什么是变频器亚博2021最新版登录|全网首页亚博2021最新版登录|全网首页?

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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亚博2021最新版登录|全网首页亚博2021最新版登录|全网首页。在研究它的工作原理以及如何使用它之前亚博2021最新版登录|全网首页亚博2021最新版登录|全网首页亚博2021最新版登录|全网首页亚博2021最新版登录|全网首页,我们先了解电机控制器的历史以及电机本身的工作原理亚博2021最新版登录|全网首页。

工业应用经常需要控制电动机的速度亚博2021最新版登录|全网首页。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)节约巨大的能源亚博2021最新版登录|全网首页。

在电子控制器出现之前亚博2021最新版登录|全网首页亚博2021最新版登录|全网首页,电机的控制方式多种多样亚博2021最新版登录|全网首页,例如通过使用一系列电阻器控制直流电机上的励磁电流亚博2021最新版登录|全网首页亚博2021最新版登录|全网首页亚博2021最新版登录|全网首页,或使用其他电机亚博2021最新版登录|全网首页亚博2021最新版登录|全网首页亚博2021最新版登录|全网首页。当20世纪50年代第一代功率半导体晶闸管问世时亚博2021最新版登录|全网首页,就可以通过相位控制来控制直流电机的电枢电压,从而控制其速度亚博2021最新版登录|全网首页。这些直流驱动器至今仍在生产和广泛使用亚博2021最新版登录|全网首页。

然而亚博2021最新版登录|全网首页,控制交流感应电机(又称异步电动机)的速度一直是个难题亚博2021最新版登录|全网首页。 直流电机通常有两个绕组(励磁和电枢绕组)以及电刷和换向器亚博2021最新版登录|全网首页,而交流电机有一个简单的固定绕组(定子)和一个转子亚博2021最新版登录|全网首页亚博2021最新版登录|全网首页。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。因此更便宜亚博2021最新版登录|全网首页、更简单亚博2021最新版登录|全网首页、更可靠亚博2021最新版登录|全网首页。这种结构构的电机是工业中使用最多的电机亚博2021最新版登录|全网首页亚博2021最新版登录|全网首页亚博2021最新版登录|全网首页。 那么它们是如何工作的亚博2021最新版登录|全网首页,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亚博2021最新版登录|全网首页亚博2021最新版登录|全网首页,则正弦电流将在初级绕组中流动亚博2021最新版登录|全网首页亚博2021最新版登录|全网首页。电流将在变压器的铁芯中感应出磁通量亚博2021最新版登录|全网首页亚博2021最新版登录|全网首页,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亚博2021最新版登录|全网首页亚博2021最新版登录|全网首页,通常取决于电源系统亚博2021最新版登录|全网首页亚博2021最新版登录|全网首页,频率为5060 Hz亚博2021最新版登录|全网首页。

然后亚博2021最新版登录|全网首页亚博2021最新版登录|全网首页,变化的磁通量将在次级绕组中感应出电压亚博2021最新版登录|全网首页亚博2021最新版登录|全网首页亚博2021最新版登录|全网首页亚博2021最新版登录|全网首页,并且如果连接了负载(或者即使绕组短路在一起)亚博2021最新版登录|全网首页亚博2021最新版登录|全网首页亚博2021最新版登录|全网首页,也会有电流流过亚博2021最新版登录|全网首页亚博2021最新版登录|全网首页亚博2021最新版登录|全网首页。 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亚博2021最新版登录|全网首页亚博2021最新版登录|全网首页,这就是变频器如此有用的原因亚博2021最新版登录|全网首页。

现在想象一下,我们将绕组卷起来亚博2021最新版登录|全网首页亚博2021最新版登录|全网首页,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亚博2021最新版登录|全网首页,如图2所示。图-2 交流感应电动机截面


