变频器(VFD)系统|需要,工作,福利

在本教程中,我们将了解电动机,可变频率驱动器,可调频率驱动系统的工作以及在工业过程控制中使用VFD的好处。

介绍

电动机是工业的主力。它们以非常高的效率把电能转换成机械能。电动机覆盖了大部分的能源消费者,因此它的应用范围从工业制造和加工到商业和家庭环境。

电动机的一些常见应用是泵,风扇,搅拌机,压缩机,输送机,磨机,起重机,汽车,机床等。在考虑其考虑其低成本的情况下,可以看到这种广泛的电动机应用范围内容并不令人惊讶,高可靠性和简单性。

基本上,所有的交流感应电动机都是恒速机器,当运行通过主电源(与适当的启动机构)。事实上,满载与满载的速度差异最大为5%。

为了节约能源、提高效率、控制过程的转矩等各种目的,通常需要以变速运行电动机。工业过程的自动化导致了交流电机的变速驱动器。

可变频率驱动器(VFD)是一种经常用于实现AC电动机的可调速度驱动的技术,以控制其速度以及扭矩。

需要变速驱动器

在深入探讨变频驱动系统的细节之前,让我们先看看电动机变速运行的必要性。

如前所述,所有AC电动机都是恒速机器,并且这种固定速度电动机的应用是许多,例如输送机,阻尼器,阀等。但对电动机的速度和扭矩控制的需求也是必不可少的。

考虑电动汽车的简单例子。今天,在特斯拉的成功之后,许多汽车制造商都在生产全靠电池和电动马达驱动的电动汽车。显然,驾驶员必须根据交通状况、限速、高速公路等情况不断控制汽车的速度,以避免碰撞。

这意味着汽车必须在需要的时候启动、加速、减速和停止。汽车的速度取决于踩下多少油门踏板。我们生活中不可或缺的一部分(或至少那些拥有电动汽车的人)本质上是一个变速控制系统。

在上面的例子中,需要控制电动机的速度和扭矩的需要非常重要。像VFD一样的变速驱动器的另一个重要需求是节省大量能量,因为电动机是行业的主要能源消费者之一,并且具有有效的过程非常重要。

重要的提示:除非另有说明,本教程中提到的所有电动机都是三相交流电动机(通常是鼠笼电动机)。

变速驱动类型

可通过多种方式实现变速驱动器。以下是三个主要变速驱动类别的列表和每个类别中使用的一些方法。

机械变速传动

  • 带或链传动系统,滑轮直径可调。
  • 金属摩擦驱动器

液压变速传动

  • 静水驱动类型
  • 液力传动类型

电磁

  • 涡流耦合

电气变速传动

  • 施朗格电机(交流换向器电机)
  • 沃德-伦纳德系统(交流电机-直流发电机-直流电机)
  • 具有直流电动机的可变电压DC转换器
  • 具有AC电机的可变变频器
  • 带伤口转子感应电动机(滑动电机)滑动控制
  • 环形变频器与交流电机
  • 定位驱动器(伺服和步进电机)

什么是变频驱动(VFD)?

变频驱动或简称为VFD是一种常用的控制电机速度的技术。在这种技术中,电力电子设备被用来通过一种称为脉冲宽度调制(PWM)的技术来改变电机输入功率的频率,从而控制电机的速度。

VFD系统使用PWM,能够调节电动机的速度和扭矩,从而提供连续的过程速度控制。

可变频率驱动系统也称为可调频率驱动器(AFD)或可变速度驱动器(VSD)或可变电压变频(VVVF)驱动器。它是一种简单的装置,可控制电动机的输入功率的电压和频率,从而控制电动机的速度以及由电动机驱动的系统。

vfds的主要组成部分

下图展示了一个VFD系统的简单概述。它由三个主要部分组成:

  • 整流电路
  • DC电路单元
  • PWM逆变器电路

可变频率驱动VFD主组件

我们将在工作中查看更多关于这些组件,但我将简要介绍一下。

整流电路

它用于将输入交流电源转换为中间直流电源。

直流电路单元(直流母线)

中间DC电源被滤波并存储在高电容器中。

PWM逆变器电路

逆变器单元使用PWM技术将中间DC电力转换为正弦3相AC电力。

可变频率驱动VFD构建块

变频驱动系统的工作

尽管改变交流电机速度的频率控制方法是一项众所周知的技术,但直到最近这项技术才得到广泛使用和普及。

尽管直流电机的成本高,复杂和维护,它们经常被用于几乎所有的变速驱动应用。但是半导体的发展,特别是电力电子的发展,以及鼠笼式交流感应电机(与直流电机相比)的低成本吸引了交流驱动器。

使用各种技术,例如VFD,您不仅可以控制交流电机的速度,还可以控制其转矩。交流变速传动的基本原理很简单,我们可以从交流电机本身开始理解。

在一个简单的鼠笼式交流感应电动机中,转子绕组与定子绕组产生的旋转磁场相交。

交流电机的同步速度,即定子磁场的速度,在满载时略高于转子的速度。这对转子的旋转是至关重要的。转子的速度与磁场的速度之间的滞后称为电机的“转差率”,电机的转矩与转差率成正比。

达到电机的同步速度,即与定子磁场旋转的速度取决于定子的极数以及电源电流的频率。

同步速度=(120 x频率)/(杆数量)

PWM变频驱动

当AC感应电动机在恒定频率电源以恒定频率电源操作时,通常为50Hz或60Hz时,电机的速度是固定的。当名称建议时,可变频率驱动系统通过改变电源的频率来控制交流感应电机的速度。

变频还必须根据频率调节输出电压,使输出电压到频率(V/Hz)或多或少是恒定的,这是交流电机产生恒定转矩的基本特性。

变频驱动VFD PWM

因此,VFD的第一步是使用简单二极管整流电路使用(直流电压和电流)将3相交流电源转换为直流电源。整流的直流电源包含电压纹波,该电压纹波在送入逆变器之前使用滤波电容器平滑。VFD的这一部分称为直流链路电路。

然后,直流电压必须转换回具有可变电压和频率的交流电压。这是使用电力电子设备,如集成栅双极晶体管或简单的IGBT功率晶体管使用脉宽调制(PWM)。

输出电压以高频和开关时间的持续时间导通和关闭即,使用控制单元(通常是微控制器)来控制脉冲宽度,以近似正弦波(称为准正弦波)。

变频驱动VFD电压电流波形

整个过程通常由由MCU(微控制器或微处理器)组成的控制单元监控。微控制器的工作是:

  • 监控输入电源电压。
  • 设定电机的速度。
  • 监控直流链路电压。
  • 检查输出电流和电压是否在合理的限制范围内。

vfd的好处

以下是在暖通空调系统中使用VFDs的好处。其他应用程序也有类似的优点。

一个典型的暖通空调系统由风扇,泵,压缩机,空气处理和冷水机组成。当与变速驱动系统一起使用时,所有与电机相关的设备都具有以下优点。

  • 简单的安装和维护。
  • 低电机启动电流。
  • 节能。
  • 在开始期间对电机和带的机械和热应力降低。
  • 高功率因数,低KVA。

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