變頻器與逆變器、斬波器

1.變頻器與逆變器、斬波器變頻調(diào)速是以變頻器向交流電動(dòng)機(jī)供電，并構(gòu)成開環(huán)或閉環(huán)系統(tǒng)。變頻器是把固定電壓、固定頻率的交流電變換為可調(diào)電壓、可調(diào)頻率的交流電的變換器，是異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速的控制裝置。逆變器是將固定直流電壓變換成固定的或可調(diào)的交流電壓的裝置（AX-AX變換）。將固定直流電壓變換成可調(diào)的直流電壓的裝置稱為斬波器（AX-AX變換）。2?變壓變頻調(diào)速（圧①）在進(jìn)行電機(jī)調(diào)速時(shí)，通常要考慮的一個(gè)重要因素是，希望保持電機(jī)中每極磁通量為額定值，并保持不變。如果磁通太弱，即電機(jī)出現(xiàn)欠勵(lì)磁，將會(huì)影響電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，由TM=KTOMI2XOEp2（式中TM:電磁轉(zhuǎn)矩，①M(fèi):主磁通，I2:轉(zhuǎn)子電流，XOEp2:轉(zhuǎn)子回路功率因素，KT：比例系數(shù)），可知，電機(jī)磁通的減小，勢必造成電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩的減小。由于電機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)，電機(jī)的磁通常處于接近飽和值，如果進(jìn)一步增大磁通，將使電機(jī)鐵心出現(xiàn)飽和，從而導(dǎo)致電機(jī)中流過很大的勵(lì)磁電流，增加電機(jī)的銅損耗和鐵損耗，嚴(yán)重時(shí)會(huì)因繞組過熱而損壞電機(jī)。因此，在改變電機(jī)頻率時(shí)，應(yīng)對(duì)電機(jī)的電壓進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，以維持電機(jī)磁通的恒定。為此，用于交流電氣傳動(dòng)中的變頻器實(shí)際上是變壓（qapiaB九匹o骯ays，簡稱％）變頻（^apiapXsOpsOusvxv，簡稱G①）器，即6%①。所以，通常也把這種變頻器叫作①裝置或①。根據(jù)異步電動(dòng)機(jī)的控制方式不同，變壓變頻調(diào)速可分為恒定壓頻比（G①）控制變頻調(diào)速、矢量控制（①OX）變頻調(diào)速、直接轉(zhuǎn)矩控制變頻調(diào)速等。3.變頻器分類p從變頻器主電路的結(jié)構(gòu)形式上可分為交一直一交變頻器和交一交變頻器。交-直-交變頻器首先通過整流電路將電網(wǎng)的交流電整流成直流電，再由逆變電路將直流電逆變?yōu)轭l率和幅值均可變的交流電。交-直-交變頻器主電路結(jié)構(gòu)如下圖。

U從變頻電源的性質(zhì)上看，可分為電壓型變頻器和電流型變頻器。對(duì)交－直－交變頻器，電壓型變頻器與電流型變頻器的主要區(qū)別在于中間直流環(huán)節(jié)采用什么樣的濾波器。電壓型變頻器的主電路典型形式如下圖。在電路中中間直流環(huán)節(jié)采用大電容濾波，直流電壓波形比較平直，使施加于負(fù)載上的電壓值基本上不受負(fù)載的影響，而基本保持恒定，類似于電壓源，因而稱之為電壓型變頻器。ACACDC中間直流環(huán)節(jié)整流逆變ACACDC中間直流環(huán)節(jié)整流逆變電壓型變頻器逆變輸出的交流電壓為矩形波或階梯波，而電流的波形經(jīng)過電動(dòng)機(jī)負(fù)載濾波后接近于正弦波，但有較大的諧波分量。由于電壓型變頻器是作為電壓源向交流電動(dòng)機(jī)提供交流電功率，所以主要優(yōu)點(diǎn)是運(yùn)行幾乎不受負(fù)載的功率因素或換流的影響；缺點(diǎn)是當(dāng)負(fù)載出現(xiàn)短路或在變頻器運(yùn)行狀態(tài)下投入負(fù)載，都易出現(xiàn)過電流，必須在極短的時(shí)間內(nèi)施加保護(hù)措施。電流型變頻器與電壓型變頻器在主電路結(jié)構(gòu)上基本相似，所不同的是電流型變頻器的中間直流環(huán)節(jié)采用大電感濾波，見下圖，直流電流波形比較平直，使施加于負(fù)載上的電流值穩(wěn)定不變，基本不受負(fù)載的影響，其特性類似于電流源，所以稱之為電流型變頻器。