因此亚博2021最新版登录|全网首页亚博2021最新版登录|全网首页亚博2021最新版登录|全网首页,将三相电源连接到初级绕组(现在称为定子)时亚博2021最新版登录|全网首页,我们像以前一样具有变压器作用亚博2021最新版登录|全网首页亚博2021最新版登录|全网首页,并且电流在转子(次级)绕组中流动亚博2021最新版登录|全网首页。 如上所述亚博2021最新版登录|全网首页亚博2021最新版登录|全网首页,如上所述亚博2021最新版登录|全网首页亚博2021最新版登录|全网首页,转子通常由铁芯内的铸造导体组成亚博2021最新版登录|全网首页,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?亚博2021最新版登录|全网首页。?亚博2021最新版登录|全网首页,因此有时将电动机称为鼠笼电机亚博2021最新版登录|全网首页。 在图2中,导体垂直于该图,短路环未显示亚博2021最新版登录|全网首页亚博2021最新版登录|全网首页。

图-3 典型的电动机结构。

图-3 感应电动机切面图


现在亚博2021最新版登录|全网首页,如果我们有一个磁场和一个电流亚博2021最新版登录|全网首页亚博2021最新版登录|全网首页,我们就会得到一个力亚博2021最新版登录|全网首页,根据弗莱明的左手定律亚博2021最新版登录|全网首页亚博2021最新版登录|全网首页,这将使转子转动亚博2021最新版登录|全网首页,所以我们就有了一个电动机。但是亚博2021最新版登录|全网首页,随着电机的加速亚博2021最新版登录|全网首页,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-旋转亚博2021最新版登录|全网首页。现在亚博2021最新版登录|全网首页,只要磁场不断变化亚博2021最新版登录|全网首页亚博2021最新版登录|全网首页,我们就能得到变压器的作用亚博2021最新版登录|全网首页亚博2021最新版登录|全网首页。变压器只能与交流电一起使用亚博2021最新版登录|全网首页。因此,如果转子追上电源,则不再有变化的磁场亚博2021最新版登录|全网首页,因此就没有变压器作用亚博2021最新版登录|全网首页亚博2021最新版登录|全网首页,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亚博2021最新版登录|全网首页亚博2021最新版登录|全网首页亚博2021最新版登录|全网首页。这种速度差称为滑差亚博2021最新版登录|全网首页亚博2021最新版登录|全网首页亚博2021最新版登录|全网首页。当感应电机加载时,滑差会稍微增加,会得到更大的电流,电机转动带动负载亚博2021最新版登录|全网首页亚博2021最新版登录|全网首页。因此,电机的速度基本上取决于所施加的频率亚博2021最新版登录|全网首页。在简单的感应电机应用中亚博2021最新版登录|全网首页,该速度通常比同步速度(无转矩时)低几个百分点亚博2021最新版登录|全网首页。

将绕组或磁极的数量加倍亚博2021最新版登录|全网首页,可以降低速度亚博2021最新版登录|全网首页。 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的速度运行亚博2021最新版登录|全网首页亚博2021最新版登录|全网首页亚博2021最新版登录|全网首页。 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亚博2021最新版登录|全网首页,在特殊应用中需要使用特殊电机来满足要求亚博2021最新版登录|全网首页亚博2021最新版登录|全网首页亚博2021最新版登录|全网首页亚博2021最新版登录|全网首页。

图-4显示了交流感应电动机的经典转矩/速度关系亚博2021最新版登录|全网首页。

图-4 交流感应电动机的转矩/速度特性


因此亚博2021最新版登录|全网首页,如果要控制电机的速度亚博2021最新版登录|全网首页,则需要改变应用频率亚博2021最新版登录|全网首页亚博2021最新版登录|全网首页。但是亚博2021最新版登录|全网首页,如果我们设法改变频率亚博2021最新版登录|全网首页亚博2021最新版登录|全网首页亚博2021最新版登录|全网首页,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亚博2021最新版登录|全网首页。即正弦波曲线下的面积亚博2021最新版登录|全网首页。 如果降低频率亚博2021最新版登录|全网首页亚博2021最新版登录|全网首页,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亚博2021最新版登录|全网首页亚博2021最新版登录|全网首页,从而导致电机中过大的励磁电流。因此,如果我们降低频率亚博2021最新版登录|全网首页亚博2021最新版登录|全网首页亚博2021最新版登录|全网首页,我们还必须按比例降低施加到电动机上的电压亚博2021最新版登录|全网首页。

