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變頻器是目前用于電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)的主要工具。這一技術(shù)在西方發(fā)達(dá)國家已經(jīng)非常成熟。在西方發(fā)達(dá)國家已實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化,國內(nèi)變頻技術(shù)的使用也是吸收西方國家的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)。變頻調(diào)速實(shí)現(xiàn)了由機(jī)械調(diào)速到純電氣化的智能調(diào)速的跨越,這種調(diào)試設(shè)備不但降低了能源消耗,而且還保持了機(jī)械調(diào)速的性能。
所有變頻器的工作原理基本相同。其主要原理是三相交流電經(jīng)橋式整流變?yōu)橹绷麟?,通過限流電阻給電容充電飽和時(shí),接觸器吸合,電阻被短接,然后直接充電到變頻器的額定電壓。變頻器的CPU當(dāng)接到啟動(dòng)信號時(shí),發(fā)出觸發(fā)信號,使驅(qū)動(dòng)電路工作觸發(fā)IGBT,將直流電壓變成頻率可調(diào)的三相交流電,驅(qū)動(dòng)電機(jī)。
電壓源型變頻器。電壓源型變頻器是指直流環(huán)節(jié)的儲(chǔ)能元件是電容器的變頻器,原理圖如圖1所示。
圖1 電壓型變頻器
電流型變頻器。電流源型變頻器是指直流環(huán)節(jié)的儲(chǔ)能元件是電感線圈的變頻器,原理圖如圖2所示。
圖2 電流型變頻器
電壓頻率比控制變頻器。電壓頻率比控制是為了得到理想的轉(zhuǎn)矩—速度特性,基于在改變電源頻率進(jìn)行調(diào)速的同時(shí),又要保證電動(dòng)機(jī)的磁通不變的思想而提出的,通用型變頻器基本上都采用這種控制方式。
轉(zhuǎn)差頻率控制變頻器。轉(zhuǎn)差頻率控制方式是對電壓頻率比控制的一種改進(jìn),這種控制需要由安裝在電動(dòng)機(jī)上的速度傳感器檢測出電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速,構(gòu)成速度閉環(huán),速度調(diào)節(jié)器的輸出為轉(zhuǎn)差頻率,而變頻器的輸出頻率則由電動(dòng)機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速與所需轉(zhuǎn)差頻率之和決定。
矢量控制變頻器。矢量控制是一種高性能異步電動(dòng)機(jī)控制方式,是通過矢量坐標(biāo)電路控制電動(dòng)機(jī)定子電流的大小和相位,以便對電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流和轉(zhuǎn)矩電流分別進(jìn)行控制,進(jìn)而達(dá)到控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的目的。無速度傳感器的矢量控制是通過坐標(biāo)變換處理分別對勵(lì)磁電流和轉(zhuǎn)矩電流進(jìn)行控制,然后通過控制電動(dòng)機(jī)定子繞組上的電壓、電流辨識轉(zhuǎn)速以達(dá)到控制勵(lì)磁電流和轉(zhuǎn)矩電流的目的。這種控制方式調(diào)速范圍寬,啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大,工作可靠,操作方便,但計(jì)算比較復(fù)雜,一般需要專門的處理器來進(jìn)行計(jì)算。
直接轉(zhuǎn)矩控制變頻器。直接轉(zhuǎn)矩控制是繼矢量控制變頻調(diào)速技術(shù)之后的一種新型的交流變頻調(diào)速技術(shù)。它是利用空間電壓矢量PWM(SVPWM)通過磁鏈、轉(zhuǎn)矩的直接控制、確定逆變器的開關(guān)狀態(tài)來實(shí)現(xiàn)的。直接轉(zhuǎn)矩控制還可用于普通的PWM控制,實(shí)行開環(huán)或閉環(huán)控制。
