變頻器

變頻器（Variable-frequency Drive，VFD）是應用變頻技術(shù)與微電子技術(shù)，通過(guò)改變電機工作電源頻率方式來(lái)控制交流電動(dòng)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(dòng)單元、驅動(dòng)單元、檢測單元微處理單元等組成。變頻器靠?jì)炔縄GBT的開(kāi)斷來(lái)調整輸出電源的電壓和頻率，根據電機的實(shí)際需要來(lái)提供其所需要的電源電壓，進(jìn)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(guò)流、過(guò)壓、過(guò)載保護等等。隨著(zhù)工業(yè)自動(dòng)化程度的不斷提高，變頻器也得到了非常廣泛的應用。

變頻器基本組成

變頻器通常分為4部分：整流單元、高容量電容、逆變器和控制器。

整流單元：將工作頻率固定的交流電轉換為直流電。

高容量電容：存儲轉換后的電能。

逆變器：由大功率開(kāi)關(guān)晶體管陣列組成電子開(kāi)關(guān)，將直流電轉化成不同頻率、寬度、幅度的方波。

控制器：按設定的程序工作，控制輸出方波的幅度與脈寬，使疊加為近似正弦波的交流電，驅動(dòng)交流電動(dòng)機。

變頻器的結構與原理圖解

變頻器的發(fā)展也同樣要經(jīng)歷一個(gè)徐徐漸進(jìn)的過(guò)程，最初的變頻器并不是采用這種交直交：交流變直流而后再變交流這種拓撲，而是直接交交，無(wú)中間直流環(huán)節。這種變頻器叫交交變頻器，目前這種變頻器在超大功率、低速調速有應用。其輸出頻率范圍為：0-17（1/2－1/3 輸入電壓頻率），所以不能滿(mǎn)足許多應用的要求，而且當時(shí)沒(méi)有IGBT，只有SCR，所以應用范圍有限。

變頻器其工作原理是將三相工頻電源經(jīng)過(guò)幾組相控開(kāi)關(guān)控制直接產(chǎn)生所需要變壓變頻電源，其優(yōu)點(diǎn)是效率高，能量可以方便返回電網(wǎng)，其最大的缺點(diǎn)輸出的最高頻率必須小于輸入電源頻率1/3或1/2，否則輸出波形太差，電機產(chǎn)生抖動(dòng)，不能工作。故交交變頻器至今局限低轉速調速場(chǎng)合，因而大大限制了它的使用范圍。

變頻器電路結構框架圖

矩陣式變頻器是一種交交直接變頻器，由九個(gè)直接接于三相輸入和輸出之間的開(kāi)關(guān)陣組成。矩陣變換器沒(méi)有中間直流環(huán)節，輸出由三個(gè)電平組成，諧波含量比較小；其功率電路簡(jiǎn)單、緊湊，并可輸出頻率、幅值及相位可控的正弦負載電壓；矩陣變換器的輸入功率因數可控，可在四象限工作。

雖然矩陣變換器有很多優(yōu)點(diǎn)，但是在其換流過(guò)程中不允許存在兩個(gè)開(kāi)關(guān)同時(shí)導通的或者關(guān)斷的現象，實(shí)現起來(lái)比較困難。矩陣變換器最大輸出電壓能力低，器件承受電壓高也是此類(lèi)變換器一個(gè)很大缺點(diǎn)。

應用在風(fēng)力發(fā)電中，由于矩陣變換器的輸入輸出不解耦，即無(wú)論是負載還是電源側的不對稱(chēng)都會(huì )影響到另一側。另外，矩陣變換器的輸入端必須接濾波電容，雖然其電容的容量比交直交的中間儲能電容小，但由于它們是交流電容，要承受開(kāi)關(guān)頻率的交流電流，其體積并不小。

交-交變頻就是直接變頻，少了一個(gè)環(huán)節，但是用的器件量很多，三相的需要36個(gè)晶閘管，控制復雜。我們老師開(kāi)玩笑說(shuō)誰(shuí)調通了36個(gè)管子就可以立即畢業(yè)。還有交-交變頻只能往工頻一下調節頻率，一般調到工頻的1/3-1/2，差不多20Hz。

我們把這種交流變直流而后再變交流這種變頻器叫交直交變頻器，分為兩種，一種是交直交電壓型，另外一種是交直交電流型。其中前者廣泛使用，現在的通用變頻器就是采用這種拓撲。

