變頻器
一、簡介
變頻器是應(yīng)用變頻技術(shù)與微電子技術(shù)，通過改變電機工作電源頻率方式來控制交流電動機的電力控制設(shè)備。變頻器主要由整流（交流變直流）、濾波、逆變（直流變交流）、制動單元、驅(qū)動單元、檢測單元微處理單元等組成。變頻器靠內(nèi)部IGBT的開斷來調(diào)整輸出電源的電壓和頻率，根據(jù)電機的實際需要來提供其所需要的電源電壓，進而達到節(jié)能、調(diào)速的目的，另外，變頻器還有很多的保護功能，如過流、過壓、過載保護等等。隨著工業(yè)自動化程度的不斷提高，變頻器也得到了非常廣泛的應(yīng)用。
二、工作原理
1、主電路是給異步電動機提供調(diào)壓調(diào)頻電源的電力變換部分，變頻器的主電路大體上可分為兩類：電壓型是將電壓源的直流變換為交流的變頻器，直流回路的濾波是電容。電流型是將電流源的直流變換為交流的變頻器，其直流回路濾波是電感。它由三部分構(gòu)成，將工頻電源變換為直流功率的“整流器”，吸收在變流器和逆變器產(chǎn)生的電壓脈動的“平波回路
2、整流器：大量使用的是二極管的變流器，它把工頻電源變換為直流電源。也可用兩組晶體管變流器構(gòu)成可逆變流器，由于其功率方向可逆，可以進行再生運轉(zhuǎn)。
3、平波回路：在整流器整流后的直流電壓中，含有電源6倍頻率的脈動電壓，此外逆變器產(chǎn)生的脈動電流也使直流電壓變動。為了抑制電壓波動，采用電感和電容吸收脈動電壓（電流）。裝置容量小時，如果電源和主電路構(gòu)成器件有余量，可以省去電感采用簡單的平波回路。
4、逆變器：同整流器相反，逆變器是將直流功率變換為所要求頻率的交流功率，以所確定的時間使6個開關(guān)器件導(dǎo)通、關(guān)斷就可以得到3相交流輸出。以電壓型pwm逆變器為例示出開關(guān)時間和電壓波形。
控制電路是給異步電動機供電（電壓、頻率可調(diào)）的主電路提供控制信號的回路，它有頻率、電壓的“運算電路”，主電路的“電壓、電流檢測電路”，電動機的“速度檢測電路”，將運算電路的控制信號進行放大的“驅(qū)動電路”，以及逆變器和電動機的“保護電路”組成。
（1）運算電路：將外部的速度、轉(zhuǎn)矩等指令同檢測電路的電流、電壓信號進行比較運算，決定逆變器的輸出電壓、頻率。
（2）電壓、電流檢測電路：與主回路電位隔離檢測電壓、電流等。
（3）驅(qū)動電路：驅(qū)動主電路器件的電路。它與控制電路隔離使主電路器件導(dǎo)通、關(guān)斷。
（4）速度檢測電路:以裝在異步電動機軸機上的速度檢測器(tg、plg等)的信號為速度信號，送入運算回路，根據(jù)指令和運算可使電動機按指令速度運轉(zhuǎn)。
（5）保護電路：檢測主電路的電壓、電流等，當(dāng)發(fā)生過載或過電壓等異常時，為了防止逆變器和異步電動機損壞
三、功能作用
變頻節(jié)能：
變頻器節(jié)能主要表現(xiàn)在風(fēng)機、水泵的應(yīng)用上。為了保證生產(chǎn)的可靠性，各種生產(chǎn)機械在設(shè)計配用動力驅(qū)動時，都留有一定的富余量。當(dāng)電機不能在滿負(fù)荷下運行時，除達到動力驅(qū)動要求外，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、泵類等設(shè)備傳統(tǒng)的調(diào)速方法是通過調(diào)節(jié)入口或出口的擋板、閥門開度來調(diào)節(jié)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、閥門的截流過程中。當(dāng)使用變頻調(diào)速時，如果流量要求減小，通過降低泵或風(fēng)機的轉(zhuǎn)速即可滿足要求。
