變頻驅(qū)動器解釋 | 變頻器基礎知識了解 VFD、其應用及其主要組件

在本文中，我們將了解 VFD 及其應用。我們還將詳細介紹轉(zhuǎn)換器和直流鏈路。最后，我們將介紹 IGBT 模塊，以及 PWM 如何為電機提供交流輸出以實現(xiàn)精確的電機速度控制。

交流電機轉(zhuǎn)速

感應或交流電動機以由電動機本身內(nèi)部的極數(shù)和所提供的功率設定的速率旋轉(zhuǎn)。

頻率（以赫茲為單位）與電機的每分鐘轉(zhuǎn)數(shù) (RPM) 直接相關(guān)。頻率越高，轉(zhuǎn)速越快或發(fā)動機轉(zhuǎn)速越高。

在中國，電力公司提供頻率為 50Hz 的交流電。在此頻率下運行的標準兩極交流電機提供 3000RPM 的標稱轉(zhuǎn)速。

減速

如果應用程序不需要電動機以 3000 RPM 的全速運行（這很常見），則存在一些解決方案：

1：使用機械減速機

它通過增加扭矩以機械方式降低輸出速度——輸出齒輪的齒數(shù)比輸入齒輪的齒數(shù)多。

它們需要潤滑，對振動和噪音很敏感，并且不適用于軸距離較遠的情況。

2：增加更多套極

它降低了速度而不改變它的電力。目前，有一些晶體管系統(tǒng)可以打開和關(guān)閉電機內(nèi)部的磁極。但是，這些系統(tǒng)可能很復雜，并且無法提供精細控制。

3：使用變頻驅(qū)動器 (VFD)

可以對其進行配置和微調(diào)以生成斜坡、頻率和電壓，以便電機根據(jù)負載要求（所需的速度和電壓）運行。

變頻驅(qū)動器的一個重要特點是，隨著給定應用中電機速度要求的變化，驅(qū)動器可以簡單地提高或降低電機的速度以滿足新的運行要求，否則僅使用機械裝置是不可能的。減速器，或晶體管系統(tǒng)添加更多的極。

變頻器應用

VFD 的使用廣泛用于許多工業(yè)和商業(yè)應用。

– 在工業(yè)應用中，VFD 用于控制擠出機、電動起重機、過山車和機械公牛，其中有很多應用！

– 在商業(yè)應用中，VFD 廣泛用于泵中以控制水箱中的流量甚至容積，以及 HVAC 行業(yè)，被認為是節(jié)能環(huán)保技術(shù)。

最終，VFD 會改變提供給交流電機的頻率以控制其速度；使電機能夠平穩(wěn)啟動，并根據(jù)應用需要調(diào)整電機速度。

既然我們知道了為什么以及在何處使用變頻驅(qū)動器，那么讓我們深入了解變頻驅(qū)動器的工作原理。

變頻器(VFD)電路

讓我們看一下這個 VFD 圖：

我們發(fā)現(xiàn)的第一件事（T3 ） 是一個電流互感器，它具有測量進入我們的 VFD 的電流的功能，以便VFD 控制可以比較進入和離開 VFD 的電流- 由 T1 指示的兩個電流互感器測量和 T2。

如果測量的電流不同，VFD 將由于我們所說的接地故障而解除。

六脈沖整流器或轉(zhuǎn)換器

接下來，我們有轉(zhuǎn)換器，也稱為整流器。如果我們展開并查看整流器圖，它會是這樣的：

這被稱為六脈沖整流器或轉(zhuǎn)換器，它是通過使用二極管將三相交流電轉(zhuǎn)換為直流電的地方。

使用液壓系統(tǒng)的類比，那些（六個）二極管可以等同于止回閥。二極管相互連接的形式非常具有意義。

就像止回閥只允許一個方向流動，我們的二極管有電流流動（方向由二極管符號上的箭頭表示）。

電流按二極管圖上箭頭的方向通過二極管，即電流從陽極流向陰極，如下圖所示：

只有當陽極電壓大于陰極電壓時，才會有電流。

因此，當我們將三相交流電連接到轉(zhuǎn)換器時：

– 當 A 相電壓大于 B 相或 C 相電壓時，該二極管打開，允許電流流動，

– 當 B 相大于 A 相時，B 相二極管打開，而 A 相二極管關(guān)閉，

– 對于 C 以及總線負側(cè)的三個二極管也是如此。

這會在每個二極管打開和關(guān)閉時產(chǎn)生六個電流脈沖 。生成的波形將如下所示：

直流母線或直流濾波器和緩沖器

接下來，我們有直流 濾波器和緩沖器，也稱為直流總線。直流母線在圖上只用一個電容和電阻表示，但實際上有各種電容和電阻串聯(lián)和并聯(lián)。

由于電容器未充電，因此它們的阻抗非常低。如果我們要給它們充電，最初的浪涌可能會損壞輸入功率設備或整流器/轉(zhuǎn)換器，以防入口保險絲不會中斷電路。

因此，我們有一個預充電電路。預充電是一種限流電路，可在上電期間減慢總線電容器的充電速率。

此處顯示的預充電電路由以下部分組成：

– 接觸器，

– 一個電阻器，

– 恒溫器。

當我們?yōu)?VFD 通電，而電容器組尚未充電時，電容器開始通過電阻器充電——一旦 VFD 控制器確定直流鏈路已充滿電，它將關(guān)閉觸點，成為電阻最小的路徑為電流。