在下一篇文章中亚博2021最新版登录|全网首页,我们将讨论如何使用变频器亚博2021最新版登录|全网首页。

借助变频器的控制亚博2021最新版登录|全网首页,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亚博2021最新版登录|全网首页亚博2021最新版登录|全网首页,但速度略有降低亚博2021最新版登录|全网首页亚博2021最新版登录|全网首页,称为滑差亚博2021最新版登录|全网首页亚博2021最新版登录|全网首页。 为了控制电机速度,我们将需要改变该频率亚博2021最新版登录|全网首页亚博2021最新版登录|全网首页亚博2021最新版登录|全网首页,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亚博2021最新版登录|全网首页亚博2021最新版登录|全网首页。

逆变器和小功率整流器都依赖于现代功率半导体亚博2021最新版登录|全网首页,这些功率半导体可以切换并传导高电压(例如电源电压)和数百安培的电流亚博2021最新版登录|全网首页。 它们还需要功能强大的微处理器来控制它们亚博2021最新版登录|全网首页。 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亚博2021最新版登录|全网首页亚博2021最新版登录|全网首页。

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亚博2021最新版登录|全网首页,分别连接到电容和电阻亚博2021最新版登录|全网首页亚博2021最新版登录|全网首页,电阻作为简单负载亚博2021最新版登录|全网首页亚博2021最新版登录|全网首页。

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亚博2021最新版登录|全网首页,电阻作为负载亚博2021最新版登录|全网首页亚博2021最新版登录|全网首页亚博2021最新版登录|全网首页。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,并且电压会升高亚博2021最新版登录|全网首页,导致电流流入电阻亚博2021最新版登录|全网首页亚博2021最新版登录|全网首页⊙遣?021最新版登录|全网首页?梢酝ü桓錾厦娴亩?亚博2021最新版登录|全网首页,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亚博2021最新版登录|全网首页亚博2021最新版登录|全网首页亚博2021最新版登录|全网首页。

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亚博2021最新版登录|全网首页,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亚博2021最新版登录|全网首页,从而导致如图所示亚博2021最新版登录|全网首页,在三相的每相中均具有特征性的“双峰”波形亚博2021最新版登录|全网首页。如果我们使用单相电源亚博2021最新版登录|全网首页亚博2021最新版登录|全网首页,则只需要四个二极管亚博2021最新版登录|全网首页,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亚博2021最新版登录|全网首页。

在单相或三相系统上亚博2021最新版登录|全网首页,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亚博2021最新版登录|全网首页。 如果我们拆下电阻亚博2021最新版登录|全网首页,然后连接逆变器亚博2021最新版登录|全网首页,它看起来就像是变频器(图6)亚博2021最新版登录|全网首页亚博2021最新版登录|全网首页。由于直流部分连接整流器和逆变器亚博2021最新版登录|全网首页,因此直流部分有时称为直流链路亚博2021最新版登录|全网首页亚博2021最新版登录|全网首页亚博2021最新版登录|全网首页。

图-6 变频器功率部分


现在继续亚博2021最新版登录|全网首页亚博2021最新版登录|全网首页, 我们有六个绝缘栅双极晶体管(IGBT)亚博2021最新版登录|全网首页亚博2021最新版登录|全网首页。 这些难遣?021最新版登录|全网首页亚博2021最新版登录|全网首页?榭厮俣确浅亚博2021最新版登录|全网首页亚博2021最新版登录|全网首页?煅遣?021最新版登录|全网首页。 它们具有并联的二极管,其原因将变得显而易见。

现在亚博2021最新版登录|全网首页,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亚博2021最新版登录|全网首页亚博2021最新版登录|全网首页。 要导通IGBT亚博2021最新版登录|全网首页,我们只需向栅极施加几伏电压(此处未连接)亚博2021最新版登录|全网首页。 然后,IGBT沿箭头方向导通亚博2021最新版登录|全网首页。 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亚博2021最新版登录|全网首页。 因此可以从DC变成AC。