恒轉(zhuǎn)矩變頻器。恒轉(zhuǎn)矩變頻器控制的對象具有恒轉(zhuǎn)矩特性,在轉(zhuǎn)速精度及動(dòng)態(tài)性能等方面要求一般不高,當(dāng)用變頻器實(shí)現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速時(shí),必須加大電動(dòng)機(jī)和變頻器的容量,以提高低速轉(zhuǎn)矩。恒轉(zhuǎn)矩變頻器主要應(yīng)用于擠壓機(jī)、攪拌機(jī)、傳送帶、提升機(jī)等。
平方轉(zhuǎn)矩變頻器。平方轉(zhuǎn)矩變頻器控制的對象,在過載能力方面要求較低,由于負(fù)載轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的平方成正比,所以低速運(yùn)行時(shí)負(fù)載較輕,并有節(jié)能的效果。平方轉(zhuǎn)矩變頻器主要應(yīng)用于風(fēng)機(jī)、泵類。
PAM方式。PAM方式的特點(diǎn)是變頻器在改變輸出頻率的同時(shí)也改變了電壓的振幅值。在變頻器中,逆變器負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)輸出頻率,而輸出電壓的調(diào)節(jié)則由相控整流器或直流斬波器通過調(diào)節(jié)直流電壓Ud去實(shí)現(xiàn)。采用相控整流器調(diào)壓時(shí)供電電源的功率因數(shù)隨調(diào)節(jié)深度的增加而變小。采用直流斬波器調(diào)壓時(shí),供電電源的功率因數(shù)在不考慮諧波影響時(shí),功率因數(shù)可以達(dá)到1。
PWM方式。PWM方式的特點(diǎn)是變頻器在改變輸出頻率的同時(shí)也改變了電壓的脈沖占空比。PWM只需控制逆變電路便可實(shí)現(xiàn)。通過改變脈沖寬度來改變輸出電壓幅值,通過改變調(diào)制周期可以控制其輸出頻率。這種方式大大減少了負(fù)載電流中的高次諧波。
IGBT變頻器。由于IGBT開關(guān)頻率高,可構(gòu)成靜音式變頻器,使電動(dòng)機(jī)的噪聲降到接近正常工頻供電時(shí)的水平。電流波形更加正弦化,減小了電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng),且低速轉(zhuǎn)矩大。用于矢量控制時(shí),響應(yīng)更快。比同容量的BJT變頻器體積小,重量輕。
SCR變頻器。SCR變頻器屬于電壓源型,具有不選擇負(fù)載的通用性,在不超過變頻器容量條件下,可以多電動(dòng)機(jī)并聯(lián)運(yùn)行。在確保換流能力足夠的條件下,過負(fù)載能力較強(qiáng)。多重化連接時(shí),既可以改善波形又可以實(shí)現(xiàn)大容量化。
BJT變頻器。與SCR變頻器相比,BJT變頻器不需要換流電路,體積小、重量輕、開關(guān)效率高,適用于高頻變頻和PWM變頻,適用于矢量控制,響應(yīng)較快。
GTO變頻器。與BJT變頻器相比,GTO變頻器的電壓、電流等級高,適合于高壓、大容量應(yīng)用場合。與SCR變頻器相比,開關(guān)頻率高,可進(jìn)行PWM控制,低速特性有很大提高,與SCR變頻器相比,其還具有主回路簡單,體積小,重量輕和效率高的特點(diǎn)。
恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載。變頻器的容量一般根據(jù)電動(dòng)機(jī)的容量來進(jìn)行選擇,一般按照電動(dòng)機(jī)功率的1.1~1.5倍來選擇。
平方轉(zhuǎn)矩負(fù)載。平方轉(zhuǎn)矩負(fù)載一般對變頻器轉(zhuǎn)速精度沒有什么太高要求,因此在選型時(shí)可選用普通型變頻器,通常以性價(jià)比為主要原則,無需選用矢量控制等高精度控制的變頻器。
