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变频器的分类、作用及工作原理

2017年03月20日 18:27 次阅读

变频器(Variable-frequency Drive,VFD)是应用变频技术与微电子技术,通过改变电机工作电源频率方式来控制交流电动机的电力控制设备。变频器主要由整流(交流变直流)、滤波、逆变(直流变交流)、制动单元、驱动单元、检测单元微处理单元等组成。变频器靠内部IGBT的开断来调整输出电源的电压和频率,根据电机的实际需要来提供其所需要的电源电压,进而达到节能、调速的目的,另外,变频器还有很多的保护功能,如过流、过压、过载保护等等。随着工业自动化程度的不断提高,变频器也得到了非常广泛的应用。

它是把工频电源(50Hz或60Hz)变换成各种频率的交流电源,以实现电机的变速运行的设备,其中控制电路完成对主电路的控制,整流电路将交流电变换成直流电,直流中间电路对整流电路的输出进行平滑滤波,逆变电路将直流电再逆成交流电。对于如矢量控制变频器这种需要大量运算的变频器来说,有时还需要一个进行转矩计算的CPU以及一些相应的电路。变频调速是通过改变电机定子绕组供电的频率来达到调速的目的。

变频器的分类

变频器的分类方法有多种,按照主电路工作方式分类,可以分为电压型变频器和电流型变频器;按照开关方式分类,可以分为PAM控制变频器、PWM控制变频器和高载频PWM控制变频器;按照工作原理分类,可以分为V/f控制变频器、转差频率控制变频器和矢量控制变频器等;按照用途分类,可以分为通用变频器、高性能专用变频器、高频变频器、单相变频器和三相变频器等。

VVVF:改变电压、改变频率 CVCF:恒电压、恒频率。各国使用的交流供电电源,无论是用于家庭还是用于工厂,其电压和频率均为400V/50Hz或200V/60Hz(50Hz),等等。通常,把电压和频率固定不变的交流电变换为电压或频率可变的交流电的装置称作“变频器”。为了产生可变的电压和频率,该设备首先要把电源的交流电变换为直流电(DC)。

用于电机控制的变频器,既可以改变电压,又可以改变频率。

变频器的工作原理

我们知道,交流电动机的同步转速表达式位:

n=60 f(1-s)/p (1),式中:

n———异步电动机的转速;

f———异步电动机的频率;

s———电动机转差率;

p———电动机极对数。

由式(1)可知,转速n与频率f成正比,只要改变频率f即可改变电动机的转速,当频率f在0~50Hz的范围内变化时,电动机转速调节范围非常宽。变频器就是通过改变电动机电源频率实现速度调节的,是一种理想的高效率、高性能的调速手段。

变频器接线图:

变频器控制方式

低压通用变频输出电压为380~650V,输出功率为0.75~400kW,工作频率为0~400Hz,它的主电路都采用交—直—交电路。其控制方式经历了以下四代。

1U/f=C的正弦脉宽调制(SPWM)控制方式

其特点是控制电路结构简单、成本较低,机械特性硬度也较好,能够满足一般传动的平滑调速要求,已在产业的各个领域得到广泛应用。但是,这种控制方式在低频时,由于输出电压较低,转矩受定子电阻压降的影响比较显著,使输出最大转矩减小。另外,其机械特性终究没有直流电动机硬,动态转矩能力和静态调速性能都还不尽如人意,且系统性能不高、控制曲线会随负载的变化而变化,转矩响应慢、电机转矩利用率不高,低速时因定子电阻和逆变器死区效应的存在而性能下降,稳定性变差等。因此人们又研究出矢量控制变频调速。

电压空间矢量(SVPWM)控制方式

它是以三相波形整体生成效果为前提,以逼近电机气隙的理想圆形旋转磁场轨迹为目的,一次生成三相调制波形,以内切多边形逼近圆的方式进行控制的。经实践使用后又有所改进,即引入频率补偿,能消除速度控制的误差;通过反馈估算磁链幅值,消除低速时定子电阻的影响;将输出电压、电流闭环,以提高动态的精度和稳定度。但控制电路环节较多,且没有引入转矩的调节,所以系统性能没有得到根本改善。

矢量控制(VC)方式

矢量控制变频调速的做法是将异步电动机在三相坐标系下的定子电流Ia、Ib、Ic、通过三相-二相变换,等效成两相静止坐标系下的交流电流Ia1Ib1,再通过按转子磁场定向旋转变换,等效成同步旋转坐标系下的直流电流Im1、It1(Im1相当于直流电动机的励磁电流;It1相当于与转矩成正比的电枢电流),然后模仿直流电动机的控制方法,求得直流电动机的控制量,经过相应的坐标反变换,实现对异步电动机的控制。其实质是将交流电动机等效为直流电动机,分别对速度,磁场两个分量进行独立控制。通过控制转子磁链,然后分解定子电流而获得转矩和磁场两个分量,经坐标变换,实现正交或解耦控制。矢量控制方法的提出具有划时代的意义。然而在实际应用中,由于转子磁链难以准确观测,系统特性受电动机参数的影响较大,且在等效直流电动机控制过程中所用矢量旋转变换较复杂,使得实际的控制效果难以达到理想分析的结果。

