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變頻器是怎么變頻的?

發布時間:2020-11-23

據我所知,在自動感應電動機出現以來,交流發電機的形式已經存在變頻操作。更改發電機的轉速,并更改其輸出頻率。在高速晶體管出現之前,這是改變電機轉速的主要途徑之一,但由于發電機轉速降低了輸出頻率而不是電壓,頻率變化受到限制。

因此,我們來看一下變頻器的組件,看看它們是如何實際一起工作的,以改變頻率和電機轉速。


01
變頻器元件-整流器

由于在交流模式下很難改變交流正弦波的頻率,變頻器的**項工作就是將波形轉換為直流。為了使它看起來像AC,操作DC相對容易。所有變頻器的**個組成部分是一個被稱為整流器或轉換器的設備,如下圖所示:

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整流器電路將交流電轉換成直流電,其工作方式與電池充電器或電弧焊機的方式大致相同。它使用一個二極管電橋來限制交流正弦波只向一個方向移動。其結果是完全整流的交流波形被直流電路解釋為本地直流波形。三相變頻器接受三個獨立的交流輸入相并將其轉換為單個直流輸出。

大多數三相變頻器也可以接受單相(230V或460V)電源,但由于只有兩個輸入支路,所以變頻器輸出(HP)必須降額,因為所產生的直流電流成比例地降低。另一方面,真正的單相變頻器(控制單相電機的單相變頻器)利用單相輸入,并產生與輸入成比例的直流輸出。
當涉及到變速運行時,三相電機比單相計數器部件更普遍的應用有兩個原因。首先它們擁有更**的功率范圍。另一方面,單相電動機通常需要一些外部干預來開始旋轉。

02
變頻器元件-直流母線
直流母線(圖中DC bus 所示)的第二個組成部分,在所有變頻器中都看不到,因為它不直接影響變頻運行。但是,它始終存在于高質量的通用變頻器中。直流總線使用電容器和電感來濾除轉換后的直流電中的交流“紋波”電壓,然后進入逆變器部分。它還包括阻止諧波失真的濾波器,可以反饋給變頻器電源。較老的變頻器和需要單獨的線路濾波器來完成這項流程。


03
變頻器元件-逆變器
插圖右側是變頻器的“內臟”(圖中  inverter 所示)。逆變器使用三組高速開關晶體管(圖中 IGBT 所示)來創建模擬交流正弦波的所有三相的DC“脈沖”。這些脈沖不僅決定了波的電壓,還決定了它的頻率。逆變器或逆變器這個術語的意思是“反轉”,簡單地說就是所產生波形的上下運動?,F代變頻器逆變器使用稱為“脈寬調制”(PWM)的技術來調節電壓和頻率。
然后我們說一下IGBT,IGBT指的是“絕緣柵雙極型晶體管”,它是逆變器的開關(或脈沖)元件。晶體管(取代真空管)在我們的電子世界中起到兩種作用。它可以像放大器那樣充當放大器并增加信號,或者可以充當開關,只需打開和關閉信號。IGBT是一種現代版本,可以提供更高的開關速度(3000 - 16000 Hz)并減少熱量產生。較高的開關速度可以提高交流電波仿真的精確度,降低電機噪音。產生的熱量減少意味著散熱片更小,因此變頻器占地面積更小。

