變頻調(diào)速技術(shù)是怎樣發(fā)展起來的？

變頻器基礎(chǔ)1

變頻可以調(diào)速這個概念，可以說是交流電動機(jī)“與生俱來”的。 同步電動機(jī)無需多言，即使是異步電動機(jī)，其轉(zhuǎn)速也是取決于同步轉(zhuǎn)速(即旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速)的。

n=n1（1-S）..................(1-1)

式中：n——電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，m/min

n1——電動機(jī)的同步轉(zhuǎn)速，r/min S——電動機(jī)的轉(zhuǎn)差率

而同步轉(zhuǎn)速則主要取決于頻率

n1=60f/p..................(1-2)

式中：f——頻率，Hz

p——磁極對數(shù)

所以說，交流電動機(jī)從誕生之日起，就已經(jīng)知道改變頻率可以調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速了。 但當(dāng)時，還不具備改變頻率的手段。

隨著閘流管的問世，使變頻調(diào)速的夢想出現(xiàn)了能夠?qū)崿F(xiàn)的希望。 但那設(shè)備的龐大與昂貴，使它無法進(jìn)入實用的階段。

直到20世紀(jì)的60年代，隨著晶閘管的出現(xiàn)及其應(yīng)用技術(shù)的迅速發(fā)展，變頻調(diào)速開始進(jìn)入實用的階段。 但由于許多技術(shù)問題解決得還不夠完善，調(diào)速系統(tǒng)的性能指標(biāo)難以和直流電機(jī)相匹敵，因而未能達(dá)到推廣應(yīng)用的階段。

70年代末期以來，一方面，矢量控制理論的提出和實施，使變頻調(diào)速系統(tǒng)的性能指標(biāo)達(dá)到了與直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)十分接近的地步； 另一方面，電力電子器件的飛速發(fā)展，也使SPWM調(diào)制技術(shù)日臻完善，變頻調(diào)速器的體積越做越小，價格也達(dá)到了用戶能夠接受的程度。 變頻調(diào)速這才進(jìn)入了普及應(yīng)用的階段。

變頻調(diào)速為什么常縮寫成VVVF？

變頻器基礎(chǔ)知識2

VVVF的全稱是Variable Voltage Variable Frequency，意思是“變壓變頻”。

原來，在交流異步電動機(jī)內(nèi)，外加的電源電壓主要和繞組的反電勢相平衡，而繞組的反電勢則與電流的頻率和每極下的磁通量有關(guān)：

U≈E1=4.44 W1f∮=Kef∮

可見，磁通量的大小與電壓和頻率的比值有關(guān)：

∮≈U/Kef=Ke'·U/f

式中：U——電源相電壓

E1——每相定子繞組的反電勢 W1——每相定子繞組的匝數(shù) f——每個磁極下的磁通量 Ke、Ke'——常數(shù)

公式表明：當(dāng)頻率下降時，如果電壓不變，則磁通量將增加，引起電機(jī)鐵心的飽和，這當(dāng)然是不允許的。 因此，為了保持電機(jī)內(nèi)的磁通量基本不變，在改變頻率的同時，也必須改變電壓。

VVVF控制，也叫作V/f控制，或者恒壓頻比控制，保證輸出電壓跟頻率成正比的控制，使電動機(jī)的磁通保持一定，避免弱磁和磁飽和現(xiàn)象的產(chǎn)生，多用于風(fēng)機(jī)、泵類節(jié)能型變頻器。

交—直—交是什么意思？

變頻器基礎(chǔ)知識3

變頻裝置有兩大類：

一類是由工頻直接轉(zhuǎn)接成可變頻率的，稱為“交—交變頻”。

交-交變頻器的結(jié)構(gòu)如下圖所示，交流輸出的正半周電流由正組整流器提供，負(fù)半周電流由負(fù)組整流器提供。

交-交變頻器的優(yōu)點(diǎn)是過載能力強(qiáng)； 效率高； 輸出波形較好。 缺點(diǎn)是輸出頻率只有電源 頻率的1/3 ~1/2；功率因數(shù)低，需要補(bǔ)償裝置； 雖然輸出波形較好，但變頻器的容量大，諧波相對也大，還需加裝濾波器； 所用的元器件多，造價高。 交-交變頻的高（中）壓變頻器的容量較大，一般都在數(shù)千千瓦以上，大多用在冶金﹑鋼鐵行業(yè)的調(diào)速比要求不高的軋機(jī)﹑提升機(jī)等場合。

另一類就是“交—直—交變頻”，意思是：先把工頻交流電整流成直流電，再把直流“逆變”成頻率和電壓可變的交流電。

交—直—交的電路結(jié)構(gòu)如下圖所示：

交直交變頻器的工作原理是借助微電子器件、電力電子器件和控制技術(shù)，先將工頻電源經(jīng)過二極管整流成直流電，再由電力電子器件把直流電逆變?yōu)轭l率可調(diào)的交流電源。 交直交變頻器工作原理圖如下所示：

由圖可知，變頻器由主電路（包括整流器、中間直流環(huán)節(jié)、逆變器）和控制回路組成。 各部分的功能如下：

1.整流器它的作用是把三相（或單相）交流電源整流成直流電。 在SPWM變頻器中，大多采用全波整流電路。 大多數(shù)中、小容量的變頻器中，整流器件采用不可控的整流二極管或者二極管模塊。