其特點(diǎn)是：中間為電解電容儲存提供母線(xiàn)電壓，前級采用二極管不控整流，簡(jiǎn)單可靠，逆變采用三相PWM調制（目前調制算法是空間電壓矢量）。由于采用了一定容量的電解電容，所以直流母線(xiàn)電壓穩定，此時(shí)只要控制好逆變IGBT的開(kāi)關(guān)順序（輸出相序、頻率）和占空比（輸出電壓大小），就可以獲得非常優(yōu)越的控制特性。

交—直—交變頻器則是先把交流電經(jīng)整流器先整流成直流電，直流中間電路對整流電路的輸出進(jìn)行平滑濾波，再經(jīng)過(guò)逆變器把這個(gè)直流電流變成頻率和電壓都可變的交流電。

交直交變頻器又可以分為電壓型和電流型兩種，由于控制方法和硬件設計等各種因素，電壓型逆變器應用比較廣泛。傳統的電流型交直交變頻器采用自然換流的晶閘管作為功率開(kāi)關(guān)，其直流側電感比較昂貴，而且應用于雙饋調速中，在過(guò)同步速時(shí)需要換流電路，在低轉差頻率的條件下性能也比較差，在雙饋異步風(fēng)力發(fā)電中應用的不多。

采用電壓型交直交變頻器這種整流變頻裝置具有結構簡(jiǎn)單、諧波含量少、定轉子功率因數可調等優(yōu)異特點(diǎn)，可以明顯地改善雙饋發(fā)電機的運行狀態(tài)和輸出電能質(zhì)量，并且該結構通過(guò)直流母線(xiàn)側電容完全實(shí)現了網(wǎng)側和轉子側的分離。

電壓型交直交變頻器的雙饋發(fā)電機定子磁場(chǎng)定向矢量控制系統，實(shí)現了基于風(fēng)機最大功率點(diǎn)跟蹤的發(fā)電機有功和無(wú)功的解耦控制，是目前變速恒頻風(fēng)力發(fā)電的一個(gè)代表方向。

此外，還有一種并聯(lián)的交直交逆變器拓撲結構。這種結構的主要思想是通過(guò)一個(gè)交直交電流型和一個(gè)交直交電壓型變頻器并聯(lián)，電流型逆變器作為主逆變器負責功率傳輸，電壓型逆變器作為輔逆變器負責補償電流型逆變器諧波。

這種結構主逆變器有較低的開(kāi)關(guān)頻率，輔逆變器有較低的開(kāi)關(guān)電流。同上面提到的交直交電壓型逆變器相比較，該拓撲結構具有低開(kāi)關(guān)損耗，整個(gè)系統的效率比較高。其缺點(diǎn)也是顯而易見(jiàn)的，大量電力電子器件的使用導致成本的上升以及更加復雜的控制算法，另外該種結構電壓利用率比較低。

盡管交—直—交變頻器具有輸出頻率高、功率因數高等優(yōu)點(diǎn)，但交—直—交變頻器仍存在許多待改進(jìn)的問(wèn)題：

（1）當前大功率高電壓電力電子器件處在發(fā)展期，GTO元件面臨淘汰，IGBT，IGCT尚待成熟；

（2）采用IGCT（或者GTO）、IECT的變流器，器件故障造成直通短路的保護還是難題；電源側變流器如果發(fā)生直通短路會(huì )造成電網(wǎng)短路，所以變流器必須采用高漏抗輸入變壓器，一般要求15%，甚至高達20%；

（3）交—直—交變頻器低頻運行時(shí)過(guò)載能力減低，一般運行在5Hz以下時(shí)變頻器過(guò)載能力減半；

（4）交—直—交變頻器輸出PWM調制電壓波形的電壓變化率du/dt很高，容易造成電機和電器的絕緣疲勞損傷；輸出導線(xiàn)較長(cháng)時(shí)，共模反射電壓會(huì )在電機側產(chǎn)生很高的電壓，如果是兩電平的變流器，這個(gè)電壓的峰值是直流電壓的兩倍，如果是三電平的變流器，這個(gè)電壓的峰值是中間一半電壓的三倍；

