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    变频器原理(英文Variable-frequency Drive,简称VFD)是应用变频技术与微电子技术的原理,通过改变电机工作电源频率的方式来控制交流电动机的电力控制设备。使用的电源分为交流电源和直流电源,一般的直流电源大多是由交流电源通过变压器变压,整流滤波后得到的。交流电源在人们使用电源中占总使用电源的95%左右。

    变频器简介

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    无论是用于家庭还是用于工厂,单相交流电源和三相交流电源,其电压和频率均按各国的规定有一定的标准,如我国大陆规定,直接用户单相交流电压为220V,三相交流电线电压为380V,频率为50Hz,其它国家的电源电压和频率可能与我国的电压和频率不同,如有单相100V/60Hz,三相200V/60Hz等等,标准的电压和频率的交流供电电源叫工频交流电。
    通常,把电压和频率固定不变的工频交流电变换为电压或频率可变的交流电的装置称作“变频器”。
    为了产生可变的电压和频率,该设备首先要把电源的交流电变换为直流电(DC),这个过程叫整流。
    一般逆变器是把直流电源逆变为一定频率和一定电压的逆变电源。对于逆变电源频率和电压可调的逆变器我们称为变频器。
    变频器输出的波形是模拟正弦波,主要是用在三相异步电动机调速用,又叫变频调速器。
    对于主要用在仪器仪表的检测设备中的波形要求较高的可变频率逆变器,要对波形进行整理,可以输出标准的正弦波,叫变频电源。一般变频电源是变频器价格的15--20倍。
    变频器也可用于家电产品。使用变频器的家电产品中,不仅有电机(例如空调等),还有荧光灯等产品。
    用于电机控制的变频器,既可以改变电压,又可以改变频率。但用于荧光灯的变频器主要用于调节电源供电的频率。
    变频器的工作原理被广泛应用于各个领域。例如计算机电源的供电,在该项应用中,变频器用于抑制反向电压、频率的波动及电源的瞬间断电。
    变频器主要采用交—直—交方式(VVVF变频或矢量控制变频),先把工频交流电源通过整流器转换成直流电源,然后再将直流电源转换成频率、电压均可控制的交流电源以供给电动机。
    变频器主要由整流(交流变直流)、滤波、逆变(直流变交流)、制动单元、驱动单元、检测单元微处理单元等组成的 [1] 。

    变频器元件

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    整流电路

    由VD1-VD6六个整流二极管组成不可控全波整流桥。对于380V的额定电源,一般二极管反向耐压值应选1200V,二极管的正向电流为电机额定电流的1.414-2倍。

    电容C1

    吸收电容,整流电路输出是脉动的直流电压,必须加以滤波。

    变压器

    一种常见的电气设备,可用来把某种数值的交变电压变换为同频率的另一数值的交变电压,也可以改变交流电的数值及变换阻抗或改变相位。

    压敏电阻

    有三个作用:一、过电压保护;二、耐雷击要求;三、安规测试需要.
    热敏电阻:过热保护

    霍尔元件

    安装在UVW的其中二相,用于检测输出电流值。选用时额定电流约为电机额定电流的2倍左右。

    充电电阻

    作用是防止开机上电瞬间电容对地短路,烧坏储能电容开机前电容二端的电压为 0V;所以在上电(开机)的瞬间电容对地为短路状态。如果不加充电电阻在整流桥与电解电容之间,则相当于380V电源直接对地短路,瞬间整流桥通过无穷大的电流导致整流桥炸掉。一般而言变频器的功率越大,充电电阻越小。充电电阻的选择范围一般为:10-300Ω。

    储能电容

    又叫电解电容,在充电电路中主要作用为储能和滤波。PN端的电压工作范围一般在 430VDC~700VDC 之间,而一般的高压电容都在 400VDC左右,为了满足耐压需要就必须是二个400VDC的电容串起来作800VDC。容量选择≥60uf/A
    均压电阻:防止由于储能电容电压的不均烧坏储能电容;因为二个电解电容不可能做成完全一致,这样每个电容上所承受的电压就可能不同,承受电压高的发热严重(电容里面有等效串联电阻)或超过耐压值而损坏。

    C2电容

    吸收电容,主要作用为吸收IGBT的过流与过压能量。

    电源板

    开关电源电路向操作面板、主控板、驱动电路、检测电路及风扇等提供低压电源,开关电源提供的低压电源有:±5V、±15V 、±24V向CPU其附属电路、控制电路、显示面板等提供电源。