直接转矩控制(DTC)方式

1985年,德国鲁尔大学的DePenbrock教授首次提出了直接转矩控制变频技术。该技术在很大程度上解决了上述矢量控制的不足,并以新颖的控制思想、简洁明了的系统结构、优良的动静态性能得到了迅速发展。目前,该技术已成功地应用在电力《/a》机车牵引的大功率交流传动上。 直接转矩控制直接在定子坐标系下分析交流电动机的数学模型,控制电动机的磁链和转矩。它不需要将交流电动机等效为直流电动机,因而省去了矢量旋转变换中的许多复杂计算;它不需要模仿直流电动机的控制,也不需要为解耦而简化交流电动机的数学模型。

矩阵式交—交控制方式

VVVF变频、矢量控制变频、直接转矩控制变频都是交—直—交变频中的一种。其共同缺点是输入功率因数低,谐波电流大,直流电路需要大的储能电容,再生能量又不能反馈回电网,即不能进行四象限运行。为此,矩阵式交—交变频应运而生。由于矩阵式交—交变频省去了中间直流环节,从而省去了体积大、价格贵的电解电容。它能实现功率因数为l,输入电流为正弦且能四象限运行,系统的功率密度大。该技术目前虽尚未成熟,但仍吸引着众多的学者深入研究。其实质不是间接的控制电流、磁链等量,而是把转矩直接作为被控制量来实现的。具体方法是:

——控制定子磁链引入定子磁链观测器,实现无速度传感器方式;

——自动识别(ID)依靠精确的电机数学模型,对电机参数自动识别;

——算出实际值对应定子阻抗、互感、磁饱和因素、惯量等算出实际的转矩、定子磁链、转子速度进行实时控制;

——实现Band—Band控制按磁链和转矩的Band—Band控制产生PWM信号,对逆变器开关状态进行控制。

矩阵式交—交变频具有快速的转矩响应(<2ms),很高的速度精度(±2%,无PG反馈),高转矩精度(<+3%);同时还具有较高的起动转矩及高转矩精度,尤其在低速时(包括0速度时),可输出150%~200%转矩。

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发表于 2018-02-21 12:27 227次阅读
SMT的cpu是如何实现的?

咦!?怎么没有专门的计算机硬件设计的板块和cpu设计的板块?

发表于 2018-02-21 12:24 402次阅读
咦!?怎么没有专门的计算机硬件设计的板块和cpu设计的板块?

CPU的核心数、线程数的关系和区别

核心又称为内核,是CPU最重要的组成部分。CPU中心那块隆起的芯片就是核心,是由单晶硅以一定的生产工...

发表于 2018-02-12 10:42 805次阅读
CPU的核心数、线程数的关系和区别

cpu线程多有什么好处

中央处理器主要包括运算器和高速缓冲存储器及实现它们之间联系的数据、控制及状态的总线。它与内部存储器和...

发表于 2018-02-12 10:30 390次阅读
cpu线程多有什么好处

为什么变频器逆变输出模块损坏了?

发表于 2018-02-11 14:29 382次阅读
为什么变频器逆变输出模块损坏了?

PLC与ABB变频器之间的现场总线通讯技术

Profibus是目前工控系统中最成功的现场总线之一,得到了广泛的应用。它是不依赖于生产厂家的、开放...

发表于 2018-02-08 20:45 263次阅读
PLC与ABB变频器之间的现场总线通讯技术

西门子变频器更换主板后怎样重新设置参数

先将变频器菜单P0003用户访问级级别为3并确认,然后再将参数调到r200,并记下r200的数值,再...

发表于 2018-02-08 15:23 1298次阅读
西门子变频器更换主板后怎样重新设置参数

交直交变频器对比交交变频器的优点分析

事实是存在不需要整流单元的变频器,就是所谓的交-交变频器。但是市场上绝大部分都是交-直-交变频器,也...

发表于 2018-02-08 15:10 1175次阅读
交直交变频器对比交交变频器的优点分析

PLC、变频器接线图大全

本文涵盖PLC系统的IO接线图、PLC接线图、变频器接线图、PLC外部接线图、三菱PLC接线图等图解...

发表于 2018-02-07 18:21 1242次阅读
PLC、变频器接线图大全

如何做好现场仪表选型,避免误区

现场仪表分为两大类: 检测仪表和执行器。 其中检测仪表包括:温度检测仪表、 压力检测仪表、 流量检测...

