什么是变频器?

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供水和水处理行业使用变频器来节约能源和改善控制 供水和水处理行业使用变频器来节约能源和改善控制

变频器(VFD)是控制交流感应电机速度的电子设备。在研究它的工作原理以及如何使用它之前,我们先了解电机控制器的历史以及电机本身的工作原理。

工业应用经常需要控制电动机的速度。几乎所有电机运行都受益于对速度的控制。不仅可以从总体上改善流程, 而且为许多特殊情况(特别是使用泵和风机)节约巨大的能源。

在电子控制器出现之前,电机的控制方式多种多样,例如通过使用一系列电阻器控制直流电机上的励磁电流,或使用其他电机。当20世纪50年代第一代功率半导体晶闸管问世时,就可以通过相位控制来控制直流电机的电枢电压,从而控制其速度。这些直流驱动器至今仍在生产和广泛使用。

然而,控制交流感应电机(又称异步电动机)的速度一直是个难题。 直流电机通常有两个绕组(励磁和电枢绕组)以及电刷和换向器,而交流电机有一个简单的固定绕组(定子)和一个转子。转子通常由在铁芯中浇铸铝或铜形成的导体组成。没有电刷或换向器。因此更便宜、更简单、更可靠。这种结构构的电机是工业中使用最多的电机。 那么它们是如何工作的,它们为什么需要变频器?

让我们先看一个三相变压器,如图-1所示:图-1 三相变压器


如果将变压器绕组连接到三相交流电源,则正弦电流将在初级绕组中流动。电流将在变压器的铁芯中感应出磁通量,该磁通量会随着所施加的电压(以及电流)交替变化而上升和下降,通常取决于电源系统,频率为5060 Hz。

然后,变化的磁通量将在次级绕组中感应出电压,并且如果连接了负载(或者即使绕组短路在一起),也会有电流流过。 初级和次级绕组的匝数比将决定初级电压和次级电压的比值,这就是变频器如此有用的原因。

现在想象一下,我们将绕组卷起来,在它们之间留一个小气隙,然后让次级绕组(现在称为转子)自由移动。 这是感应电动机的基础,如图2所示。图-2 交流感应电动机截面


因此,将三相电源连接到初级绕组(现在称为定子)时,我们像以前一样具有变压器作用,并且电流在转子(次级)绕组中流动。 如上所述,如上所述,转子通常由铁芯内的铸造导体组成,铁芯的两端各有一个短路环。由于这种结构看上去有点像圆形笼子(当然不考虑铁心?。?,因此有时将电动机称为鼠笼电机。 在图2中,导体垂直于该图,短路环未显示。

图-3 典型的电动机结构。

图-3 感应电动机切面图


现在,如果我们有一个磁场和一个电流,我们就会得到一个力,根据弗莱明的左手定律,这将使转子转动,所以我们就有了一个电动机。但是,随着电机的加速,它开始追赶磁场,该磁场实际上以三相电源的频率绕定子旋转-交替-旋转。现在,只要磁场不断变化,我们就能得到变压器的作用。变压器只能与交流电一起使用。因此,如果转子追上电源,则不再有变化的磁场,因此就没有变压器作用,也没有转子电流和转矩了。因此,标准感应电机将始终比供电频率稍慢一些。这种速度差称为滑差。当感应电机加载时,滑差会稍微增加,会得到更大的电流,电机转动带动负载。因此,电机的速度基本上取决于所施加的频率。在简单的感应电机应用中,该速度通常比同步速度(无转矩时)低几个百分点。

将绕组或磁极的数量加倍,可以降低速度。 因此,以5060Hz电源运行的带有一对极的电机(两极电机)将以每秒4858)转或28803480rpm的速度运行。 因此,最常见的四极电机以14401740rpm的速度运行。也有六极和八极电机,在特殊应用中需要使用特殊电机来满足要求。

图-4显示了交流感应电动机的经典转矩/速度关系。

图-4 交流感应电动机的转矩/速度特性


因此,如果要控制电机的速度,则需要改变应用频率。但是,如果我们设法改变频率,则也需要注意电压,因为定子中的励磁电流取决于电压随时间的积分。即正弦波曲线下的面积。 如果降低频率,则正弦波的周期或长度会增加,因此其下方的面积也会增加,从而导致电机中过大的励磁电流。因此,如果我们降低频率,我们还必须按比例降低施加到电动机上的电压。

在下一篇文章中,我们将讨论如何使用变频器。

借助变频器的控制,在现代化工厂中搬运货物既方便又快捷

在上一篇文章中,我们看到交流感应电机的运行速度取决于所施加的频率,但速度略有降低,称为滑差。 为了控制电机速度,我们将需要改变该频率,并控制施加的电压以保持最佳的磁通量或磁场。

几乎所有的变频器都是交流电源供电,使用整流器将其转换为直流,然后使用逆变器将其转换为变频电源。 逆变器是其中的关键部分,因此有时将变频器简称为逆变器。

逆变器和小功率整流器都依赖于现代功率半导体,这些功率半导体可以切换并传导高电压(例如电源电压)和数百安培的电流。 它们还需要功能强大的微处理器来控制它们。 这些组件在过去三十年左右才以合理的价格和可靠性得到广泛应用,因此交流变频器是一种相对较新的工业产品。

它们是如何工作的?