電動機使用變頻器的作用就是為了調(diào)速，并降低啟動電流。為了產(chǎn)生可變的電壓和頻率，該設(shè)備首先要把電源的交流電變換為直流電（DC），這個過程叫整流。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(diào)、電壓可調(diào)的逆變器我們稱為變頻器。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機調(diào)速用，又叫變頻調(diào)速器。對于主要用在儀器儀表的檢測設(shè)備中的波形要求較高的可變頻率逆變器，要對波形進行整理，可以輸出標(biāo)準(zhǔn)的正弦波，叫變頻電源。一般變頻電源是變頻器價格的15－－20倍。由于變頻器設(shè)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(diào)自身耗電算下來也有20-30W,相當(dāng)于一盞長明燈. 變頻器在工頻下運行，具有節(jié)電功能，是事實。但是他的前提條件是：
第一、大功率并且為風(fēng)機/泵類負(fù)載；
第二、裝置本身具有節(jié)電功能（軟件支持）；
這是體現(xiàn)節(jié)電效果的三個條件。除此之外，無所謂節(jié)不節(jié)電，沒有什么意義。如果不加前提條件的說變頻器工頻運行節(jié)能，就是夸大或是商業(yè)炒作。知道了原委，你會巧妙的利用他為你服務(wù)。一定要注意使用場合和使用條件才好正確應(yīng)用，否則就是盲從、輕信而“受騙上當(dāng)”。
功率因數(shù)補償節(jié)能：
無功功率不但增加線損和設(shè)備的發(fā)熱，更主要的是功率因數(shù)的降低導(dǎo)致電網(wǎng)有功功率的降低，大量的無功電能消耗在線路當(dāng)中，設(shè)備使用效率低下，浪費嚴(yán)重，使用變頻調(diào)速裝置后，由于變頻器內(nèi)部濾波電容的作用，從而減少了無功損耗，增加了電網(wǎng)的有功功率。
軟啟動節(jié)能：
1：電機硬啟動對電網(wǎng)造成嚴(yán)重的沖擊，而且還會對電網(wǎng)容量要求過高，啟動時產(chǎn)生的大電流和震動時對擋板和閥門的損害極大，對設(shè)備、管路的使用壽命極為不利。而使用變頻節(jié)能裝置后，利用變頻器的軟啟動功能將使啟動電流從零開始，***大值也不超過額定電流，減輕了對電網(wǎng)的沖擊和對供電容量的要求，延長了設(shè)備和閥門的使用壽命。節(jié)省了設(shè)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機的機械設(shè)備中，電動機在啟動時，電流會比額定高5-6倍的，不但會影響電機的使用壽命而且消耗較多的電量.系統(tǒng)在設(shè)計時在電機選型上會留有一定的余量，電機的速度是固定不變，但在實際使用過程中，有時要以較低或者較高的速度運行，因此進行變頻改造是非常有必要的。變頻器可實現(xiàn)電機軟啟動、補償功率因素
四、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(zhuǎn)換為直流電。
高容量電容：存儲轉(zhuǎn)換后的電能。
逆變器：由大功率開關(guān)晶體管陣列組成電子開關(guān)，將直流電轉(zhuǎn)化成不同頻率、寬度、幅度的方波。
控制器：按設(shè)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(qū)動交流電動機。
五、變頻器的選用
選用變頻器的類型，按照生產(chǎn)機械的類型、調(diào)速范圍、靜態(tài)速度精度、起動轉(zhuǎn)矩的要求，決定選用那種控制方式的變頻器***合適。所謂合適是既要好用，又要經(jīng)濟，以滿足工藝和生產(chǎn)的基本條件和要求。
1.需要控制的電機及變頻器自身
1）電機的極數(shù)。一般電機極數(shù)以不多于(極為宜，否則變頻器容量就要適當(dāng)加大
2）轉(zhuǎn)矩特性、臨界轉(zhuǎn)矩、加速轉(zhuǎn)矩。在同等電機功率情況下，相對于高過載轉(zhuǎn)矩模式，變頻器規(guī)格可以降額選取
3）電磁兼容性。為減少主電源干擾，使用時可在中間電路或變頻器輸入電路中增加電抗器，或安裝前置隔離變壓器。一般當(dāng)電機與變頻器距離超過50m時，應(yīng)在它們中間串入電抗器、濾波器或采用屏蔽防護電纜。
2.變頻器功率的選用