在接觸器未閉合，而變頻器仍在啟動電機的情況下，流過電阻的電流會增加，導致預充電電阻過熱。然后恒溫器將起作用，并且由于過熱它會解除 VFD。

現(xiàn)在讓我們回到直流總線——它的電阻器功能是分壓，它會保證所有電容器具有相同的電壓。

IGBT

最后，我們有IGBT，這是驅(qū)動輸出的最后一步：直流到交流轉(zhuǎn)換器和我們的 PWM 輸出。

我們知道，最后一步會將直流電轉(zhuǎn)換為交流電，作為脈沖寬度調(diào)制輸出。但是，這是什么意思？那是怎么發(fā)生的？

如果不了解脈沖寬度調(diào)制 (PWM) 是什么，就不可能談論 VFD 和絕緣柵雙極晶體管，也稱為 IGBT。

模擬輸入信號可以通過生成可變寬度脈沖來表示其幅度來進行調(diào)制。簡而言之，PWM 是一種通過數(shù)字輸出控制模擬信號的方法。

要了解 IGBT 在 VFD 中的功能，了解 IGBT 如何單獨工作非常重要。

IGBT是如何工作的？

在最簡單的層面上，絕緣柵雙極晶體管 (IGBT) 是一種開關(guān)，用于在打開時允許功率流動并在關(guān)閉時停止。

然而，重要的是要注意，它們具有每秒打開和關(guān)閉數(shù)千次的能力！

IGBT 是一種固態(tài)器件，這意味著它沒有移動部件。

它不是打開和關(guān)閉物理連接，而是通過向稱為柵極的半導體組件施加電壓來操作，該組件會改變其屬性以創(chuàng)建或阻止電氣路徑。

讓我們仔細看看典型的 IGBT：端子（引腳）代表柵極、集電極和發(fā)射極。

電流沿著由集電極和發(fā)射極組成的電導路徑流動，而柵極控制器件。

這是它的電氣繪圖表示。

IGBT 的行為類似于開關(guān)。正如這個詞本身所暗示的，

– 當施加正電壓時，門將關(guān)閉（打開），允許電流在集電極和發(fā)射極之間流動；

– 如果沒有施加足夠的電壓，柵極保持關(guān)閉（關(guān)閉），不允許任何電流在集電極和發(fā)射極之間流動。

為防止設備關(guān)閉，此電壓在此關(guān)閉狀態(tài)下保持為負。

脈寬調(diào)制信號

現(xiàn)在我們已經(jīng)了解了我們的 IGBT 是如何工作的，讓我們回到 IGBT 在 VFD 中的應用，讓我們將我們的 IGBT 表示為接觸開關(guān)以便更簡單地理解。

頂部 IGBT（在我們的表示中是開關(guān)）位于正直流母線中，而下部 IGBT 位于負直流母線中，因此當頂部開關(guān)之一閉合時，電機相位和電壓變?yōu)檎怠?/p>

另一方面，當下部開關(guān)之一閉合時，電機相位和電壓變?yōu)樨撝怠?/p>

因此，通過控制這些開關(guān)打開和關(guān)閉的速度和順序，我們可以控制信號的相位和頻率：零、負或正。

需要注意的是，VFD 的輸出信號是 PWM 信號，結(jié)果是矩形波形。

該波在 VFD 的運行中至關(guān)重要，因為正是這種可變的電壓和頻率使 VFD 能夠控制電機的速度。

VFD控制處理器程序

VFD 的控制處理器包含一個通常用戶無法訪問的程序，但是，有許多參數(shù)和設置可以調(diào)整和調(diào)整，以便為每個應用程序優(yōu)化 VFD 操作，以滿足特定的電機和驅(qū)動設備規(guī)格和需求。

以下是 VFD 中常見的可調(diào)參數(shù)和設置：

– 可調(diào)：比例、積分、微分 (PID)

– 最小和最大速度

- 限流，等等！

參數(shù)的數(shù)量根據(jù) VFD 的復雜程度而有所不同。它們的范圍可以從 50 到 200 多個參數(shù)！

概括

變頻驅(qū)動器通過改變其電源的頻率和電壓來實現(xiàn)精確的電機速度控制。

變頻驅(qū)動器是用于數(shù)字應用的電機控制器設備，從小型電器到大型壓縮機，等等！

VFD 的主要功能是通過改變電源電壓和頻率來驅(qū)動和控制電機速度和轉(zhuǎn)矩以滿足應用要求。

VFD 控制器內(nèi)部有多個階段：

– 驅(qū)動輸入階段是交流電被饋入逆變器時。

– 對于保護，電流互感器測量和比較進入和離開 VFD 的電流，檢查接地故障；此外，使用預充電電路可防止初始浪涌損壞。

– 在驅(qū)動和驅(qū)動輸出階段，交流電然后通過六脈沖整流器或轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為直流電。

– 該直流電在直流總線中得到緩沖和過濾，其電阻器的功能是分壓并保證所有電容器具有相同的電壓。

– 現(xiàn)在過濾的直流電可以通過IGBT再次轉(zhuǎn)換為交流電，其作用類似于開關(guān)，允許以脈寬調(diào)制輸出的形式控制信號的相位和頻率。

– 最后，在電機和傳動系統(tǒng)階段，此脈沖寬度調(diào)制輸出允許控制電機的速度，從而控制其機械輸出。

VFD 已經(jīng)發(fā)生了巨大的變化。它們已經(jīng)發(fā)展成為微處理器控制器形式的高度復雜的高頻功率器件。

使用 VFD 可實現(xiàn)可預測、更順暢、耐用且高效的操作流程！

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