变频器的种类很多、型号很多,但其结构形式和采用的技术基本相同。下面先介绍变频器的分类,然后介绍变频器结构。
变频绍器可以按变流环节、输岀电压调制方式、开关器件、控制方式和滤波环节分类。
变频器变流方式有两种,一种是交流→变直流→再变交流,另一种是交流→变交流。
交流→变直流→再变交流的变频方式,先将固定频率的正弦交流电压经整流电路变换为波纹度较大的直流电压,接着将波纹度较大的直流电压经过滤波电路滤波,使之变为波纹度较小的直流电压,再经过逆变电路的作用,使直流电变为交流电输送给电器。由于将直流逆变为交流的环节很容易控制,而且逆变后的交流电频率调节范围和电压调节范围都大,这对交流电动机运行非常有利;目前交流电动机变频调速多采用此类的变频器。
交流→变交流变频器是将固定频率的交流电直接转换为频率可调的交流电,要特別注意这类变频器输出电压相数与输入相数相同。交流→变交流变频器通常采用三相反并晶闸管可逆桥式变流器组成。此类变频器具有过载能力强、效率高、电压波形好等优点,但它存在输出电压频率在输入电压频率的50%以下,功率因数低和高次谐波对电网影响大等缺点。目前此类变频器用的很少。
变频器的逆变电路依据逆变电路输出电压调制方式有脉幅调制PAM(Pulse AmplitudeModulation)、脉宽调制PWM(Pulse Width Modulation)、正弦脉宽调制SPWM等3种类型。有关变频器输岀电压调制方式详细知识将在后面章节中介绍。
(1) 用晶闸管SCR组成逆变电路的变频器(简称为SCR变频器)
SCR晶闸管属于电压控制元件,用晶闸管SCR组成逆变电路的变频器,即可用于感性负载,也可用于阻性负载,也就是具有通用性。在不超过变频器容量条件下,可以多台电动机并接使用同一台变频器,但电动机不应同时启动,以避免冲激电流过大。
(2) 用门极可关断晶闸管GTO组成逆变电路的变频器(简称为GTO变频器)
门极可关断晶闸管GTO是电压控制元件;门极可关断晶闸管是通断均可控元件。因此GTO变频器具有开关频率高、频带比宽、低速频特性比较好、效率高、体积小、重量轻等优点。GTO变频器比SCR变频器更适用于PWM调制方式和SPWEM调制方式。要注意GTO变频器属于窄脉冲信号触发变频器。
(3) 用双极型晶体管GTR组成逆变电路的变频器(简称为GTR变频器)
双极型晶体管GTR是电流基极电流I b 控制集电极电流I c ,所以GTR变频器具有开关频率高、频带比宽、低速频特性比较好、效率高、体积小、重量轻等优点。GTR变频器比SCR变频器更适用于PWM调制方式和SPWEM调制方式。要注意GTR变频器属于长信号控制变频器。
(4) 用绝缘栅双极型晶体管IGBT组成逆电路的变频器(简称为IGBT变频器)
绝缘栅双极型晶体管IGBT有栅极G、集电极C和发付射极E等3个极;它通过栅极电压U GE 控制集电极电流I c ,所以IGBT变频器比GTR变频器功耗小,其他特性相同。
(5) 用MOS单极型场效管组成逆变电路的变频器(简称为MOS变频器)
MOS单极型场效管有栅极G、源极S和漏极D等3个极;它通过栅极电压U GS 控制漏极电流I D ,所以MOS变频器比IGBT变频器功耗小,其他特性相同。
变频器按控制方式分类,可分为
U
/
(电压/频率) 控制方式、转差率控制方式、,矢量控制方式等3种类型。
(1)
U
/
(电压/频率)控制方式
U
/
(电压/频率)控制方式是指
U
/
=恒值的控制方式。它适用于变频器输出电压频率低于输入电网电压频率状态下的电动机调速,其实质是电动机恒力矩调速;最常用于速度精度要求不高的机械设备的电动机调速,如风机和水泵电动机的调速。
(2) 转差率控制方式
转差率控制方式是一种速度闭环控制为方式,即将通过速度传感器测得实时转速送给转差率控制器,经过与设定转速相比较和运算,最后向转差率控制器发岀逆变器频率和电压的控制信号。转差率控制方式经常用于变频器输出电压频率高于输入电网电压频率状态下的电动机调速,其实质是电动机恒功率调速。
(3) 矢量控制方式
矢量控制方式是交流电动机调速最理想的控制方式,其实质是通过将交流异步电动机的定子电流分解为激磁电流I m 和有功电流分量I a ,并分别加以控制,即通过改变异步机定子电流幅值和相位的控制方式实现调速;这是电流矢量法控制方式,所以称为矢量控制方式。采用矢量控制的交流异步电动机调速特性可与直流电动机相类同。
变频器常用的滤波有3种类型,一类电容滤波,另一类是电感滤波,还有一类是电感电容组合滤波。
(1) 电容滤波
电容滤波是低通滤波。电容与整流电路输岀端并联,利用电容电压不能跃变特性,使电容滤波后的电压很平滑。采用电容滤波的变频器,可称为电压型变频器。
(2) 电感滤波
电感滤波是高通滤波。电感串于整流电路输岀端,利用电感电流不能跃变特性,使电感滤波后的电流很平滑。采用电感滤波的变频器,可称为电流型变频器。
(3) 电感电容组合滤波。
通过以上分忻析可知,电感滤波是高通滤波,电感串于整流电路输岀端,利用电感电流不能跃变特性,使电感滤波后的电流很平滑;而电容滤波是低通滤波,电容与整流电路输岀端并联,利用电容电压不能跃变特性,使电容滤波后的电压很平滑;采用电感和电容组合滤波,可以使变频器的逆变电路得到稳定的直流电压和电流,所以采用电感电容组合滤波的变频器工作更稳定。
目前最常用的变频器有静止条件下使用的变频器和交流异步电动机调速用旳变频器两大类;本节主要介绍变频器在交流异步电动机调速中的应用。
调速用变频器种类很多,型号各异,但其结构和工作原理基本类同,操作面板和参数设定有差。在此仅给出BT12S、SB12、BT40、FR-700系列变频器外观图如图2-1所示,并简单说明变频器的安装方式,有关变频器的参数设置和操作将在第3章介绍。
变频器有挂壁式和直立式两种类型。挂壁式变频器多采用底部送风式冷却方式,直立式多采用顶部抽风式冷却方式。安装变频器时一定要按照产品手册的安装规定留足变频器周围空间,以便其散热。
图2-1 BT12S和SB12系列变频器、BT40系列变频器外型图
变频器的内部组成主要包括交流输入、整流滤波环节、电压采样、逆变环节、驱动电路、主控电路、输岀等组成,图2-2所示给岀变频器的内部结构框图。
图2-2 变频器的内部结构框图
整流滤波环节是将交流电压转换为直流电压。
电压采样环节是将直流电压变化值输送给主控电路。
电流采样环节是将电动机线电流变化值输送给主控电路。
逆变环节是将直流电压转换为交变电压,并输岀给三相电动机。
驱动电路是将主控电路发岀的控制指令转换为逆变管所需的矩形波信号,并将信号有序地送到对应的逆变管。
显示与操作键盘可完成对变频器工作状态显示和有关频率设定及相关参数的设定,并通过专用传输线与主控电路进行相关数据的互相传送。
主控电路是变频器控制中心,它要接收有关信息,并做出相应的运算处理,最后产生指令信号控制相对应的其他环节。