，用來緩沖負載的無功功率。對負載而言，變頻器是一個交流電壓源，在不超過容量限度的情況下，可以驅(qū)動多臺電動機并聯(lián)運行，具有不選擇負載的通用性。缺點是電動機處于再生發(fā)電狀態(tài)時，回饋到直流側(cè)的無功能量難于回饋給交流電網(wǎng)。要實現(xiàn)這部分能量向電網(wǎng)的回饋，必須采用可逆變流器。

（2）按變換環(huán)節(jié)分類

1）交-交變頻器

交-交變頻器是將工頻交流電直接變換成頻率電壓可調(diào)的交流電（轉(zhuǎn)換前后的相數(shù)相同），又稱直接式變頻器。對于大容量、低轉(zhuǎn)速的交流調(diào)速系統(tǒng)，常采用晶閘管交一交直接變頻器直接驅(qū)動低速電動機，可以省去龐大的齒輪減速箱。

其缺點是：最高輸出頻率不超過電網(wǎng)頻率的l/3～1/2，且輸入功率因數(shù)較低，諧波電流含量大，諧波頻譜復(fù)雜，因此必須配置大容量的濾波和無功補償設(shè)備。

近年來，又出現(xiàn)了一種應(yīng)用全控型開關(guān)器件的矩陣式交一交變壓變頻器，采用PWM控制方式，可直接輸出變頻電壓。這種調(diào)速方法的主要優(yōu)點是：

① 輸出電壓和輸人電流的低次諧波含量都較小。

② 輸入功率因數(shù)可調(diào)。

③ 輸出頻率不受限制。

④ 能量可雙向流動，可獲得四象限運行。

⑤ 可省去中間直流環(huán)節(jié)的電容元件。

2）交-直-交變頻器

交-直-交變頻器是先把工頻交流電通過整流器變成直流電，然后再把直流電變換成頻率電壓可調(diào)的交流電，又稱間接式變頻器。把直流電逆變成交流電的環(huán)節(jié)較易控制，在頻率的調(diào)節(jié)范圍，以及改善變頻后電動機的特性等方面，都具有明顯的優(yōu)勢。

由于其存在著中間低壓環(huán)節(jié)，所以具有電流大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、效率低、可靠性差等缺點。

（3）按輸出電壓調(diào)節(jié)方式分類

變頻調(diào)速時，需要同時調(diào)節(jié)逆變器的輸出電壓和頻率，以保證電動機主磁通的恒定。對輸出電壓的調(diào)節(jié)主要有PAM方式和PWM方式兩種。

1）PAM方式

脈沖幅值調(diào)制方式（PAM—Pulse Amplitude Modulation）是通過改變直流電壓的幅值進行調(diào)壓的方式。在變頻器中，逆變器只負責(zé)調(diào)節(jié)輸出頻率，而輸出電壓的調(diào)節(jié)則由相控整流器或直流斬波器通過調(diào)節(jié)直流電壓實現(xiàn)。

此種方式下，系統(tǒng)低速運行時諧波與噪聲都比較大，所以當(dāng)前幾乎不采用，只有與高速電動機配套的高速變頻器中才采用。采用PAM調(diào)壓時，變頻器的輸出電壓波形如下圖所示。

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2）PWM方式

脈沖寬度調(diào)制方式（PWM—Pulse Amplitude Modulation）。利用參考電壓波uR與載波三角波ut互相比較決定主開關(guān)器件的導(dǎo)通時間而實現(xiàn)調(diào)壓，利用脈沖寬度的改變得到幅值不同的正弦基波電壓。這種參考信號為正弦波，輸出電壓平均值近似正弦波的PWM方式稱為正弦PWM方式稱為正弦PWM調(diào)制，簡稱SPWM（Sinusoidal Pulse Width Modulation）方式。

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3）高載波變頻率的PWM方式

此種方式與上述PWM方式的區(qū)別僅在于其調(diào)制頻率有很大提高。主開關(guān)器件的工作頻率較高，常采用IGBT或MPSFET為主開關(guān)器件，開關(guān)頻率可達10～20kHz，可以大幅度降低電動機的噪聲，達到所謂“靜音”水平。圖4-3所示為以IGBT為逆變器開關(guān)器件的變頻器主電路。

