变频器问世的时间虽然较短,但其种类颇多,一般有以下几种分类。
(一) 按变换频率的方法分类
1.交—直—交变频器
这种变频器是先把50Hz的交流电流经过整流变换成直流,再经滤波后将较平滑的直流电逆变成频率可调的交流电。根据选用滤波器件的不同,变频器又分电容滤波和电感滤波两种形式。电容滤波的直流回路的电压波形比较平直,输出阻抗很小,电压也不易突变,相当于直流恒压源,所以称之为电压型变频器; 电感滤波形式直流回路的电流波形比较平直,输出阻抗很大,电流不易突变,相当于直流恒压源,所以称为电流型变频器。
图1-1-1为交—直—交变频器主电路原理图,其中,图1-1-1 (a) 为电压型变频器,图1-1-1 (b) 为电流型变频器。
图1-1-1 交—直—交变频器主电路原理图
(a) 电压型变频器; (b) 电流型变频器
2.交—交变频器
所谓交—交变频器一般是由三相反并联晶闸管组成的可逆桥式,采用电网自然换相原理,组成的变频器。它具有过载能力强、效率高、输出波形好等优点; 但也具有输出频率低,使电网功率因数低,旁频谐波影响大等缺点。交—交变频器可驱动同步电动机,也可以驱动异步电动机。
(二) 按电压等级分类
1.低压型变频器
这类变频器电压单相为220～240V、三相为220V或380～460V。通常用200V类、400V类标称这类变频器。容量0.2kW～280kW,多则达500kW。因此,这类变频器又称作中小容量变频器。
本书所介绍的就是此类变频器。
2.高压大容量变频器
它有两种形式,一种采用升降压变压器形式的,称之为 “高—低—高” 式变频器,亦叫作间接高压变频器; 另一种采用高压大容量GTO晶闸管或晶闸管功率元件串联结构,无输入、输出变压器,也称作直接高压变频器。因本书主要是介绍低压型变频器,所以对高压大容量变频器从略。
(三) 按改变输出电压或电流波形分类
分为PAM和PWM两种。
图1-1-2 PAM电压调节波形
(a) 高电压时; (b) 低电压时
1.PAM
这是Pulse Amplitude Modulation的缩写,是一种改变电压源的电压Ed或电流源的电流Id的幅值,进行输出控制的方式。因此,在逆变器部分只控制频率,在变流器部分控制输出的电压或电流。采用PAM调节电压时,高电压[见图1-1-2 (a)] 及低电压 [见图1-1-2 (b)]时的输出电压波形如图1-1-2所示。
2.PWM
它是Pulse Width Modulation的缩写。这种方式在输出波形的半个周期中,能产生多个脉冲,并使各脉冲的等值电压为正弦波状,输出电压或电流波形平滑,而且低次谐波较少。
在晶闸管逆变器中,由于其换相时间需要一百至数百微秒 (μs),开关频率低,难以实现PWM控制,故通常采用PAM方式。
PWM方式常用于可自关断晶体管和GTO晶闸管逆变器,用来对频率和输出电压进行控制调整。因此,在PWM方式中,直流环节可以是固定电压 (或电流) 的直流,整流部分通常采用电力大功率整流二极管整流。
(四) 按用途分类
变频器在各行各业的应用与日俱增,在我国发达地区大有取代星三角起动器和自耦降压式起动补偿器的趋势。而根据行业应用特点设计成的专用变频器也逐渐增多。现就国内外按用途分类的变频器介绍如下。
1.通用型变频器
低频下能输出大力矩功能,载频任意可调,1kHz～12kHz。有很强的抗干扰能力,噪声小。也有采用空间电压矢量随机PWM控制方法的,功率因数高,动态性能好,转矩大,噪声低。还有的设三段速、四段速、八段速调节,具有转速提升功能和失速调节功能,能模拟通道及端子触发方式选择功能。
通用型变频器是用途最为广泛的变频器,是本书介绍之重点。
2.风机、泵类专用变频器
这类变频器具有无水、过压、过流、过载等保护功能。水泵控制时采用“一拖一”、“一拖二” 控制模式。V/F补偿曲线更加适合风机泵类的负载特性,内置PID调节器和软件制动功能模块。变频器运行前的制动保护功能,保护变频器和风机泵类不受损害。风机、泵类变频器与通用变频器的区别见表1-1-2。