04
變頻器PWM波形
下圖顯示了PWM變頻器的逆變器與真正的AC正弦波相比產生的波形。逆變器輸出由一系列具有固定高度和可調寬度的矩形脈沖組成。在這個特殊的情況下,有三組脈沖 - 中間是一個寬的集合,在AC周期的正負兩部分的開始和結束處有一個窄的集合。
脈沖的面積之和等于真正的AC波的有效電壓。如果要切掉真正交流波形上方(或下方)的脈沖部分,并用它們填充曲線下方的空白區域,就會發現它們幾乎完美匹配。正是這樣,變頻器才能控制電機的電壓。
脈沖寬度和它們之間的空白寬度的總和決定了電機看到的波形的頻率(因此是PWM或脈寬調制)。如果脈沖是連續的(即沒有空白),頻率仍然是正確的,但是電壓將比真正的AC正弦波大得多。根據所需的電壓和頻率,變頻器將改變脈沖的高度和寬度以及兩者之間的空白寬度。
有些人可能想知道這個“假”AC(實際上是DC)是如何運行交流感應電機的。畢竟,是不是需要一個交流電來“感應”電機轉子中的電流及其相應的磁場呢?那么,AC會自然而然地導致感應,因為它是不斷變化的方向 另一方面,DC不會因為一旦電路被**而正常動作。
但是,如果DC開啟和關閉,DC可以感應出電流。對于那些年紀已久的人來說,汽車點火系統(在固態點火之前)曾經在分配器中有一組點。這些要點的目的是從電池“脈沖”到線圈(變壓器)。這在線圈中感應出一個電荷,然后將電壓升高到允許火花塞點火的水平。上圖中看到的寬直流脈沖實際上是由數百個單獨的脈沖組成的,逆變器輸出的這種開啟和關閉運動允許通過直流感應發生。

05
有效電壓

使交流電復雜的一個因素是它不斷地改變電壓,從零到某個**的正電壓,然后回到零,然后到一些**的負電壓,然后再回到零。如何確定施加到電路的實際電壓?下方的插圖是60Hz,120V的正弦波。但是要注意,它的峰值電壓是170V。如果它的實際電壓是170V,我們怎么可能稱之為120V波呢?

在一個周期中,它從0V開始,上升到170V,然后再次下降到0.它繼續下降到-170,然后再次上升到0.原來上邊界在120V的綠色矩形的面積是相等的到曲線正負部分的面積總和。那120V就是平均水平?
好,如果要平均整個周期中每個點的所有電壓值,結果將是大約108V,所以不能是答案。那么為什么這個值是由VOM測量的120V呢?它與我們所說的“有效電壓”有關。
如果您要測量流過電阻的直流電流產生的熱量,則會發現它大于等效交流電流產生的熱量。這是由于AC在整個周期中不保持恒定的值。如果在實驗室中,在受控的條件下進行,發現特定的直流電流產生了100度的熱量升高,其交流電當量將產生70.7度的上升或者70.7%的直流值。所以AC的有效值是DC的70.7%。還可以看出,交流電壓的有效值等于曲線前半部分的電壓平方之和的平方根。
如果峰值電壓為1,并且要測量從0度到180度的各個電壓,則有效電壓將為0-707的峰值電壓。圖中170的峰值電壓的0.707倍等于120V。這個有效電壓也被稱為均方根或RMS電壓。因此,峰值電壓總是有效電壓的1.414。230V交流電流具有325V的峰值電壓,而460具有650V的峰值電壓。
除了頻率變化之外,即使電壓與交流電機的運行速度無關,變頻器也必須改變電壓。
該圖顯示了兩個460V交流正弦波。紅色是60hz曲線,藍色是50hz。兩者都有一個650V的峰值電壓,但是,50hz要寬得多。您可以很容易地看到50Hz曲線的前半部分(0 - 10ms)內的區域大于60hz曲線的前半部分(0 - 8.3ms)。而且,由于曲線下面積與有效電壓成正比,所以其有效電壓更高。隨著頻率的降低,有效電壓的增加變得更加劇烈。
如果允許460V電動機在這些較高的電壓下工作,則其壽命可以**減少。因此,變頻器必須不斷改變相對于頻率的“峰值”電壓,以保持恒定的有效電壓。操作頻率越低,峰值電壓越低,反之亦然。
您現在應該對變頻器的工作原理以及如何控制電機速度有一個很好的了解。大多數變頻器可以讓用戶通過多位置開關或鍵盤手動設置電機轉速,或使用傳感器(壓力,流量,溫度,液位等)使過程自動化。




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