電流型變頻器逆變輸出的交流電流為矩形波或階梯波，當(dāng)負(fù)載為異步電動(dòng)機(jī)時(shí)，電壓波形接近于正弦波。電流型變頻器的整流部分一般采用相控整流，或直流斬波，通過改變直流電壓來控制直流電流，構(gòu)成可調(diào)的直流電源，達(dá)到控制輸出的目的。電流型變頻器由于電流的可控性較好，可以限制因逆變裝置換流失敗或負(fù)載短路等引起的過電流，保護(hù)的可靠性較高，所以多用于要求頻繁加減速或四象限運(yùn)行的場合。一般的交－交變頻器雖然沒有濾波電容，但供電電源的低阻抗使它具有電壓源的性質(zhì)，也屬于電壓型變頻器。也有的交－交變頻器用電抗器將輸出電流強(qiáng)制變成矩形波或階梯波，具有電流源的性質(zhì)，屬于電流型變頻TO器。b交一直一交變頻器根據(jù)①調(diào)制技術(shù)不同，分為口AM和口QM兩種?？贏M是把弟和(;①分開完成的，稱為脈沖幅值調(diào)制(口^XiTuSsMoSuXaTiov)方式，簡稱口AM方式。口AM調(diào)制方式又有兩種：一種是調(diào)壓采用可控整流，即把交流電整流為直流電的同時(shí)進(jìn)行相控整流調(diào)壓，調(diào)頻采用三相六拍逆變器，這種方式結(jié)構(gòu)簡單，控制方便，但由于輸入環(huán)節(jié)采用晶閘管可控整流器，當(dāng)電壓調(diào)得較低時(shí)，電網(wǎng)端功率因素較低，而輸出環(huán)節(jié)采用晶閘管組成的三相六拍逆變器，每周換相六次，輸出的諧波較大。其基本結(jié)構(gòu)見圖b;另一種是采用不控整流、斬波調(diào)壓，即整流環(huán)節(jié)采用二極管不控整流，只整流不調(diào)壓，再單獨(dú)設(shè)置nQM斬波器，用脈寬調(diào)壓，調(diào)頻仍采用三相六拍逆變器，這種方式雖然多了一個(gè)環(huán)節(jié)，但調(diào)壓時(shí)輸入功率因素不變，克服了上面那種方

式中輸入功率因數(shù)低的缺點(diǎn)。而其輸出逆變環(huán)節(jié)未變，仍有諧波較大的問題。其基本結(jié)構(gòu)見圖B。nQM是將工與(；①集中于逆變器一起來完成的，稱為脈沖寬度調(diào)制(nuXasQiST^MoSuXaTiov)方式，簡稱nQM方式。nQM調(diào)制方式采用不控整流，則輸入功率因素不變，用nQM逆變同時(shí)進(jìn)行調(diào)壓和調(diào)頻，則輸出諧波可以減少。其基本結(jié)構(gòu)見圖％。在丑①調(diào)制技術(shù)發(fā)展的早期均采用口AM方式，這是由于當(dāng)時(shí)的半導(dǎo)體器件是普通晶閘管等半控型器件，其開關(guān)頻率不高，所以逆變器輸出的交流電壓波形只能是方波。而要使方波電壓的有效值隨輸出頻率的變化而改變，只能靠改變方波的幅值，即只能靠前面的環(huán)節(jié)改變中間直流電壓的大小。隨著全控型快速半導(dǎo)體開關(guān)器件B9T、irBT>PTO等的發(fā)展，才逐漸發(fā)展為nQM方式。由于nQM方式具有輸入功率因數(shù)高、輸出諧波少的優(yōu)點(diǎn)，因此在中小功率的變頻器中，幾乎全部采用nQM方式，但由于大功率、高電壓的全控型開關(guān)器件的價(jià)格還較昂貴，所以為降低成本，在數(shù)百千瓦以上的大功率變頻器中，有時(shí)仍需要使用以普通晶閘管為開關(guān)器件的口AM方式?？贏X的特點(diǎn)2.1可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)高可靠性是電氣控制設(shè)備的關(guān)鍵性能。口AX由于采用現(xiàn)代大規(guī)模集成電路技術(shù)，采用嚴(yán)格的生產(chǎn)工藝制造，內(nèi)部電路采取了先進(jìn)的抗干擾技術(shù)，具有很高的可靠性。例如三菱公司生產(chǎn)的①系列口AX平均無故障時(shí)間高達(dá)30萬小時(shí)。一些使用冗余XnY的口AX的平均無故障工作時(shí)間則更長。從口AX的機(jī)外電路來說，使用口AX構(gòu)成控制系統(tǒng)，和同等規(guī)模的繼電接觸器系統(tǒng)相比，電氣接線及開關(guān)接點(diǎn)已減少到數(shù)百甚至數(shù)千分之一，故障也就大大降低。