當(dāng)前此種高載波變頻器已成為中小容量通用變頻器的主流，性能價格比亦能達到較滿意的水平。

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（4）按控制方式分類

1）U/f控制

U/f控制方式即壓頻比控制，它的基本特點是對變頻器輸出的電壓和頻率同時控制，通過保持U/f恒定使電動機獲得所需要的轉(zhuǎn)矩特性。

U/f控制是轉(zhuǎn)速開環(huán)控制，無需速度傳感器，控制電路簡單，負載可以是通用標(biāo)準異步電動機，所以通用性好、經(jīng)濟性好，是目前通用變頻器產(chǎn)品中使用較多的一種控制方式。

2）轉(zhuǎn)差頻率控制

如果沒有任何附加措施，在U/f控制方式下，如果負載變化，轉(zhuǎn)速也會隨之變化，轉(zhuǎn)速的變化量與轉(zhuǎn)差綠成正比。

與U/f控制方式相比，其調(diào)速精度大為提高，但是使用速度傳感器求取轉(zhuǎn)差頻率，要針對具體電動機的機械特性調(diào)整控制參數(shù)，因而這種控制方式的通用性較差。

3）矢量控制

所謂矢量控制是根據(jù)交流電動機的動態(tài)數(shù)學(xué)模型，利用坐標(biāo)變換的手段，將交流電動機的定子電流分解成磁場分量電流和轉(zhuǎn)矩分量電流，并分別加以控制。（5）按電壓等級分類

變頻器按電壓等級分類分為兩類：

1）低壓型變頻器

變頻器電壓等級為380～460V，屬低壓型變頻器。常見的中小容量通用變頻器均屬此類，

2）高壓大容量變頻器

通常高（中）壓（3、6、10KV等級）電動機多采用變極或電動機外配置機械減速方式調(diào)速，綜合性能不高，在此領(lǐng)域節(jié)能及提高調(diào)速性能潛力巨大。隨著變頻技術(shù)的發(fā)展，高（中）壓變頻傳動也成為自動控制技術(shù)的熱點。

（6）按用途分類

根據(jù)變頻器性能及應(yīng)用范圍，可以將變頻器分為以下幾種類型。

1）通用變頻器

顧名思義，通用變頻器的特點是其通用性，可以對通用標(biāo)準異步電動機傳動，應(yīng)用與工業(yè)生產(chǎn)及民用各個領(lǐng)域。隨著變頻器技術(shù)的發(fā)展和市場需要的不斷擴大，通用變頻器也在朝著兩個方向發(fā)展：低成本的簡易型通用變頻器和高性能多功能的通用變頻器。

2）高性能專用變頻器

與通用變頻器相比，高性能專用變頻器基本上采用了矢量控制方式，而驅(qū)動對象通常是變頻器廠家指定的專用電動機，并且主要應(yīng)用于對電動機的控制能性要求比較高的系統(tǒng)。

例如，在專業(yè)來驅(qū)動機床主軸的高性能變頻器中，為了便于數(shù)控裝置配合完成各種工作，變頻器的主電路、回饋制動電路和各種接口電路等被做成一體，從而達到了縮小體積和降低成本的要求。而在纖維機械驅(qū)動方面，為了便于大系統(tǒng)的維修保養(yǎng)，變頻器則采用了可以簡單地進行拆裝的盒式結(jié)構(gòu)。

3）高頻變頻器

在超精密加工和高性能機械中，常常要用到高速電動機。

如PAM控制方式的高速電動機驅(qū)動用變頻器。這類變頻器的輸出頻率可以達到3kHz，在驅(qū)動2極異步電動機時，電動機最高轉(zhuǎn)速可達到180000r/min。

4）小型變頻器

為適應(yīng)現(xiàn)場總線控制技術(shù)的要求，變頻器必須小型化，與異步電機結(jié)合在一起，組成總線上一個執(zhí)行單元。

例如安川公司上單的VS-mini-J7型變頻器，高度只有128mm，三墾公司的ES、EF、ET系列，也是這種小型變頻器。

2024 /

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