变频驱动(VFD)系统|需求,工作,效益

在本教程中,我们将学习电机,什么是变频驱动,变频驱动系统的工作原理以及在工业过程控制中使用变频驱动的好处。

简介

电机是工业的主力。它们以非常高的效率将电能转化为机械能。电机覆盖了大多数能源消费者,因此从工业制造和加工到商业和家庭环境的应用范围。

电机的一些常见应用有泵、风扇、搅拌器、压缩机、输送机、铣床、起重机、汽车、机床等。考虑到电动机的低成本、高可靠性和简单性,看到其如此广泛的应用并不令人惊讶。

基本上,所有的交流感应电机在通过主电源运行时(有适当的启动机构)都是匀速电机。事实上,从满载到满载的速度差异最大为5%。

为了各种目的,如节约能源、提高效率、控制过程的转矩等,通常需要以可变速度操作电机。工业过程的自动化导致了交流电机的变速驱动。

变频驱动(VFD)是一种常用来实现交流电机调速的技术,用来控制电机的转速和转矩。

需要变速驱动器

在深入到变频驱动系统的细节之前,让我们看一下电机的变速操作的需要。

如前所述,所有的交流电机都是恒速电机,这种固定速度电机的应用有很多,如输送机,阻尼器,阀门等。但是电机的速度和转矩控制也是必不可少的。

考虑一个电动汽车的简单例子。今天,在特斯拉取得成功之后,许多汽车制造商都在生产所有依靠电池和电机运行的电动汽车。很明显,司机必须根据交通状况、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时启动、加速、减速和停止。根据加速踏板踩得多轻,汽车的速度就会不同。这是我们生活中不可分割的一部分(或者至少是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,需要控制电机的速度和转矩是非常必要的。像vfd这样的变速驱动器的另一个重要需求是节省大量的能源,因为电机是工业中主要的能源消费者之一,拥有一个高效的过程是非常重要的。

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

变速驱动的类型

变速传动可以通过多种方式实现。下面是三个主要的变速驱动器类别的列表以及在每个类别中使用的一些方法。

机械变速传动

  • 带或链式传动系统,可调节滑轮直径。
  • 金属摩擦驱动

液压变速传动

  • 液压驱动类型
  • 液力传动类型

电磁

  • 涡流耦合

电动变速传动

  • 施拉格电机(交流换向器电机)
  • Ward-Leonard系统(交流电机-直流发电机-直流电机)
  • 带直流电动机的可变电压直流变换器
  • 带交流电机的变频变频器
  • 绕线转子感应电机的滑移控制(滑移电机)
  • 交流电机的环变流器
  • 定位驱动器(伺服电机和步进电机)

什么是变频驱动(VFD)?

变频驱动或简称VFD是控制电机速度的常用技术之一。在这种技术中,电力电子设备被用来通过一种称为脉宽调制(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,能够调整电机的速度和扭矩,因此提供了一个连续的过程速度控制范围。

一个变频驱动系统也被称为可调频率驱动(AFD)或变速驱动(VSD)或变电压变频驱动(VVVF)。它是一种简单的装置,控制电机输入功率的电压和频率,从而控制电机的速度以及由电机驱动的系统。

vfd的主要组成部分

下图显示了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

变频驱动VFD主要部件

我们将在工作中看到更多关于这些组件的内容,但我将对每个组件做一个简短的说明。

整流电路

用于将输入的交流电源转换为中间直流电源。

直流电路单元(直流总线)

中间的直流电源被过滤并储存在高功率电容器中。

PWM逆变器电路

逆变器单元采用PWM技术将中间直流电源转换为正弦三相交流电源。

变频驱动VFD构建模块

变频驱动系统的工作

尽管用频率控制的方法来改变交流电机的速度是一种众所周知的技术,但是这种技术只是最近才得到广泛的应用和普及。

尽管直流电机的高成本,复杂性和维护,他们经常使用在几乎所有的变速驱动应用。但是半导体的发展,特别是在电力电子和低成本的鼠笼交流感应电机(与直流电机相比)吸引了交流驱动器。

使用各种技术,例如VFD,你不仅可以控制交流电机的速度,还可以控制它的转矩。交流变速传动的基本原理非常简单,我们可以从交流电机本身开始了解它。

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,即定子磁场的速度略高于满负荷时转子的磁场速度。这对于转子的旋转是必不可少的。转子速度与磁场速度之间的滞后称为电机的“滑移”,电机的转矩与滑移成正比。

电机的同步速度,即定子磁场旋转时的速度取决于定子中的极数以及电源电流的频率。

同步速度= (120 ×频率)/(编号)。波兰人)

PWM变频驱动

当交流感应电机在恒频电源(通常为50Hz或60Hz)下运行时,电机的转速是固定的。变频驱动系统,顾名思义,通过改变电源的频率来控制交流感应电机的速度。

VFD还必须根据频率调节输出电压,使输出电压对频率(V/Hz)或多或少保持恒定,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的二极管整流电路将三相交流电源转换为直流电源(直流电压和电流)。整流的直流电源包含电压波动,在被馈送到逆变器之前使用滤波电容使其平滑。VFD的这一部分被称为直流链路电路。

然后必须将直流电压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功率晶体管使用脉冲宽度调制(PWM)完成的。

输出电压在高频率下打开和关闭,打开和关闭时间的持续时间即脉冲宽度由控制单元(通常是微控制器)控制,以接近正弦波(称为准正弦波)。

变频驱动VFD电压电流波形

整个过程通常由一个由MCU(微控制器或微处理器)组成的控制单元进行监视。微控制器的工作是:

  • 监控输入电源电压。
  • 设定电机转速。
  • 监控直流链路电压。
  • 检查输出电流和电压是否在合理范围内。

变频调速技术的节能效益

以下是在暖通空调系统中使用vfd的好处。其他应用程序也有类似的好处。

典型的暖通空调系统由风扇、泵、压缩机、空气处理器和冷水机组组成。当与变速驱动系统一起使用时,所有与电机相关的设备都有以下好处。

  • 安装维护简单。
  • 电机启动电流低。
  • 节省能源。
  • 减少电机和传送带在启动过程中的机械和热应力。
  • 高功率因数和低KVA。

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