系統(tǒng)效率等于變頻器效率與電動機效率的乘積，只有兩者都處在較高的效率下工作時，則系統(tǒng)效率才較高[1] 。從效率角度出發(fā)，在選用變頻器功率時，要注意以下幾點：
1）變頻器功率值與電動機功率值相當(dāng)時***合適，以利變頻器在高的效率值下運轉(zhuǎn)。
2）在變頻器的功率分級與電動機功率分級不相同時，則變頻器的功率要盡可能接近電動機的功率，但應(yīng)略大于電動機的功率。
3）當(dāng)電動機屬頻繁起動、制動工作或處于重載起動且較頻繁工作時，可選取大一級的變頻器，以利用變頻器長期、安全地運行。
4）經(jīng)測試，電動機實際功率確實有富余，可以考慮選用功率小于電動機功率的變頻器，但要注意瞬時峰值電流是否會造成過電流保護動作。
5）當(dāng)變頻器與電動機功率不相同時，則須***相應(yīng)調(diào)整節(jié)能程序的設(shè)置，以利達到較高的節(jié)能效果。
3變頻器箱體結(jié)構(gòu)的選用
變頻器的箱體結(jié)構(gòu)要與環(huán)境條件相適應(yīng)，即須***考慮溫度、濕度、粉塵、酸堿度、腐蝕性氣體等因素。常見有下列幾種結(jié)構(gòu)類型可供用戶選用：
1）敞開型IPOO型本身無機箱，適用裝在電控箱內(nèi)或電氣室內(nèi)的屏、盤、架上，尤其是多臺變頻器集中使用時，選用這種型式較好，但環(huán)境條件要求較高；
2）封閉型IP20型適用一般用途，可有少量粉塵或少許溫度、濕度的場合；
3）密封型IP45型適用工業(yè)現(xiàn)場條件較差的環(huán)境；
4）密閉型IP65型適用環(huán)境條件差，有水、塵及一定腐蝕性氣體的場合。
4變頻器容量的確定
合理的容量選擇本身就是一種節(jié)能降耗措施。根據(jù)現(xiàn)有資料和經(jīng)驗，比較簡便的方法有三種：
1）電機實際功率確定發(fā)。首先測定電機的實際功率，以此來選用變頻器的容量。
2）公式法。當(dāng)一臺變頻器用于多臺電機時，應(yīng)滿足：至少要考慮一臺電動機啟動電流的影響，以避免變頻器過流跳閘。
3）電機額定電流法變頻器。變頻器容量選定過程，實際上是一個變頻器與電機的***佳匹配過程，***常見、也較安全的是使變頻器的容量大于或等于電機的額定功率，但實際匹配中要考慮電機的實際功率與額定功率相差多少，通常都是設(shè)備所選能力偏大，而實際需要的能力小，因此按電機的實際功率選擇變頻器是合理的，避免選用的變頻器過大，使投資增大。對于輕負(fù)載類，變頻器電流一般應(yīng)按1.1N（N為電動機額定電流）來選擇，或按廠家在產(chǎn)品中標(biāo)明的與變頻器的輸出功率額定值相配套的***大電機功率來選擇。
5主電源
1）電源電壓及波動。應(yīng)特別注意與變頻器低電壓保護整定值相適應(yīng)，因為在實際使用中，電網(wǎng)電壓偏低的可能性較大。
2）主電源頻率波動和諧波干擾。這方面的干擾會增加變頻器系統(tǒng)的熱損耗，導(dǎo)致噪聲增加，輸出降低。
3）變頻器和電機在工作時，自身的功率消耗。在進行系統(tǒng)主電源供電設(shè)計時，兩者的功率消耗因素都應(yīng)考慮進去。
六、發(fā)展方向
1：整個高壓變頻器市場沒有出現(xiàn)持續(xù)的爆發(fā)式的增長，但我國變頻器品牌已經(jīng)涵蓋了幾乎所有領(lǐng)域，而且相對******品牌有性價比優(yōu)勢。內(nèi)資高壓變頻器的市場占比已經(jīng)超過55%.從企業(yè)排名看，合康變頻增長13.2%，市場占比13%，已經(jīng)躋身行業(yè)******的位置；利德華福市場占比12%、西門子占比11%、ABB占比9%、東方日立占比5%.國電四維發(fā)展速度較快，2012年增長44%，行業(yè)占比接近5%.
2：中國中高壓變頻器市場具有廣闊的發(fā)展空間，隨著市場的擴大和用戶端需求的多樣化，國內(nèi)變頻器產(chǎn)品的功能在不斷完善和增加，集成度和系統(tǒng)化越來越高。
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