让我们从整流器开始。图-5所示三相整流器由六个二极管组成,分别连接到电容和电阻,电阻作为简单负载。

图-5 带电容器和电阻器负载的三相整流器   

 

二极管仅在一个方向上(在其指向的方向上)导通; 电容器像电池一样储存能量,电阻作为负载。如果将三相电源连接到左侧的输入,我们将开始向电容器中注入电流,并且电压会升高,导致电流流入电阻??梢酝ü桓錾厦娴亩?,电容器/电阻再通过一个下面的二极管由一相到另一相的路径传导。

在稳定状态下,电容器上的电压非常接近输入正弦波电压的峰值。现在,仅当输入电压高于电容器电压时,二极管才会导通。因此,有一个短的电流脉冲依次流过每个二极管,从而导致如图所示,在三相的每相中均具有特征性的“双峰”波形。如果我们使用单相电源,则只需要四个二极管,并且每半个周期将获得一个峰值,因此我们需要一个更大的电容器来保持电压峰值中的间隙。

在单相或三相系统上,这些电流脉冲可能会对电源产生影响,我们将在后面介绍。 但是,我们现在在电容器上有一个相对平滑的直流电压。 如果我们拆下电阻,然后连接逆变器,它看起来就像是变频器(图6)。由于直流部分连接整流器和逆变器,因此直流部分有时称为直流链路。

图-6 变频器功率部分


现在继续, 我们有六个绝缘栅双极晶体管(IGBT)。 这些??榭厮俣确浅??。 它们具有并联的二极管,其原因将变得显而易见。

现在,我们可以导通上下IGBT,并通过电机任何两相连接提供电流回路。 要导通IGBT,我们只需向栅极施加几伏电压(此处未连接)。 然后,IGBT沿箭头方向导通。 根据我们导通的IGBT,我们可以通过电机创建正向或负向电流路径。 因此可以从DC变成AC。

我们不会导通同一组上下两个IGBT,因为这会将直流母线造成短路。相反,如果我们以严格控制的顺序打开和关闭IGBT,则可以在电动机绕组中建立三相电流。如果我们改变打开和关闭IGBT的时间,则可以控制此电流。这是因为电机电流变化不是很快,因此通过增加和减少“接通”时间,我们可以选择在电机中以几乎任何希望的频率建立正弦波电流。 当然,这是我们要控制电机速度的方法。使用相同的技术,我们可以控制有效电压,进而控制磁场。

这种开/关时间控制称为脉冲宽度调制(PWM),在图7中简化显示。 接通和断开六个IGBT的开关为电机提供了电流路径,并允许三相正弦波电流流过,从而以所需的速度旋转电机。

图-7 脉冲宽度调制


如果我们每秒将IGBT开关几千次(通常在4至16kHz之间),我们可以建立一个相当不错的电流波形,如图8所示。


图-8 电机上的电压和电流


注意,输出电压由许多脉冲而不是一个正弦波组成。 电机将电流平滑为锯齿状的正弦波,但电压仍由IGBT的PWM波形组成。 这可能会引起问题,我们将在后面讨论。然而,电机可以接受锯齿状电流,并以所需的速度转动。由于电机功率因数,电机电流与“平均”电压不同步。

那么,逆变器中的二极管在做什么呢? 好吧,电机中的电流不会很快变化,因此,当我们关闭IGBT时,电流需要持续流动,否则会出现问题。 二极管通过接通或换向电流自动提供该电流路径。 因此命名为换向或飞轮二极管。

逆变器非常难以控制-被描述为等待发生的短路,但是现代功率半导体非常坚固,而且快速,强大的数字信号处理器可对通断进行可靠,精确的控制。

顺便说一下,变频器的电源部分都连接到了交流电源,并使用工业三相电源在300V(带有230V AC输入)到600-900V的DC电压下工作。 因此,控制电路,用户界面和电源部分之间的内部隔离至关重要。

在下一篇文章中,我们将研究变频器的实际设计,其中包括?;?,冷却和用户接口等。