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变频器的基本原理及其应用

2014-5-1 16:14| 发布者: dzly| 查看: 568| 评论: 0|原作者: 罗福高|来自: 中国外资

摘要: 随着科学技术的不断提高,对于各项工程中的要求也在不断提高。对电机等速度的要求越 来越高,为此变频器应运而生。变频器调速范围大,而且静态稳定性好,在要求较高的工作场合中就 起着举足轻重的作用。本文中简要介绍了变频器的工作原理以及变频器在各个方面的广泛应用。
  随着经济的不断进步,高层建筑不断的增多,为此电梯成为了建筑中必不可少的运输工具。而在电梯运行的过程中,其运行效率就尤为重要,随着一代又一代的电梯设计的创新,变频调速成为了市场上的主要调速方式。变频器就是这样一种通过改变频率而改变电机运行速度的设备。
  ▲ ▲1 变频器
  1.1 变频技术概念
  变频技术就是将工频电源变换成所需频率的交流电源,从而实现电机的调速。我国的电网电压为220V、50Hz,显然,电网的频率就是50Hz。而交流异步电动机的转速与交流电源频率存在着这样的关系, 。其中p 为极对数,f 为电机两端的电网频率,s 为转差率。显然,电机的转速与交流电源的频率成正比关系,当p、s 一定的情况下,就可以通过改变交流电源的频率来改变电机的频率,这就是变频调速技术。
  1.2 变频器的结构
  变频器分为两类,分别是交- 交变频和交- 直- 交变频。其中交- 交变频只有一个环节,并且采用反并联的可逆线路,因此需要大量的功率元件,除此之外,还因为受到脉动转矩和谐波电流的限制,所以其最高的输出频率往往不能超过电网频率的一半,这些情况导致交- 交变频器的应用不能得到推广。
  为此常用的变频器采用交- 直- 交变频器。这种变频器按中间直流环节分为电压源型和电流源型。区分的办法则观查是使用大电容滤波还是大电感滤波,使用大电容滤波的是电压源型,直流电压平直,可多机传动,但是动态响应慢,不能实现回馈制动。而使用大电感滤波的是电流源型,电流波形平直,动态响应快,可以实现四象限运行,适用于单电机的可逆传动。
  SPWM 波形是变频器逆变回路常常采用的一种调制波形,采用正弦脉宽调制波形可以方便的控制等效正弦波的幅值以及频率。并且以此为基础又发展了三电平PWM 菱形调制,除了能够获得更小的谐波分量外,还可以获得更好的低速性能。
  变频器的整流回路往往采用不可控整流,与逆变电路区别很大,受到电流、开关频率、电压、控制回路的要求的影响,功率器件的发展,使得半控型的SCR 已经很少使用了。而全控型器件中GTO 和BJT 属于电流控制型,驱动比较复杂,但是功率较大。P-MOSFET 属于场控型器件,虽然功率低但是其开关频率高,而且有着很高的可靠性。
  1.3 变频器的控制原理
  PWM 控制,是在调节频率的同时,不改变脉冲电压幅度的大小,只是改变脉冲的占空比,从而实现变频变压的效果。逆变器通常采用6 个绝缘栅极晶体管构成大功率晶体管开关组合,
  即功率模块。6 个晶体管的状态决定电机绕组中电流的方向,开
  关动作的快慢决定了通入电机绕组电流的频率,开关脉冲依次控制晶体管的通断,从而使电机转动。
  ▲ ▲2 变频器的应用
  2.1 变频器的特点
  如今变频器的应用已经十分的广泛,因为其自身所具有的特点有利于工业、工程等方面的应用。首先是变频器维护简单,而且一旦投入运行,故障率通常情况下很少,只需要有规律的巡检、定期更换易损元件以及清扫即可。有规律的巡检以及清扫是为了防止灰尘引起放热与短路,从而保障了变频器的正常运行。而更换易损元件则是担心电子元器件的使用寿命耗尽引起不必要的事故。
  其次则是起动性能好。变频器的起动是无级进行的,电压与频率逐渐升高,直到达到给定值。这个更有利于调节起动时间和加减速时间,以及通过调节给定信号的斜坡函数发生器的参数,使其能够更加平滑的起动。
  再者就是变频器的调速性能好,调速性能好坏的指标有两个,一个是调速范围,另一个就是机械特性。由于变频器的种类繁多,对于不同的负载都有着不同的变频器与之对应。例如:对于恒转矩负载则需要选择过载能力大的变频器;而对于恒功率负载,由于转速与转矩成反比例关系,则需要解决低转速阶段转矩问题;对于位能性负载则要求可四象限运行的变频器即可。变压变频是异步电动机变频调速的基本控制方式,在基频以下采用恒压频比的控制方式,基本上保持磁通在各级转速上恒定,机械特性随转速下降而平行下移,硬度好。
  变频器的保护功能十分齐全,其内部建有电流闭环,能够严格控制电流,并且能够 很容易的通过设定保护电流以实现过电流和过载保护。甚至有的变频器还提供绝缘检测功能,能够检测逆变回路、电源以及电机的绝缘情况,进而能够及时发出警报并且发出跳闸信号。除此之外,有的变频器还提供试验和诊断功能,进一步确保变频器的安全运行。
  2.2 变频器的应用
  随着社会的不断进步,不同场合用到的电机种类各不相同,为此变频器的种类也是各种各样的。现如今使用无刷电动机作为压缩机电机的空调器采用交- 直- 交方式,并且分为两类,一类只有压缩机电机采用无刷直流电机,另一类则是不仅仅有压缩机,室内风机、室外风机都采用无刷直流电机,即全直流变频空调器。这些仅仅是变频其在空调方面的应用。
  而变频器在电厂等重要场合中还需要注意一些事项,例如:安装处的工作温度、腐蚀性气体、震动与冲击以及电磁波干扰。
  为此在选择变频器时则需要注意选择变频器的目的、变频器的负载类型以及变频器是否与负载匹配等等,无论哪种因素都可能造成变频器的不正常工作,这就使得选择正确的变频器尤为重要。
  ▲ ▲3 总结
  目前变频控制技术由PWM 向PAM 方向发展。这是因为PWM 控制方式在调速过程中受到电机上限转速的限制。而采用PAM 控制方式则其转速可以提高1.5 倍左右,这样的提升有助于提高变频器在空调、冰箱等快速制冷、制热能力的应用。除此之外,由于PAM 在调整电压时具有对电流波形整形的作用,从而获得更高的效率,抑制高次谐波的生成,并且减少对电网电压的污染。
  
  

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