浅谈变频器及其采用的技术
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摘 要: 变频器是一种高技术含量、高效益回报、节能环保的关键设备,在很多领域中都有应用。在本文简单介绍了我国变频器近年来市场的发展及其分类,详细介绍了变频器的工作原理,及变频的两种技术:交直交变频技术和交交变频技术。
关键词:变频器 交交变频 矩阵式变频
中图分类号: TQ153 文献标识码: A文章编号: 1007-3973 (2010) 04-019-02
自上个世纪80年代开始,随着外资变频器产品逐渐进入我国市场,再加之我国经济的高速发展和人们节能环保意识的增强,90年代变频器在中国就已经开始有所应用,2000年之后应用越来越普及,行业规模也迅速扩大。据统计,在过去的几年内,中国变频器的市场保持以12%-15%速率增长,预计至少在未来5年内将会保持在10%以上的速率进行增长,而目前我国市场上变频器安装容量的增长率实际上在20%左右,若以这样的速度加之中国市场的需求进行计算,至少在10年后变频器的市场才会趋于饱和状态,而且变频器的应用广泛,目前已广泛应用与金融、能源、交通、化工、纺织、教育、医疗、家电等多种行业,故中国给变频器提供了一个广阔的发展市场,变频器的发展将有一个很可观的前景。
1 变频器的工作原理
变频器主要用于交流电机的调速,根据电机学可知,交流电动机的同步转速表达式为:
(1)
(其中n表示交流电机的转速,f表示定子的供电频率,s表示电动机转差率,p表示电动机极对数。)
由(1)式可知,转速n与频率f成正比,可以通过改变频率f来改变电机的转速n.。
(2)
(其中E表示定子每相气隙磁通感应电动势的均方根值,f表示定子频率,N表示定子相绕组有效匝数,kN表示与电动机绕组结构有关的常数,Φm表示每极磁通量,U表示定子相电压)。
根据(2)式可知,若保持定子相电压U不变,改变频率f时会引起磁通量Φm的改变,当随着频率f的增大,磁通量Φm会减小,势必会引起电机输出转矩的下降,同时电机的最大转矩也会降低,严重时会导致电动机堵转或磁路饱和,铁耗急剧增加。故在电机调速时需要尽量保证磁通量Φm的稳定不变,只调节频率f来控制交流电机的转速是行不通的,这需要在改变频率的同时也改变电压。
变频器是把工频电源(50Hz或60Hz)转换成各种频率的交流电源,从而实现电机的变速运行的设备,它是运动控制系统中的功率变换器。变频器按照不同的方式进行分类可分成:按直流电源的性质分类,可分为电压型和电流型;按输出电压调节方式分类,可分为PAM控制变频器、PWM控制变频器和高载频PWM控制变频器;按控制方式分类,可分为V/f控制变频器、转差频率控制变频器、矢量控制变频器和直接转矩控制变频器;按功能分类,可分为恒转矩变频器和平方转矩变频器;按其用途分类,可分为通用变频器、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。
2 变频器的控制方式
变频技术可分为交直交变频技术和交交变频技术,交直交变频技术是先把电网频率的交流电经过整流器整流成直流电,再经过逆变器把它逆变成频率和电压都可调的交流电,而交交变频技术是把电网频率的交流电直接转换成频率和电压可调的交流电的设备。
2.1 交直交变频技术
交直交变频技术是先通过整流器将交流电转变成直流电,再经过逆变器将直流电转变成频率和电压可调的交流电。主要由三部分组成:整流部分、中间环节、逆变部分,其基本构成图如下图1。
图1 交直交变频器的基本构成图
其基本的工作原理为:工频电源通过整流器将电网频率的交流电转变成直流电,整流器部分可通过二极管或晶闸管进行实现整流,通过控制电路输出控制信号来控制整流器整流后电压值,由于平波回路也叫做中间直流环节,它与电动机之间总是会有无功功率的交换,所以在平波回路中可以采用电容器或电感器来缓冲,平波回路中的直流电压通过逆变器将直流电转换成交流电压,在此也通过控制电路给出控制信号给控制逆变器实现电压和频率可调的交流电压。但一般实际应用中采用的是二极管整流,PWM逆变同时调频调压,具体的结构图如下图2。
图2 不控整流、PWM逆变调频结构图
这种方式的主要优点在于PWM逆变器实现调频和调压,故其动态特性好,且是通过改变脉冲宽度来实现改变电压,其输出电压脉宽按正弦波规律变化,输出电流的波形接近正弦波,输出的谐波分量小,使电动机平稳运行,并且它是将工频交流电通过二极管整流和电容滤波后供给PWM逆变器逆变,电网波形畸变小,功率因素较高。
交直交变频控制简单,所用的晶闸管元件少,利用率高,且频率调节范围宽,适合应用于要求精度高、调速性能较好、频率调节范围宽的场合,但该变频技术是经过两次能量变换,其损耗比较大,效率较低,在直流电路中需要打的储能电容,不能进行四象限运行。
2.2 交交变频技术
交交变频直接将电网频率的交流电变成频率和电压可调的交流电,中间省略了直流环节,改善了整个变频装置的变换效率,具体的交交变频原理图及输出电压波形图如下图3,在正组整流器提供了交流输出的正半周电流,正组整流器工作在整流状态时,负组处于截断状态,反之,负组整流器提供了负半周电流的输出,其负组整流器处于整流状态,而正组处于截断状态。可适当地控制各组晶闸管的关断和导通,实现在负载端电压大小的改变,通过适当控制正反两组晶闸管的切换频率,可实现负载端频率的调节,转变成为电压可调和频率可调的交流电。
图3 交交变频原理图和输出电压波形
交交变频技术只通过一次变流,省略了直流转换的步骤,其效率较高,可方便实现四象限工作,低频输出波形接近正弦波,谐波分量少,使电机能够稳定运行,但该技术调节频率最大输出频率在(1/3~1/2) 倍的电网频率,比电网频率还低,故适合于低速大容量的调速系统,在轧钢、水泥、牵引等方面有着广阔的应用前景。
3 结束语
变频器广泛应用于金融、能源、交通、化工、纺织、教育、医疗等多种行业,给我们生活带来了很大方便,未来的变频器的发展也将呈现增长的趋势。在上文提及了关于交流变频器采取了两种基本的技术,每种技术都有各自的优缺点,具体在实际应用中可以根据其优缺点进行择优选择。
参考文献:
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