此外，口AX帶有硬件故障自我檢測功能，出現(xiàn)故障時(shí)可及時(shí)發(fā)出警報(bào)信息。在應(yīng)用軟件中，應(yīng)用者還可以編入外圍器件的故障自診斷程序，使系統(tǒng)中除口AX以外的電路及設(shè)備也獲得故障自診斷保護(hù)。這樣，整個(gè)系統(tǒng)具有極高的可靠性也就不奇怪了。2.2配套齊全，功能完善，適用性強(qiáng)口AX發(fā)展到今天，已經(jīng)形成了大、中、小各種規(guī)模的系列化產(chǎn)品?？梢杂糜诟鞣N規(guī)模的工業(yè)控制場合。除了邏輯處理功能以外，現(xiàn)代口AX大多具有完善的數(shù)據(jù)運(yùn)算能力，可用于各種數(shù)字控制領(lǐng)域。近年來口AX的功能單元大量涌現(xiàn)，使口AX滲透到了位置控制、溫度控制、XNX等各種工業(yè)控制中。加上口AX通信能力的增強(qiáng)及人機(jī)界面技術(shù)的發(fā)展，使用口AX組成各種控制系統(tǒng)變得非常容易。2.3易學(xué)易用，深受工程技術(shù)人員歡迎口AX作為通用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，是面向工礦企業(yè)的工控設(shè)備。它接口容易,編程語言易于為工程技術(shù)人員接受。梯形圖語言的圖形符號(hào)與表達(dá)方式和繼電器電路圖相當(dāng)接近，只用口AX的少量開關(guān)量邏輯控制指令就可以方便地實(shí)現(xiàn)繼電器電路的功能。為不熟悉電子電路、不懂計(jì)算機(jī)原理和匯編語言的人使用計(jì)算機(jī)從事工業(yè)控制打開了方便之門。2.4系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、建造工作量小，維護(hù)方便，容易改造口AX用存儲(chǔ)邏輯代替接線邏輯，大大減少了控制設(shè)備外部的接線，使控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及建造的周期大為縮短，同時(shí)維護(hù)也變得容易起來。更重要的是使同一設(shè)備經(jīng)過改變程序改變生產(chǎn)過程成為可能。這很適合多品種、小批量的生產(chǎn)場合。2.5體積小，重量輕，能耗低以超小型口AX為例，新近出產(chǎn)的品種底部尺寸小于100燼，重量小于150丫，功耗僅數(shù)瓦。由于體積小很容易裝入機(jī)械內(nèi)部，是實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化的理想控制設(shè)備。性能：1工作速度工作速度是指口AX的XnY執(zhí)行指令的速度及對(duì)急需處理的輸入信號(hào)的響應(yīng)速度。工作速度是口AX工作的基礎(chǔ)。速度高了，才可能通過運(yùn)行程序?qū)崿F(xiàn)控制，才可能不斷擴(kuò)大控制規(guī)模，才可能發(fā)揮口AX的多種多樣的作用。2控制規(guī)模控制規(guī)模代表口AX控制能力，看其能對(duì)多少輸入、輸出點(diǎn)及對(duì)多少路模擬進(jìn)行控制3組成模塊口AX的結(jié)構(gòu)雖有箱體及模塊式之分，但從質(zhì)上看，箱體也是模塊，只是它集成了更多的功能。在此，不妨把口AX的模塊組成當(dāng)作所有口AX的結(jié)構(gòu)性能。4內(nèi)存容量口AX內(nèi)存有用戶及系統(tǒng)兩大部分。用戶內(nèi)存主要用以存儲(chǔ)用戶程序，個(gè)別的還將其中的一部分劃為系統(tǒng)所用。系統(tǒng)內(nèi)存是與XHY配置在一起的。XHY既要具備訪問這些內(nèi)存的能力，還應(yīng)提供相應(yīng)的存儲(chǔ)介質(zhì)5指令系統(tǒng)口AX有多少條指令，各條指令又具有什么功能，是了解與使用口AX的重要方面6支持軟件為了便于編制口AX程序，多數(shù)口AX廠家都開發(fā)有關(guān)計(jì)算機(jī)支持軟件。7可靠控制為使口AX能可靠工作，在硬件與軟件兩個(gè)方面口AX廠家都采取了很多措施，對(duì)一些特殊可靠要求的口AX,還有相應(yīng)的特殊的措施，如熱備、冗余等等。這在介紹口AX的特點(diǎn)時(shí)已作了敘述?？煽看胧┑哪康氖窃黾涌贏X平均故障間隔時(shí)間、MTB①（MsavTi^sBsTwesvOa