1.變頻器基本概述

  變頻技術(shù)是將電信號須率按照控制的要求:通過具體的電路實(shí)現(xiàn)電信號項(xiàng)率變換的應(yīng)用型技術(shù)。

  變須技術(shù)是應(yīng)交流電機(jī)無級調(diào)速的需要而產(chǎn)生的,它的發(fā)展建立在電力電子技術(shù)的創(chuàng)新、電力電子器件及材料的開發(fā)和制造工藝水平提高的基礎(chǔ)之上,尤其是高壓大容量絕緣柵雙極品體管,集成門極換流晶閘管的成功開發(fā),使大功率變頻技術(shù)得以迅速發(fā)展且性能日益完善。

  變頻器是變頻技術(shù)應(yīng)用的裝置,是運(yùn)動控制系統(tǒng)中的功率變換器。變頓器作為重要的功率變換部件.可為系統(tǒng)提供可控的高性能變壓變頻交流電源。

  1)變頻器發(fā)展歷程

  隨著生產(chǎn)技術(shù)的不斷發(fā)展:直流拖動的薄弱環(huán)節(jié)逐步顯現(xiàn)出來，由于換向器的存在;使直流電動機(jī)的維護(hù)工作量加大,單機(jī)容量、最高轉(zhuǎn)速以及使用環(huán)境都受到限制。使用者轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠、便于維護(hù)、價(jià)格低廉的異步電動機(jī),但異步電動機(jī)的調(diào)速性能難以滿足生產(chǎn)要求。于是,從20世紀(jì)30年代開始:人們就致力于交流調(diào)速技術(shù)的研究,然而進(jìn)展緩慢。在相當(dāng)長時(shí)期內(nèi),變速傳動領(lǐng)域,直流調(diào)速一直以其優(yōu)良的性能領(lǐng)先于交流調(diào)速。60年代以后特別是70年代以來,電力電子技術(shù)和控制技術(shù)的飛速發(fā)展,使得交流調(diào)速可以與直流調(diào)速相媲美、相競爭，目前,交流調(diào)速逐步代替直流調(diào)速的時(shí)代已經(jīng)到來。

  電力電子器件的發(fā)展為交流調(diào)速奠定了物質(zhì)基礎(chǔ)。20世紀(jì)50年代末出現(xiàn)了晶閘管,由品閘管構(gòu)成的靜止變頻電源輸出方波或階梯波的交變電壓,取代旋轉(zhuǎn)變頻機(jī)組實(shí)現(xiàn)了變頻調(diào)速,然而品閘管屬于半控型器件,可以控制導(dǎo)通,但不能由門極控制關(guān)斷。因此,由普通晶閘管組成的道變器用于交流洞速必須附加強(qiáng)迫換向電路,70年代后期,以功率晶體管(GTR)、門極可關(guān)斷晶閘管(GTO),功率MOS場效應(yīng)管(PoWerMOSFETD為代表的全控型器件先后問世:并迅速發(fā)展,通過對這些器件門極(基極、柵極)的控制,既能控制導(dǎo)通又能控制關(guān)斷,又稱自關(guān)斷器件。它不再需要強(qiáng)迫換向電路;使得逆變器結(jié)構(gòu)簡單、緊湊。此外,這些器件的開關(guān)速度普遍高于晶閘管,可用于開關(guān)速度較高的電路。在80年代后期,以絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)為代表的復(fù)合型器件異軍突起。它把MOSFET的驅(qū)動功率小、開關(guān)速度快的優(yōu)點(diǎn)和GTR通態(tài)壓降小,載流能力大的優(yōu)點(diǎn)集于一身,性能十分優(yōu)越,與IGBT相對應(yīng),MOS控制晶體管(MCTD綜合了晶閘管的高電壓、大電流特性和MOSFET的快速開關(guān)特性:是極有發(fā)展前景的大功率、高煩功率開關(guān)器件。電力電子器件正在向大功率、高頻化、智能化發(fā)展。80年代以后出現(xiàn)的功率集成電路(PIC),集功率開關(guān)器件、驅(qū)動電路、保護(hù)電路、接口電路于一體:目前已用于交流調(diào)速的智能功率模塊(IPMD采用IGBT作為功率開關(guān),含有驅(qū)動電路及過載、短路、超溫、欠電壓保護(hù)電路,實(shí)現(xiàn)了信號處理、故障診斷、自我保護(hù)等多種智能功能,既減少了體積,減輕了重量,又提高了可靠性,使用維護(hù)都更加方便,是功率器件的發(fā)展方向。

  目前，作為交-直-交變頻技術(shù)的矢量控制變頻和直接轉(zhuǎn)矩控制,由于它們輸人功率因數(shù)低,諧波電流大,直流回路需要大的儲能電容,再生能量又不能反饋回電網(wǎng),人們又研制了矩陣式交-交變頻技術(shù)。該技術(shù)雖尚未成熟,但是,矩陣式交-交變頻技術(shù)具有功率因數(shù)為1.輸人電流為正弦且能四象限運(yùn)行、系統(tǒng)的功率密度大的特點(diǎn)。

  20世紀(jì)90年代后半期:變頻技術(shù)的發(fā)展使家用電器具有高速度、高出力、控制性能好、小型輕量、大容量、長壽命、工作安全可靠、靜音和省電等優(yōu)點(diǎn),廣泛應(yīng)用于家用電器的控制技術(shù)領(lǐng)域,使家用電器的品質(zhì)和性能產(chǎn)生了歷史性的變化。變頻太陽能發(fā)電技術(shù),將進(jìn)人人們的日常生活,家用太陽能發(fā)電系統(tǒng)將給家電提供新的能源。

  現(xiàn)在利用變頻技術(shù)不但可實(shí)現(xiàn)圖像清晰度的提高,還可應(yīng)用在保護(hù)視力,提高場頻性能等方面。另外,改變清晰度不同等級的圖像格式時(shí)也用到了變頻技術(shù),如變頻彩電的出現(xiàn)可以使人們觀看到更高質(zhì)量的圖像,同時(shí)又保護(hù)了觀看者的視力。

  2)變頻調(diào)速的方法和特點(diǎn)

  變頻調(diào)速是通過改變異步電動機(jī)定子繞組供電頻率f?,從而改變其同步轉(zhuǎn)速的調(diào)速方法。當(dāng)轉(zhuǎn)差率s。一定時(shí),電動機(jī)的轉(zhuǎn)速九基本上正比于f?。很明顯,只要有輸出頻率可平滑調(diào)節(jié)的變額電源,就能平滑、無極地調(diào)節(jié)異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速。

  變頻調(diào)速系統(tǒng)的主要設(shè)備是提供變頻電源的變頻器。目前國內(nèi)使用較多的是交直-交變額技術(shù)。

  變頻器的特點(diǎn)如下。

  (1)變頻器結(jié)構(gòu)復(fù)雜,價(jià)格昂貴,容量有限。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展.其發(fā)展趨勢將會是簡單可靠、性能優(yōu)異、操作方便。

  (2)變頻器具有機(jī)械特性較硬、靜差率小、轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性好、調(diào)速范圍、平滑性高等特點(diǎn)可實(shí)現(xiàn)無級調(diào)速。

  (3)變頻調(diào)速時(shí),轉(zhuǎn)差率5較小,則轉(zhuǎn)差功率損耗較小,效率較高。

  (4)變頻調(diào)速時(shí)，基頻以下調(diào)速為恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方式,基頻以上調(diào)速近似為恒功率調(diào)速方式。