變頻驅(qū)動(dòng)器解釋 | 變頻器基礎(chǔ)知識(shí)了解 VFD、其應(yīng)用及其主要組件

在本文中，我們將了解 VFD 及其應(yīng)用。我們還將詳細(xì)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(jī)提供交流輸出以實(shí)現(xiàn)精確的電機(jī)速度控制。

交流電機(jī)轉(zhuǎn)速

感應(yīng)或交流電動(dòng)機(jī)以由電動(dòng)機(jī)本身內(nèi)部的極數(shù)和所提供的功率設(shè)定的速率旋轉(zhuǎn)。

頻率（以赫茲為單位）與電機(jī)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(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速越高。

在中國(guó)，電力公司提供頻率為 50Hz 的交流電。在此頻率下運(yùn)行的標(biāo)準(zhǔn)兩極交流電機(jī)提供 3000RPM 的標(biāo)稱轉(zhuǎn)速。

減速

如果應(yīng)用程序不需要電動(dòng)機(jī)以 3000 RPM 的全速運(yùn)行（這很常見），則存在一些解決方案：

1：使用機(jī)械減速機(jī)

它通過增加扭矩以機(jī)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(rùn)滑，對(duì)振動(dòng)和噪音很敏感，并且不適用于軸距離較遠(yuǎn)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(jī)內(nèi)部的磁極。但是，這些系統(tǒng)可能很復(fù)雜，并且無(wú)法提供精細(xì)控制。

3：使用變頻驅(qū)動(dòng)器 (VFD)

可以對(duì)其進(jìn)行配置和微調(diào)以生成斜坡、頻率和電壓，以便電機(jī)根據(jù)負(fù)載要求（所需的速度和電壓）運(yùn)行。

變頻驅(qū)動(dòng)器的一個(gè)重要特點(diǎn)是，隨著給定應(yīng)用中電機(jī)速度要求的變化，驅(qū)動(dòng)器可以簡(jiǎn)單地提高或降低電機(jī)的速度以滿足新的運(yùn)行要求，否則僅使用機(jī)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(yīng)用

VFD 的使用廣泛用于許多工業(yè)和商業(yè)應(yīng)用。

– 在工業(yè)應(yīng)用中，VFD 用于控制擠出機(jī)、電動(dòng)起重機(jī)、過山車和機(jī)械公牛，其中有很多應(yīng)用！

– 在商業(yè)應(yīng)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(rèn)為是節(jié)能環(huán)保技術(shù)。

最終，VFD 會(huì)改變提供給交流電機(jī)的頻率以控制其速度；使電機(jī)能夠平穩(wěn)啟動(dòng)，并根據(jù)應(yīng)用需要調(diào)整電機(jī)速度。

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

變頻器(VFD)電路

讓我們看一下這個(gè) VFD 圖：

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

如果測(cè)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(lái)，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(huì)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(gè)）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(gè)方向流動(dòng)，我們的二極管有電流流動(dòng)（方向由二極管符號(hào)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(yáng)極流向陰極，如下圖所示：

只有當(dāng)陽(yáng)極電壓大于陰極電壓時(shí)，才會(huì)有電流。

因此，當(dāng)我們將三相交流電連接到轉(zhuǎn)換器時(shí)：

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

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

– 對(duì)于 C 以及總線負(fù)側(cè)的三個(gè)二極管也是如此。

這會(huì)在每個(gè)二極管打開和關(guān)閉時(shí)產(chǎn)生六個(gè)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(lái)，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(gè)電容和電阻表示，但實(shí)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(huì)損壞輸入功率設(shè)備或整流器/轉(zhuǎn)換器，以防入口保險(xiǎn)絲不會(huì)中斷電路。

因此，我們有一個(gè)預(yù)充電電路。預(yù)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(yù)充電電路由以下部分組成：

– 接觸器，

– 一個(gè)電阻器，

– 恒溫器。

當(dāng)我們?yōu)?VFD 通電，而電容器組尚未充電時(shí)，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(diǎn)，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(dòng)電機(jī)的情況下，流過電阻的電流會(huì)增加，導(dǎo)致預(yù)充電電阻過熱。然后恒溫器將起作用，并且由于過熱它會(huì)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(huì)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(dòng)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(huì)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?wù)?VFD 和絕緣柵雙極晶體管，也稱為 IGBT。

模擬輸入信號(hào)可以通過生成可變寬度脈沖來(lái)表示其幅度來(lái)進(jìn)行調(diào)制。簡(jiǎn)而言之，PWM 是一種通過數(shù)字輸出控制模擬信號(hào)的方法。

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

IGBT是如何工作的？

在最簡(jiǎn)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(shí)允許功率流動(dòng)并在關(guān)閉時(shí)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(dòng)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(dǎo)體組件施加電壓來(lái)操作，該組件會(huì)改變其屬性以創(chuàng)建或阻止電氣路徑。

讓我們仔細(xì)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(dǎo)路徑流動(dòng)，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(gè)詞本身所暗示的，

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

– 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(dòng)。

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

脈寬調(diào)制信號(hào)

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(yīng)用，讓我們將我們的 IGBT 表示為接觸開關(guān)以便更簡(jiǎn)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(fù)直流母線中，因此當(dāng)頂部開關(guān)之一閉合時(shí)，電機(jī)相位和電壓變?yōu)檎怠?/p>

另一方面，當(dāng)下部開關(guān)之一閉合時(shí)，電機(jī)相位和電壓變?yōu)樨?fù)值。

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(hào)的相位和頻率：零、負(fù)或正。

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

該波在 VFD 的運(yùn)行中至關(guān)重要，因?yàn)檎沁@種可變的電壓和頻率使 VFD 能夠控制電機(jī)的速度。

VFD控制處理器程序

VFD 的控制處理器包含一個(gè)通常用戶無(wú)法訪問的程序，但是，有許多參數(shù)和設(shè)置可以調(diào)整和調(diào)整，以便為每個(gè)應(yīng)用程序優(yōu)化 VFD 操作，以滿足特定的電機(jī)和驅(qū)動(dòng)設(shè)備規(guī)格和需求。

以下是 VFD 中常見的可調(diào)參數(shù)和設(shè)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(fù)雜程度而有所不同。它們的范圍可以從 50 到 200 多個(gè)參數(shù)！

概括

變頻驅(qū)動(dòng)器通過改變其電源的頻率和電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)精確的電機(jī)速度控制。

變頻驅(qū)動(dòng)器是用于數(shù)字應(yīng)用的電機(jī)控制器設(shè)備，從小型電器到大型壓縮機(jī)，等等！

VFD 的主要功能是通過改變電源電壓和頻率來(lái)驅(qū)動(dòng)和控制電機(jī)速度和轉(zhuǎn)矩以滿足應(yīng)用要求。

VFD 控制器內(nèi)部有多個(gè)階段：

– 驅(qū)動(dòng)輸入階段是交流電被饋入逆變器時(shí)。

– 對(duì)于保護(hù)，電流互感器測(cè)量和比較進(jìn)入和離開 VFD 的電流，檢查接地故障；此外，使用預(yù)充電電路可防止初始浪涌損壞。

– 在驅(qū)動(dòng)和驅(qū)動(dòng)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(hào)的相位和頻率。

– 最后，在電機(jī)和傳動(dòng)系統(tǒng)階段，此脈沖寬度調(diào)制輸出允許控制電機(jī)的速度，從而控制其機(jī)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(fù)雜的高頻功率器件。

使用 VFD 可實(shí)現(xiàn)可預(yù)測(cè)、更順暢、耐用且高效的操作流程！

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