輸出頻率與輸出電壓之間對應關系:輸出頻率與輸出電壓為正比。舉例:當輸出頻率由50Hz調整為30Hz時,實測的輸出電壓為232V。此時,輸出頻率為額定頻率的60%,輸出電壓同樣為輸入電壓的60%。
變頻器輸出頻率與輸入功率之間對應關系:變頻器輸出頻率與輸入功率的立方成正比。舉例:當輸出頻率由50Hz調整為30Hz時,輸入功率由額定值減少為P輸入=設:電動機額定功率=100KW則輸入功率==21.6KW。
變頻器輸出頻率與輸入電流之間對應關系:變頻器輸出頻率與輸入電流的立方成正比。舉例:當輸出頻率由50Hz調整為30Hz時,輸入電流由額定值減少為P輸入=電動機額定電流=200A則輸入功率==43.2A。
一、變頻器的載波頻率
變頻器的載波頻率是一個非常重要的功能參數,它可以根據需要進行設置。變頻器通過對載波頻率脈沖占空比的調整實現調頻調壓。任何一臺變頻器都有這個參數。各種變頻器的載波頻率設置范圍不盡相同
正確設置變頻器的載波頻率,可以降低電動機的運行噪聲,避開系統的機械共振,減小輸出電路配線對地漏電流,從而減小變頻器發生的干擾。變頻器逆變部分的IGBT開關管在由導通到截止以及由截止到導通的過程中有開關損耗,所以載波頻率設置的越高,單位時間內產生的損耗將越大,導致變頻器的運行損耗增加,發熱量增加,這也是設置變頻器載波頻率需要考慮的因素之一。
變頻器載波頻率參數設置對電動機運行的影響可參見表2。
表2變頻器載波頻率設置高低對電動機運行效果的影響
二、變頻器的內部主電路
變頻器的內部主電路如圖1所示。
圖1電路中,交流電源從變頻器的R、S、T端輸入,經二極管D1~D6的三相橋式整流,給為提高耐壓而相互串聯電容器C1、C2充電,在電容器兩端得到P端為正、N端為負的直流電壓UD,圖1右邊的6只IGBT管V1~V6是變頻器的逆變電路,可將直流電壓UD逆變成頻率與電壓均可調的交流電壓從U、V、W端輸出,用于驅動電動機。
圖1中電阻R用于通電瞬間限制充電涌流;接觸器KM的觸點稍后延時閉合將電阻R短路;電阻R1和R2是充電電容器的分壓電阻。
三、逆變電路如何將直流電壓轉換成交流電壓
變頻器送給電動機的應該是三相交流電,對于負載來說,負載兩端的電壓和流過負載的電流如果是不斷變換極性或流動方向時,這個電壓和電流就是交流電壓或電流。
1.單相逆變電路
單相逆變電路的工作情況可參見圖2,逆變電路的工作情況如下:
(1)前半周期令開關V1、V2導通,V3、V4截止,則負載RL中的電流從a流向b,RL兩端的電壓是a(+)、b(—)。
圖2中的V1~V4是IGBT管,在逆變橋中,它們起的就是電子開關的作用。
(2)后半周期令開關V1、V2截止,V3、V4導通,則負載RL中的電流從b流向a,RL兩端的電壓是a(—)、b(+)。
上述兩種狀態如能不斷反復地進行,則在負載RL上所得到的就是交變電壓了。這就是由直流電轉換為交流電的逆變過程。
2.三相逆變電路
三相逆變橋電路結構如圖3所示。其中(a)圖是三相逆變橋的電路結構,(b)圖是三相逆變橋輸出電壓的波形。其工作過程與單相逆變橋類似,只要使三個橋臂交替工作時,互差三分之一周期(T/3,即120°電角度),從而使三相輸出電壓的相位之間互差120°電角度即可。
四、變頻器對輸出電壓的調整
三相交流電源經變頻器輸入端的整流橋整流、電容器濾波,變換成P端為正、N端為負的直流電壓UD(見圖1),之后經過逆變電路中的IGBT開關管的斬波作用,向電動機提供的是矩形波脈沖串。盡管不是理想的正弦波,但這些脈沖串的頻率很高,其頻率等于載波頻率。在電動機感性繞組的作用下,流過電動機繞組的電流已經非常接近正弦波了。
如果載波頻率設置為5kHz,則載波頻率對應的周期為200μs=0.2ms。這時變頻器運行在25Hz的話,其對應的周期為40ms,這樣,電動機運行1Hz對應周期的時間段內就包含有40ms/0.2ms=200個載波頻率周期。由于40ms中有正半周和負半周,所以,每半個周期各含有100個載波頻率周期。由此可見,足夠高的載波頻率完全可以將變頻器輸出的波形調整得非常接近正弦波。
如前所述,通過適當安排IGBT管的導通與截止順序,我們可以得到交流電,如圖4所示。圖4中正半周和負半周波形圖中各畫出了16個脈沖的圖形,這只是為了說明變頻器調整輸出電壓的原理,實際上,每半個周期中包含的脈沖數量要多得多。
圖4中帶有陰影部分的矩形波是IGBT管導通、變頻器向電動機提供電流的波形,可以發現,1.陰影部分脈沖的寬度各不相同,但它們的周期是相同的。2.在接近正半周最大值的位置,矩形波脈沖的寬度最大,即占空比最大;而在正半周從零向最大值變化,以及從最大值逐漸變化為零的過程中,脈沖的占空比先是由小變大,然后由大變小。在脈沖占空比小時,平均電壓低;脈沖占空比大時,平均電壓大。變頻器正是通過調整脈沖的占空比來調整其輸出電壓的。
五、變頻器對輸出頻率的調整
變頻器對輸出頻率的調整示意圖見圖5。
對比圖5(a)和圖5(b),可以發現它們有如下異同。
相同之處:一是都使用調整脈沖占空比的方法獲得正弦交流電的波形;二是脈沖的幅度相等,都是變頻器整流濾波后的直流電壓UD;三是脈沖的周期相等,這個周期對應的頻率就是載波頻率。
不同之處,一是每半個周期(正半周或負半周)包含的脈沖個數不同;二是(b)圖中脈沖占空比的變化速率較快。
由于脈沖周期相同,所以包含脈沖個數多的半個周期(例如圖5(a))持續時間較長,正半周和負半周合成的一個完整周期時間較長,對應的頻率較低。而這個較低的頻率就是變頻器輸送給電動機的驅動頻率。
包含脈沖個數少的半個周期(例如圖5(b))持續時間較短,正半周和負半周合成的一個完整周期時間較短,對應的頻率較高。而這個較高的頻率也是變頻器輸送給電動機的驅動頻率。
變頻器正是通過調整載波頻率脈沖的占空比,以及調整脈沖占空比變化的速率來調整輸出電壓和輸出頻率的。