（5）交—直—交變頻器PWM調制將產(chǎn)生諧波、噪聲、軸電流等問(wèn)題。

變頻器的功能作用

變頻節能

變頻器節能主要表現在風(fēng)機、水泵的應用上。為了保證生產(chǎn)的可靠性，各種生產(chǎn)機械在設計配用動(dòng)力驅動(dòng)時(shí)，都留有一定的富余量。當電機不能在滿(mǎn)負荷下運行時(shí)，除達到動(dòng)力驅動(dòng)要求外，多余的力矩增加了有功功率的消耗，造成電能的浪費。風(fēng)機、泵類(lèi)等設備傳統的調速方法是通過(guò)調節入口或出口的擋板、閥門(mén)開(kāi)度來(lái)調節給風(fēng)量和給水量，其輸入功率大，且大量的能源消耗在擋板、閥門(mén)的截流過(guò)程中。當使用變頻調速時(shí)，如果流量要求減小，通過(guò)降低泵或風(fēng)機的轉速即可滿(mǎn)足要求。

電動(dòng)機使用變頻器的作用就是為了調速，并降低啟動(dòng)電流。為了產(chǎn)生可變的電壓和頻率，該設備首先要把電源的交流電變換為直流電（DC），這個(gè)過(guò)程叫整流。把直流電（DC）變換為交流電（AC）的裝置，其科學(xué)術(shù)語(yǔ)為“inverter”(逆變器)。一般逆變器是把直流電源逆變?yōu)橐欢ǖ墓潭l率和一定電壓的逆變電源。對于逆變?yōu)轭l率可調、電壓可調的逆變器我們稱(chēng)為變頻器。變頻器輸出的波形是模擬正弦波，主要是用在三相異步電動(dòng)機調速用，又叫變頻調速器。對于主要用在儀器儀表的檢測設備中的波形要求較高的可變頻率逆變器，要對波形進(jìn)行整理，可以輸出標準的正弦波，叫變頻電源。一般變頻電源是變頻器價(jià)格的15－－20倍。由于變頻器設備中產(chǎn)生變化的電壓或頻率的主要裝置叫“inverter”，故該產(chǎn)品本身就被命名為“inverter”，即：變頻器。

變頻不是到處可以省電，有不少場(chǎng)合用變頻并不一定能省電。 作為電子電路，變頻器本身也要耗電（約額定功率的3-5%）。一臺1.5匹的空調自身耗電算下來(lái)也有20-30W,相當于一盞長(cháng)明燈. 變頻器在工頻下運行，具有節電功能，是事實(shí)。但是他的前提條件是：

第一、大功率并且為風(fēng)機/泵類(lèi)負載；

第二、裝置本身具有節電功能（軟件支持）；

這是體現節電效果的三個(gè)條件。除此之外，無(wú)所謂節不節電，沒(méi)有什么意義。如果不加前提條件的說(shuō)變頻器工頻運行節能，就是夸大或是商業(yè)炒作。知道了原委，你會(huì )巧妙的利用他為你服務(wù)。一定要注意使用場(chǎng)合和使用條件才好正確應用，否則就是盲從、輕信而“受騙上當”。

功率因數補償節能

無(wú)功功率不但增加線(xiàn)損和設備的發(fā)熱，更主要的是功率因數的降低導致電網(wǎng)有功功率的降低，大量的無(wú)功電能消耗在線(xiàn)路當中，設備使用效率低下，浪費嚴重，使用變頻調速裝置后，由于變頻器內部濾波電容的作用，從而減少了無(wú)功損耗，增加了電網(wǎng)的有功功率。

軟啟動(dòng)節能

1：電機硬啟動(dòng)對電網(wǎng)造成嚴重的沖擊，而且還會(huì )對電網(wǎng)容量要求過(guò)高，啟動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的大電流和震動(dòng)時(shí)對擋板和閥門(mén)的損害極大，對設備、管路的使用壽命極為不利。而使用變頻節能裝置后，利用變頻器的軟啟動(dòng)功能將使啟動(dòng)電流從零開(kāi)始，最大值也不超過(guò)額定電流，減輕了對電網(wǎng)的沖擊和對供電容量的要求，延長(cháng)了設備和閥門(mén)的使用壽命。節省了設備的維護費用。

2：從理論上講，變頻器可以用在所有帶有電動(dòng)機的機械設備中，電動(dòng)機在啟動(dòng)時(shí)，電流會(huì )比額定高5-6倍的，不但會(huì )影響電機的使用壽命而且消耗較多的電量.系統在設計時(shí)在電機選型上會(huì )留有一定的余量，電機的速度是固定不變，但在實(shí)際使用過(guò)程中，有時(shí)要以較低或者較高的速度運行，因此進(jìn)行變頻改造是非常有必要的。變頻器可實(shí)現電機軟啟動(dòng)、補償功率因素。

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