    驱动板

    主要是将CPU生成的PWM脉冲经驱动电路产生符合要求的驱动信号激励IGBT输出电压。

    控制板

    也叫CPU板,相当人的大脑,处理各种信号以及控制程序等部分
    元器件如图:

    变频器基础原理

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    控制方式

    1: VVVF 是 Variable Voltage and Variable Frequency 的缩写,意为改变电压和改变频率,也就是人们所说的变压变频。
    2: CVCF 是 Constant Voltage and Constant Frequency 的缩写,意为恒电压、恒频率,也就是人们所说的恒压恒频。
    VVC的控制原理
    在VVC中,控制电路用一个数学模型来计算电机负载变化时优秀的电机励磁,并对负载加以补偿。
    此外集成于ASIC电路上的同步60°PWM方法决定了逆变器半导体器件(IGBTS)的优秀开关时间。
    决定开关时间要遵循以下原则:
    数值上大的一相在1/6个周期(60°)内保持它的正电位或负电位不变。
    其它两相按比例变化,使输出线电压保持正弦并达到所需的幅值(如下图)
    与正弦控制PWM不同,VVC是依据所需输出电压的数字量来工作的。这能保证变频器的输出达到电压的额定值,电机电流为正弦波,电机的运行与电机直接接市电时一样。
    由于在变频器计算优秀的输出电压时考虑了电机的常数(定子电阻和电感),所以可得到优秀的电机励磁。
    因为变频器连续的检测负载电流,变频器就能调节输出电压与负载相匹配,所以电机电压可适应电机的类型,跟随负载的变化。
    VVC+的控制原理是将矢量调制的原理应用于固定电压源PWM逆变器,这一控制建立在一个改善了的电机模型上,该电机模型较好的对负载和转差进行了补偿。
    因为有功和无功电流成分对于控制系统来说都是很重要的,控制电压矢量的角度可显着的改善0-12HZ范围内的动态性能,而在标准的PWM U/F驱动中0-10HZ范围一般都存在着问题。
    利用SFAVM或60°AVM原理来计算逆变器的开关模式,可使气隙转矩的脉动很小(与使用同步PWM的变频器相比)。
    用户可以选择自己最喜爱的工作原理,或者由逆变器依据散热器的温度来自动选择控制原理。如果温度低于75°C采用SFAVM原理来控制,当温度高于75℃时就应用60°AVM原理。
    以下给出这两个原理的概要
    选择
    逆变器大的开关频率
    特点
    SFAVM
    大8kHz
    1. 与同步60°PWM(VVC)相比,转矩纹波小
    2. 无“换挡”
    3. 逆变器的开关损耗大
    60°AVM
    大14kHz
    1. 逆变器的开关损耗减少(与SFAVM相比减少1/3)
    2. 与同步60°PWM(VVC)相比转矩纹波小
    3. 与SFAVM相比转矩纹波相对大些
    如上图所示,电机模型为负载补偿器和电压矢量发生器分别计算额定的空载值ISX0,Isy0和I0,θ0。知道实际的空载值就有可能更准确地估计电机轴的负载转矩。
    与V/f控制相比,电压矢量控制在低速时很有利,传动的动特性可得到明显的改善。此外因为控制系统能更好地估计负载转矩,给出电压和电流的矢量值,与标量(仅有大小的值)控制的情况相比,电压矢量控制还能得到很好的静态特征 [2]  。