发表于 2018-02-07 15:45 747次阅读
如何做好现场仪表选型,避免误区

主机的电源有那几种尺寸_atx电源尺寸及相关介绍

电脑电源是把220V交流电,转换成直流电,并专门为电脑配件如CPU、主板、硬盘、内存条、显卡、光盘驱...

发表于 2018-02-07 11:43 292次阅读
主机的电源有那几种尺寸_atx电源尺寸及相关介绍

CPU如何操作内存

发表于 2018-02-07 10:54 468次阅读
CPU如何操作内存

修复现场PLC损坏的方法解析

首先,要确认:原PLC的某些块的配置中,在“防拷贝保护”(Copy protection)区域,是否...

发表于 2018-02-06 17:57 1137次阅读
修复现场PLC损坏的方法解析

“Shapesong”是什么?如何利用CPU制作...

虚拟现实是一种更为自然的用户界面,我们期望VR中的内容和体验能够足够自然。当期望无法得到满足时,真实...

发表于 2018-02-06 12:07 197次阅读
“Shapesong”是什么?如何利用CPU制作...

FPGA在边缘计算方面的应用

提起计算速度,我们首先能想到的是云计算。云计算有数不清的好处,例如计算快,计算数据的量大,等等。但智...

发表于 2018-02-06 11:42 1396次阅读
FPGA在边缘计算方面的应用

解析80C51单片机中的cpu、存储器配置以及并...

单片机按存储结构可分为二类:一类是哈佛结构,另一类是普林斯顿结构。 ①哈佛结构所谓哈佛结构是指...

发表于 2018-02-06 09:02 1888次阅读
解析80C51单片机中的cpu、存储器配置以及并...

GPU/FPGA脱颖而出,CPU/DSP还有哪些...

2017年12月,IBM推出首个为AI而生的服务器CPU POWER9,旨在为数据密集型人工智能工作...

发表于 2018-02-05 20:36 249次阅读
GPU/FPGA脱颖而出,CPU/DSP还有哪些...

分享一些单片机的开发经验

做AT89C5X(51,52,55等等)的时间最长,知道的可能多些,主要谈些实际应用中的经验与教训。...

发表于 2018-02-05 11:04 1101次阅读
分享一些单片机的开发经验

深度剖析基于块层的组成“request层”

现在,"request层"并存着两种模型:单队列(single-queue) 和 多队列(multi...

发表于 2018-02-03 16:29 876次阅读
深度剖析基于块层的组成“request层”

站在CPU 的角度看这个世界,说说到底它们有多慢

最为我们熟知的关于计算机不同组件速度差异的图表,是下面这种金字塔形式:越往上速度越快,容量越小,而价...

发表于 2018-02-03 16:16 1146次阅读
站在CPU 的角度看这个世界,说说到底它们有多慢

基于统一计算架构技术的视频显示系统设计

近年来随着大屏幕显示技术在各领域应用的逐步深入,市场已经不满足单一的影片展示,更多的转向了对互动性更...

发表于 2018-02-03 16:00 186次阅读
基于统一计算架构技术的视频显示系统设计

改进一个可实现多任务操作电表的代码程序

2002年初,笔者着手写一个IC卡预付费电表的工作程序,该电表使用Philips公司的8位51扩展型...

发表于 2018-02-02 17:19 1443次阅读
改进一个可实现多任务操作电表的代码程序

解析GPU与CPU设计目的区别以及使用GPU的两...

GPU 是并行编程模型,和CPU的串行编程模型完全不同,导致很多CPU 上优秀的算法都无法直接映射到...

发表于 2018-02-02 16:38 1109次阅读
解析GPU与CPU设计目的区别以及使用GPU的两...

简单解析GPU和CPU在并行计算方面的5个不同

1任务数量CPU 适合比较少量的任务,而 GPU 则适合做大量的任务。

发表于 2018-02-02 15:54 928次阅读
简单解析GPU和CPU在并行计算方面的5个不同

对MMU和页表工作机制的简单评析

对于一个有MMU的CPU而言,MMU开启后,CPU是这样寻址的:CPU任何时候,一切时候,发出的地址...

发表于 2018-02-02 14:08 558次阅读
对MMU和页表工作机制的简单评析

变频器接电位器怎么接_变频器电位器接线图_变频器...

有些产品设计需求电位器与变频器连接,我们在操作变频器外接电位器的时候,应当严格按变频器的说明书来进行...

发表于 2018-02-01 15:26 1017次阅读
变频器接电位器怎么接_变频器电位器接线图_变频器...

国产CPU到底什么水平?让龙芯总裁胡伟武给你交交底

发表于 2018-02-01 08:20 657次阅读
国产CPU到底什么水平?让龙芯总裁胡伟武给你交交底