恒功率負(fù)載。當(dāng)電動(dòng)機(jī)達(dá)到特定速度段時(shí),按恒轉(zhuǎn)矩運(yùn)行;超過特定速度時(shí),按恒功率運(yùn)行。恒功率運(yùn)轉(zhuǎn)主要應(yīng)用于卷揚(yáng)機(jī)、機(jī)床主軸。
最大瞬間電流。變頻器容量選擇的基本原則是:在生產(chǎn)工藝所要求的各種工況下能長期運(yùn)行,最大負(fù)載電流不能超過變頻器的額定電流,大多數(shù)變頻器都規(guī)定為額定電流的150%、1 min[1]。
輸出頻率。變頻器的最高輸出頻率一般有50 Hz、60 Hz、120 Hz、240 Hz或更高。一般 50 Hz/60 Hz 變頻器適合大容量的通用型變頻器。超出工頻的變頻器多為小容量變頻器,由于輸出電壓不變,工頻以上變頻器輸出頻率多為為恒功率特性。
輸出電壓。變頻器輸出電壓可按電動(dòng)機(jī)額定電壓選定。按國家標(biāo)準(zhǔn),輸出電壓可分成220 V系列和400 V系列兩種。
加減速時(shí)間。變頻器加減速時(shí)間是指變頻器達(dá)到目標(biāo)轉(zhuǎn)速或減至最低轉(zhuǎn)速時(shí)所用的時(shí)間,變頻器加減速時(shí)間的長短和輸出電流相關(guān)。一般情況下,變頻器在加減速過程中,變頻器的輸出電流應(yīng)在130%~150%。因此,在變頻器的加減速過程中變頻器的輸出轉(zhuǎn)矩會(huì)增大。
電壓頻率比。電壓頻率比U/f作為變頻器獨(dú)特的輸出特性,表示對于輸出頻率改變的輸出電壓的變化特性,選擇的變頻器具有合適的電壓/頻率比,可以高效率地利用電動(dòng)機(jī)。如控制泵和風(fēng)機(jī)的電壓/頻率比可以節(jié)能[2]。
調(diào)速范圍。根據(jù)系統(tǒng)的要求,選擇的變頻器必須能覆蓋所需要的速度范圍的控制。因此,變頻器的選擇,要根據(jù)實(shí)際情況,做到既能滿足用戶要求,又能保證變頻器整體選擇的經(jīng)濟(jì)性。
運(yùn)行溫度。變頻器的核心部件是整流和逆變,由于整流器和逆變器都是大功率的半導(dǎo)體元件,在工作過程中發(fā)熱量極大。為了保證變頻器的穩(wěn)定運(yùn)行,變頻器運(yùn)行環(huán)境溫度一般要控制在30 ℃以下。如果安裝在控制柜中時(shí),須在控制柜的頂部安裝強(qiáng)制散熱風(fēng)扇,如果安裝在室內(nèi)通風(fēng)不良的場所,須增加空調(diào)散熱。變頻器安裝場所溫度變化不能太大,否則變頻器內(nèi)部容易出現(xiàn)凝露現(xiàn)象,導(dǎo)致內(nèi)部絕緣下降,甚至?xí)l(fā)短路事故[3]。
腐蝕性氣體。變頻器使用環(huán)境如果存在腐蝕性氣體,會(huì)使變頻器內(nèi)部的電路板和連接線受到腐蝕,從而造成控制電路短路、絕緣老化、變頻器非正常停機(jī)等故障。
機(jī)械振動(dòng)和沖擊。變頻器的安裝場所如果長期存在機(jī)械振動(dòng)或容易受到機(jī)械撞擊時(shí),會(huì)引起變頻器內(nèi)部接線松動(dòng),電氣接觸不良。因此高變頻器一般要安裝在遠(yuǎn)離振動(dòng)源的地方,且要提高外殼機(jī)械強(qiáng)度,同時(shí)還應(yīng)采取加裝抗震橡皮墊等防護(hù)措施。
電磁干擾。變頻器在工作中由于整流和逆變的原因,會(huì)產(chǎn)生很多的高次諧波,這些高次諧波會(huì)對周圍的其他電氣設(shè)備造成一定的干擾。因此,變頻器安裝時(shí)應(yīng)采用有效的抗干擾措施,如采用金屬外殼、設(shè)備可靠接地、加裝輸出電抗器、采用專用屏蔽電纜等,確保干擾電壓控制在合理范圍內(nèi)。如果干擾電壓處理不好,往往會(huì)發(fā)生表計(jì)讀數(shù)不準(zhǔn)、指示燈莫名亮、控制單元失靈或損壞等故障。
一般情況下變頻器距離電機(jī)長度越短越好。這樣可有效減少電纜的對地電容。動(dòng)力電纜一般選用變頻專用的六芯屏蔽電纜,控制電纜一般選用雙屏蔽的計(jì)算機(jī)控制電纜。電機(jī)電纜應(yīng)獨(dú)立于其他電纜敷設(shè),電纜長度最長一般不超過500m。避免電機(jī)電纜與其他電纜長距離平行敷設(shè)。變頻器的控制電纜和電源電纜在敷設(shè)過程中盡量避免發(fā)生交叉,若果必須要交叉,則交叉角最好為 90°角左右。變頻器的動(dòng)力電纜和控制電纜要分開敷設(shè),如果一定要在一趟電纜橋架里,那必須在橋架中間加裝金屬隔板。
