電機(jī)起動器第 6 部分：變頻驅(qū)動器

為什么要使用電力驅(qū)動？
當(dāng)使用不需要全速運(yùn)行的應(yīng)用程序時，變頻驅(qū)動器可以降低能耗成本。VFD 的目的 是使電機(jī)驅(qū)動的設(shè)備的速度與所需負(fù)載的速度相匹配。這是其他交流電驅(qū)動器無法實(shí)現(xiàn)的。
在工業(yè)領(lǐng)域，65% 的電力消耗來自電動機(jī)。通過使用變頻器優(yōu)化電動機(jī)，可以減少 70% 的電力消耗。
為了確保電機(jī)以有效的速度和精度運(yùn)行，以提高生產(chǎn)水平，建議使用 變頻驅(qū)動器。
使用變頻器控制設(shè)備可延長設(shè)備的使用壽命，減少維護(hù)需求，因?yàn)樗鼈兛蛇_(dá)到適當(dāng)?shù)碾姍C(jī)速度。變頻器控制電機(jī)頻率和電壓可提供的過 載、欠壓和過壓保護(hù)。
VFD 的類型
存在三種類型的 VFD：電壓源逆變器 (VSI)、電流源逆變器 (CSI) 和脈沖寬度調(diào)制逆變器 (PWM)。
VSI 是常見的 VFD 類型，其中使用簡單的二極管電路從交流信號中獲取直流信號，并有一個存儲能量的電容器。然后，逆變器電路使用電容器存儲的能量將其傳送到輸出。
CSI 依靠的是電流而不是電壓，并產(chǎn)生取決于可變電壓范圍的平滑輸出。使用晶閘管橋式逆變器代替二極管橋式整流器來產(chǎn)生電流方波。
VFD 的工作原理
使用 VFD，電機(jī)的轉(zhuǎn)速通過輸入電壓的頻率來控制，然后再將其提供給電機(jī)。交流驅(qū)動器的個動作是將 60 Hz、三相交流電轉(zhuǎn)換為直流電，然后將直流電逆變?yōu)閭稳嘧冾l，直接進(jìn)入連接的電機(jī)。
進(jìn)入電力轉(zhuǎn)換器的頻率為 60 Hz，但從轉(zhuǎn)換器輸出到電機(jī)的頻率具有可調(diào)的可變頻率，以實(shí)現(xiàn)所需的電機(jī)轉(zhuǎn)速。
變流器和逆變器構(gòu)成PWM交流傳動裝置的兩個主要部分。

圖 1. VFD 工作框圖。圖片由 Simon Mugo 提供

交流電源線構(gòu)成為轉(zhuǎn)換器供電的三相電力系統(tǒng)。交流電源線以 60 Hz 頻率運(yùn)行。
該轉(zhuǎn)換器利用整流器將 60 Hz 交流輸入轉(zhuǎn)換為直流輸出電壓。

圖 2.轉(zhuǎn)換器部分工作圖。圖片由 Simon Mugo 提供

電力轉(zhuǎn)換器提供的直流輸出很粗糙；因此，必須使用平滑方法來確保輸出直流電壓大致恒定。這種濾波作用發(fā)生在轉(zhuǎn)換和逆變階段之間。平滑后，直流電直接送入逆變階段。

圖 3.逆變器部分工作原理圖。圖片由 Simon Mugo 提供

逆變器部分的作用是產(chǎn)生交流輸出，用于驅(qū)動電機(jī)。逆變器中發(fā)生正向和負(fù)向切換，從而產(chǎn)生脈沖集合。
PWM 驅(qū)動輸出頻率是通過在其中一個半周期注入正脈沖并在緊隨其后的半周期注入負(fù)脈沖來控制的。
正弦波輸出由窄和寬的正弦波組成。窄表示較低的輸出電壓值，而寬表示較高的電壓值。不同的寬度構(gòu)成了脈沖寬度調(diào)制。該圖顯示每半個周期有六個脈沖。
磁通量-伏特/赫茲比
向感應(yīng)電動機(jī)施加電流會導(dǎo)致電動機(jī)在旋轉(zhuǎn)磁場中產(chǎn)生磁通量，從而產(chǎn)生扭矩。為了產(chǎn)生滿載扭矩，磁通量必須保持恒定?？刂齐妱訖C(jī)保持恒定磁通量需要一種稱為伏特/赫茲比的特殊方法。這種方法使電壓和頻率按比例增加到相同的值，以產(chǎn)生良好的電動機(jī)扭矩。

圖 4.每赫茲的電壓比。圖片由 Simon Mugo 提供

例如，如果電壓為 430 V 且頻率為 60 Hz，則伏特/赫茲比為 430/60 或 7.2 V/Hz。
VFD 的作用是保持電壓和頻率比恒定。如果無法保持該恒定，電機(jī)電流就會變得不穩(wěn)定，從而會降低扭矩。
電機(jī)轉(zhuǎn)速
電機(jī)轉(zhuǎn)速可以使用公式計(jì)算　速度(RPM)=頻率(Hz)×120n
在哪里
n=極點(diǎn)數(shù)
例如，對于頻率為 60 Hz 的 2 極電機(jī)，其速度可以通過以下公式確定速度（RPM）=60×1202=3600RPM
VFD 優(yōu)勢
節(jié)省能源
消耗極低的電機(jī)啟動電流
安裝簡單
消耗低千伏安
具有相對較高的功率因數(shù)
減少啟動過程中皮帶和電機(jī)的機(jī)械應(yīng)力和熱應(yīng)力
VFD 應(yīng)用
物料在傳送帶上傳輸，因?yàn)樗峁┝似椒€(wěn)的啟動。
由于 VFD 操作噪音極小，因此采用自動系統(tǒng)來打開和關(guān)閉大門
由于降低了功耗、減少了維護(hù)、延長了設(shè)備壽命，提升機(jī)控制和物料的提升。
變頻驅(qū)動器的關(guān)鍵要點(diǎn)
電動交流驅(qū)動器用于控制運(yùn)動物體的扭矩、速度和方向。
電動交流驅(qū)動器分為可變驅(qū)動器或恒定驅(qū)動器，可變驅(qū)動器用于以可變速度運(yùn)行的電動機(jī)。
使用電動交流驅(qū)動器的原因是降低能源成本和消耗、通過更嚴(yán)格的過程控制來提高產(chǎn)量、延長設(shè)備壽命并減少維護(hù)。
VFD 使用頻率來控制電機(jī)的速度，其中輸入信號的頻率在注入電機(jī)之前受到控制。
VFD 用于傳送帶的平穩(wěn)啟動、作為打開和關(guān)閉大門的自動系統(tǒng)以及作為提升物料的提升機(jī)控制。