我们不会导通同一组上下两个IGBT亚博2021最新版登录|全网首页,因为这会将直流母线造成短路。相反亚博2021最新版登录|全网首页,如果我们以严格控制的顺序打开和关闭IGBT亚博2021最新版登录|全网首页,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的时间亚博2021最新版登录|全网首页,则可以控制此电流亚博2021最新版登录|全网首页。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”时间亚博2021最新版登录|全网首页亚博2021最新版登录|全网首页,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亚博2021最新版登录|全网首页。 当然亚博2021最新版登录|全网首页,这是我们要控制电机速度的方法亚博2021最新版登录|全网首页。使用相同的技术,我们可以控制有效电压亚博2021最新版登录|全网首页亚博2021最新版登录|全网首页,进而控制磁场亚博2021最新版登录|全网首页亚博2021最新版登录|全网首页亚博2021最新版登录|全网首页。

这种开/关时间控制称为脉冲宽度调制(PWM)亚博2021最新版登录|全网首页亚博2021最新版登录|全网首页亚博2021最新版登录|全网首页亚博2021最新版登录|全网首页,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亚博2021最新版登录|全网首页,并允许三相正弦波电流流过亚博2021最新版登录|全网首页,从而以所需的速度旋转电机亚博2021最新版登录|全网首页。

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)亚博2021最新版登录|全网首页,我们可以建立一个相当不错的电流波形亚博2021最新版登录|全网首页亚博2021最新版登录|全网首页,如图8所示亚博2021最新版登录|全网首页亚博2021最新版登录|全网首页。


图-8 电机上的电压和电流


注意亚博2021最新版登录|全网首页,输出电压由许多脉冲而不是一个正弦波组成亚博2021最新版登录|全网首页。 电机将电流平滑为锯齿状的正弦波亚博2021最新版登录|全网首页亚博2021最新版登录|全网首页,但电压仍由IGBT的PWM波形组成。 这可能会引起问题亚博2021最新版登录|全网首页亚博2021最新版登录|全网首页亚博2021最新版登录|全网首页,我们将在后面讨论。然而亚博2021最新版登录|全网首页,电机可以接受锯齿状电流,并以所需的速度转动亚博2021最新版登录|全网首页。由于电机功率因数亚博2021最新版登录|全网首页,电机电流与“平均”电压不同步。

那么亚博2021最新版登录|全网首页亚博2021最新版登录|全网首页亚博2021最新版登录|全网首页,逆变器中的二极管在做什么呢亚博2021最新版登录|全网首页亚博2021最新版登录|全网首页? 好吧,电机中的电流不会很快变化亚博2021最新版登录|全网首页亚博2021最新版登录|全网首页亚博2021最新版登录|全网首页,因此,当我们关闭IGBT时亚博2021最新版登录|全网首页,电流需要持续流动亚博2021最新版登录|全网首页,否则会出现问题亚博2021最新版登录|全网首页。 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亚博2021最新版登录|全网首页亚博2021最新版登录|全网首页亚博2021最新版登录|全网首页。

逆变器非常难以控制-被描述为等待发生的短路亚博2021最新版登录|全网首页,但是现代功率半导体非常坚固亚博2021最新版登录|全网首页,而且快速亚博2021最新版登录|全网首页,强大的数字信号处理器可对通断进行可靠亚博2021最新版登录|全网首页,精确的控制亚博2021最新版登录|全网首页亚博2021最新版登录|全网首页。

顺便说一下亚博2021最新版登录|全网首页亚博2021最新版登录|全网首页,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。 因此亚博2021最新版登录|全网首页亚博2021最新版登录|全网首页,控制电路亚博2021最新版登录|全网首页亚博2021最新版登录|全网首页,用户界面和电源部分之间的内部隔离至关重要。

在下一篇文章中亚博2021最新版登录|全网首页,我们将研究变频器的实际设计,其中包括毖遣?021最新版登录|全网首页;ぱ遣?021最新版登录|全网首页,冷却和用户接口等亚博2021最新版登录|全网首页亚博2021最新版登录|全网首页。