變頻器的配置一般有輸入電抗器、整流器、濾波器、逆變器、出線電抗器。輸入電抗器的主要功能是為了阻止變頻器在工作過程中產(chǎn)生的諧波通過電源電纜返送到電網(wǎng)中,造成電網(wǎng)諧波含量增加,電能質(zhì)量下降,影響到電網(wǎng)中的其他用電設(shè)備,輸入電抗器的配置一般根據(jù)變頻器的容量大小來選擇;整流器和逆變器是變頻器的主要功率器件,其作用是通過整流和逆變來改變電源的電壓和頻率。濾波器和輸出電抗器的主要作用是降低輸出電流中的高次諧波含量,一般大容量和長輸出線路的變頻器都應(yīng)該安裝濾波器或輸出電抗器。變頻器的主要保護(hù)功能有斷裂、過負(fù)荷、過力矩、欠電壓等,但變頻器的缺相保護(hù)功能一般不太完美,通??梢院蛿嗦菲鞯谋Wo(hù)功能配合使用。
良好的接地是保證變頻器穩(wěn)定運(yùn)行的必要前提,變頻器的接地要求主要有以下幾方面:一是變頻器的接地電阻不能超過規(guī)范要求,通常不要超過4 Ω,接電線應(yīng)牢固可靠;二是變頻器接地線的橫截面積一般要大于4 mm2,接地線的長度一般不超過不宜超過5 m。且不得與其他電氣設(shè)備的接地互相串接。變頻器控制電纜的屏蔽層須一端接地,另一端懸空。
隨著科技的進(jìn)步,微機(jī)控制和人工智能技術(shù)大量的應(yīng)用到工業(yè)生產(chǎn)中,因此未來變頻器的技術(shù)必然會(huì)向微機(jī)自動(dòng)控制和人工智能方向發(fā)展,具體發(fā)展方向如下:采用微機(jī)編碼功能實(shí)現(xiàn)多元化的功能設(shè)置,如:整流和逆變啟動(dòng)、頻率設(shè)置、運(yùn)行方式切換、加減速時(shí)間設(shè)置、轉(zhuǎn)矩設(shè)置、制動(dòng)方式選擇等。利用微機(jī)計(jì)算確定整流、逆變開關(guān)元件的開通和關(guān)斷時(shí)間,使逆變器按輸出標(biāo)準(zhǔn)的正弦波電壓[4]。
通過外部傳感器、內(nèi)部接口電路、微機(jī)計(jì)算機(jī)形成閉環(huán)的調(diào)速控制系統(tǒng),可實(shí)現(xiàn)根據(jù)壓力、流量等外部物理量的變化進(jìn)行自動(dòng)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié),結(jié)合變頻器自身完善的保護(hù)功能,從而形成完整的閉環(huán)自動(dòng)控制系統(tǒng)。
變頻器向智能化發(fā)展,利用人工智能技術(shù)實(shí)現(xiàn)在線自診斷和人機(jī)對話,構(gòu)建故障診斷系統(tǒng),建立強(qiáng)大的數(shù)據(jù)庫,對每一種故障現(xiàn)象進(jìn)行存儲(chǔ)和分析比對,達(dá)到快速準(zhǔn)確診斷故障的目的,而且能在故障發(fā)生前提前預(yù)測發(fā)生故障的可能性,針對性的進(jìn)行預(yù)防性維修。同時(shí)還可以建立變頻器全壽命周期模型,根據(jù)變頻器的不同使用階段自動(dòng)提醒應(yīng)該采取的維護(hù)措施。另外還可以建立變頻器的遠(yuǎn)程維護(hù)專用軟件,與手機(jī)進(jìn)行綁定,通過手機(jī)隨時(shí)觀察變頻器的各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)[4]。
綜上所述,在變頻器的實(shí)際應(yīng)用過程中必須結(jié)合負(fù)載類型、工作環(huán)境、使用要求等選擇合適的變頻器;在安裝調(diào)試過程中要按照變頻器安裝及調(diào)試手冊進(jìn)行安裝;在實(shí)際運(yùn)行維護(hù)過程中嚴(yán)格按照使用說明合理進(jìn)行運(yùn)行維護(hù),才能確保變頻器的高效穩(wěn)定運(yùn)行。