    各组成部分原理

    自六十年代后期以来,由于微处理器和半导体技术的发展及其价格的降低,使变频器发生了很大的变化。但是,变频器的基本原理并没有变。
    变频器可以分为四个主要部分:
    1、整流器:它与单相或三相交流电源相连接,产生脉动的直流电压。整流器有两种基本类型---可控和不可控的。
    2、中间电路:它有以下三种类型:
    a) 将整流电压变换成直流电流。
    b) 使脉动的直流电压变得稳定或平滑,供逆变器使用。
    c) 将整流后固定的直流电压变换成可变的直流电压。
    3、逆变器:它产生电动机电压的频率,另外,一些逆变器还可以将固定的直流电压变换成可变的交流电压。
    4、控制电路:它将信号传送给整流器、中间电路和逆变器,同时它也接收来自这部分的信号。具体被控制的部分取决于各个变频器的设计。如下图:
    上图示出变频器不同的设计及控制原理。图中:
    1- 可控整流器,
    2- 不可控整流器,
    3- 可变直流电流的中间电路,
    4- 固定直流电压的中间电路,
    5- 可变直流电压的中间电路,
    6- 脉冲幅度调试逆变器,
    7- 脉冲宽度调制逆变器。
    电流逆变器:CSI(1+3+6)
    脉冲幅度调制逆变器:PAM(1+4+7),(2+5+7)
    脉冲宽度调制逆变器:PAM/VVC(2+4+7)
    为了全面,还应该简要的提一下没有中间电路的直接变频器。这种变频器用于功率等级不兆瓦级的地方,它们直接将50Hz电源变换为一个低频电源,其大输出频率为30Hz。
    整流器
    变频器中的整流器可由二极管或晶闸管单独构成,也可由两者共同构成。由二极管构成的是不可控整流器,有晶闸管构成的是可控整流器。二极管和晶闸管都用的整流器是半控整流器。
    中间电路
    中间电路可看做是一个能量的存储装置,电动机可以通过逆变器从中间电路获得能量。和逆变器不同,中间电路可根据三种不同的原理构成。
    在使用电源逆变器时,中间电路由一个大的电感线圈构成,它只能与可控整流器配合使用。电感线圈将整流器输出的可变电流电压转换成可变的直流电流。电机电压的大小取决于负载的大小。
    中间电路的滤波器使斩波器输出的方波电压变得平滑。滤波器的电容和电感使输出电压在给定频率下维持一定。
    中间电路还能提供如下一些附加功能,这取决于中间电路的设计。例如:
    l使整流器和逆变器解耦
    l减少谐波
    l 储存能量以承受断续的负载波动
    逆变器
    逆变器是变频器最后一个环节,其后与电动机相联。它最终产生适当的输出电压。
    变频器通过使输出电压适应负载的办法,保证在整个控制范围内提供良好的运行条件。这方法是将电机的励磁维持在优秀值。
    逆变器可以从中间电路得到以下三者之一。
    l 可变直流电流
    l 可变直流电压
    l 固定直流电压
    在以上每种情况下,逆变器都要确保给电机提供可变的量。换句话说,电动机电压的频率总是由逆变器产生的。如果中间电路提供的电流或电压是可变的,逆变器只需调节频率即可。如果中间电路只提供固定的电压,则逆变器既要调节电动机的频率,还要调节电动机的电压。
    晶闸管在很大程度上被频率更好的晶体管所取代,因为晶体管可以更快速地导通和关断。开关频率取决于所用的半导体器件,典型的开关频率在300Hz到20KHz之间。
    逆变器中的半导体器件,由控制电路产生的信号使其导通和关断。这些信号可以受到不同的控制。

    变频器的应用

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    通常,家用电器用得最多的是单相异步电动机,靠电容或电阻来分相。电机在工作时常处于短时重复状态(开/停),如空调、冰箱等。这样势必带来起动频繁、噪声大、电机寿命短、温度稳定性差以及能耗高等一系列弊端。变频调速技术的应用不但给这些家电产品带来功能的增加、性能的改善,而且具有明显的节能效果和降噪效果,同时使整机寿命较传统家电有明显提高。
    异步电机调速有许多方法,如变极调速、变转差率调速和变频调速等。前两种转差损耗大,效率低,对电机特性来说都有一定的局限性。变频调速是通过改变定子电源的频率来改变同步频率实现电机调速的。在调速的整个过程中,从高速到低速可以保持有限的转差率,因而具有高效、调速范围宽(10~100%)和精度高等性能,节电效果可达到20~30%。
    变频调速有两种方法:一是交-直-交变频,适用于高速小容量电机;二是交-交变频。适用于低速大容量拖动系统。
    变频空调器按照其室内风扇电机、室外风机及压缩机的类型,可分为3A和3D变频空调器。对于室内、室外风机和变频压缩机均为交流(AC)形式的变频空调器,一般称之为3A变频空调器;而对于室内、室外风机和变频压缩机均为三相直流无刷电机(DCBLM)形式的变频空调器,一般称之为3D变频空调器。后者价位远高于前者,仅物料成本就高于同功率的3A变频空调器近300元,而且开发难度较大,空调系统和控制器的配合复杂度较高 [3]  。