2.逆變器它的作用與整流器相反，是將直流電逆變?yōu)殡妷汉皖l率可變的交流電，以實現(xiàn)交流電機(jī)變頻調(diào)速。 逆變電路由開關(guān)器件構(gòu)成，大多采用橋式電路，常稱逆變橋。 在SPWM變頻器中，開關(guān)器件接受控制電路中SPWM調(diào)制信號的控制，將直流電逆變成三相交流電。

3.控制電路這部分電路由運(yùn)算電路、檢測電路、驅(qū)動電路、保護(hù)電路等組成，一般均采用大規(guī)模集成電路。

交直交變頻器比較常見，由整流器、濾波系統(tǒng)和逆變器三部分組成。 整流器為二極管三相橋式不控整流器或大功率晶體管組成的全控整流器，逆變器是大功率晶體管組成的三相橋式電路，其作用正好與整流器相反，它是將恒定的直流電交換為可調(diào)電壓，可調(diào)頻率的交流電。

中間濾波環(huán)節(jié)是用電容器或電抗器對整流后的電壓或電流進(jìn)行濾波。 交直交變頻器按中間直流濾波環(huán)節(jié)的不同，又可以分為電壓型和電流型兩種，由于控制方法和硬件設(shè)計等各種因素，電壓型逆變器應(yīng)用比較廣泛。 它在工業(yè)自動化領(lǐng)域的變頻器（采用變壓變頻VVVF控制等）和IT、供電領(lǐng)域的不間斷電源（即UPS，采用恒壓恒頻CVCF控制）都有應(yīng)用。

電壓型變頻器的主要特點(diǎn)是什么？

變頻器基礎(chǔ)知識4

交—直—交變頻裝置按直流部分貯能方式的不同分為電壓型變頻器和電流型變頻器，其主電路由整流器、平波回路和逆變器三部分組成。 由于負(fù)載一般都是感性的，它和電源之間必有無功功率傳送，因此在中間的直流環(huán)節(jié)中需要有緩沖無功功率的元件。

（1）電壓型

貯能元件為濾波電容C，如圖1-2a所示。 其工作特點(diǎn)是電壓基本不變。

▲ 圖1-2 電壓型和電流型

（2）電流型

貯能元件為電抗器，如圖1-2b所示。 其工作特點(diǎn)是電流基本不變。

電壓型變頻器和電流型變頻器的區(qū)別主要表現(xiàn)為：

1、無功能量的緩沖：

變頻器的負(fù)載是異步電動機(jī)，屬感性負(fù)載，中間直流環(huán)節(jié)與電機(jī)之間除了傳遞有功功率外，還存在無功功率的交換。 由于電力電子開關(guān)器件無法儲能，無功能量只能靠儲能元件(濾波器)來緩沖。 兩類變頻器的區(qū)別在于用什么儲能元件來緩沖無功能量。

2、調(diào)速時的動態(tài)響應(yīng)：

電流型變頻器的直流電壓Ua可以迅速改變大小和方向，所以 由它供電的調(diào)速系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)比較快。 相比之下，電壓型變頻器，由干濾波電容的充放電作用使Ud變化緩慢，故其動態(tài)響應(yīng)也慢。

3、適用范圍：

電壓型變頻器適用于不可逆調(diào)速系統(tǒng)且無需經(jīng)常加減速的場合，并適用 于多電機(jī)傳動。 電流型變頻器則適用于要求快速制動及可逆運(yùn)行的場合。

電流型變頻器的中間直流環(huán)節(jié)采用大電感進(jìn)行儲能并濾波，直流電流波形比較平直，使施加于負(fù)載上的電流值穩(wěn)定不變，基本不受負(fù)載的影響，其特性類似于電流源，所以稱之為電流型變頻器。 電流型變頻器由于電流的可控性較好，可以限制因逆變裝置換流失敗或負(fù)載短路等引起的過電流，保護(hù)的可靠性較高，所以多用于要求負(fù)載電流變化較大的場合。

電壓型變頻器的中間直流環(huán)節(jié)采取支撐電容來儲能并穩(wěn)定電壓，多用于要求負(fù)載電壓變化較大的場合。

SPWM代表什么？

變頻器基礎(chǔ)知識5

SPWM的全稱是Sine Pulse Width Modulation，意思是正弦脈沖寬度調(diào)制。 這是實現(xiàn)改變頻率的同時也改變電壓的一種調(diào)制方式。

變壓變頻的基本方式有兩種：

（1）在改變頻率的同時也改變幅值，稱為脈幅調(diào)制，簡寫為PAM，如圖1-3a所示。

（2）在改變頻率時，脈沖的幅值不變，而通過改變脈沖的占空比來改變其平均電壓，稱為脈寬調(diào)制，簡寫為PWM。

SPWM的特點(diǎn)是：脈沖序列中的脈沖寬度和脈沖間的間隔寬度是按正弦規(guī)律安排的。

直流是怎樣“逆變”成交流的？

變頻器基礎(chǔ)知識6

如下圖所示，K1~K4是開關(guān)器件，M是負(fù)載，A、B間通以直流電壓UD。 先令K1| K4閉合，K2、K3斷開。 則電流的路徑如實線空心箭頭所示，C、D間的電壓為C“+”、D“-”。 再令K1、K4斷開，K2、K3閉合，則電流的路徑如虛線實心箭頭所示，C、D間的電壓為C“-”、D“+”。

如使上述兩種狀態(tài)不停地交替工作，則負(fù)載M上所得到的便是交流電壓了。

用六個開關(guān)器件，使它們按三相間互差三分之一周期的規(guī)律交替工作，就可將直流電“逆變”成三相交流電了。

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審核編輯：湯梓紅