表1-1-2 风机、泵类变频器与通用变频器的区别
| 性能参数 | 风机、泵类变频器 | 通用变频器 | 性能参数 | 风机、泵类变频器 | 通用变频器 |
| 最高频率 (Hz) | 50～120 | 50～400 | 过载电流 (%·Imin) | 120%·Imin | 150%·Imin |
| 起动转矩 (%) | 50%以上 | 150%以上 |
3.直流输入型变频器
分310V输入和560V输入两种类型,分别对应220V交流输出和380V交流输出。这种变频器的基本技术规格与通用型变频器相同。但在45kW及以上时,须外加直流电抗器。直流输入型变频器可广泛用于矿用机车和油田直流供电系统等。
4.抽油机增产节能变频器
这种专用变频器具备自动运行、手动运行、二段速控制功能,调试简单、操作直观、使用方便,易于维护。并具有照明、加热、通风等辅助功能,适用于热、寒天气,夜间油田作业。在变频系统内,各单元均具有自保护,发生故障时有显示和警示,保护不停机切换,自动排除故障,温度显示、风冷和加热等功能。
5.注塑机专用变频器
注塑机专用变频器具有更强的过载能力,有更高的稳定性和更快的响应速度,且抗干扰性强。具有隔离双通道模拟输入,提供电压型或电流型分离变量的加权比例控制,控制灵活。具有模拟量输入输出补偿的电流补偿功能,可提供丰富多彩的补偿方法和补偿参数。它采用失速调节,定时操作,端子功能定义等,使变频器的使用更加方便。
6.注塑机专用变频柜
这种变频柜具有变频器及切换装置和操作显示面板等。切换装置用 “工频” (即50Hz)和 “变频” 切换。当变频器发生故障或需要检修时,为了不影响生产,可将注塑机切换到工频电源。切换又有 “手动” 和 “自动” 两种方式; 操作显示面板可进行基本的功能操作和参数设定。
7.络纱机专用变频器
这种变频器采用无级平滑调速,对机械设备无冲击,能延长设备的使用寿命,可防止纱线由于冲击而被拉断。它具有线速度设定功能,从而保证纺纱速度恒定。纺纱成型后,根据纱线种类可以任意设定纺纱速度,以利于提高生产效率。此外,络纱机专用变频器具有掉电记忆,滑移系统设定等功能,从而保证纺纱长度一定,重量一定。
8.络筒机专用变频器
络筒机专用变频器为无级平滑调速,无机械冲击,能延长设备使用寿命,防止纱线由于冲击而拉断。它具有起始频率、终止频率设定功能,随着纺纱长度增加,变频器能从起始频率平滑降到终止频率。此外,它还具有满纱停车、满纱指示、断纱、无脉冲自动停机指示功能,以及掉电记忆功能,并且再次通电能从掉电数据继续纺纱。
9.直流无刷电动机调速器
直流无刷电动机调速器采用PWM技术实现无级调速,适用于多种需要调速的应用场合。低速扭矩大,运行平稳,低噪声,高效率,数字芯片为内部的核心部件,驱动器数字化、智能化。配合用的电动机的转子为具有多对磁极的永磁体,定子绕组为三相星形接法。采用开关型双极性霍尔传感器,用于检测电动机转子的位置,同时亦提供电动机转速信号。
10. 多泵供水专用变频器
这种变频器内置多台泵的操作控制电路,固定变频方式时,最多可拖控7台泵的电动机; 循环变频方式时,最多可拖控4台泵的电动机。在 “变频” 与 “工频” 间循环切换。它具有合理分配各台电动机工作时间功能,可有效地防止电动机因长时间不工作而生锈。具有双压力、双PID控制功能,并可实现正反馈控制和负反馈PID控制。此外,还具有停车判断功能,可方便地实现外控电路连接。
11.砂光、抛光和高速磨削专用中频变频器
中频变频器采用空间电压矢量随机PWM调制方法,在频率输出的全范围内保证恒定的较低噪声。它分单相220V输入和三相380V输入两种类型,最高输出频率可达1000Hz,其他技术规格同通用型变频器。通常,75kW以上的变频器配置交流电抗器。
12.宽程变频器
宽程变频器适配电动机容量0.75～220kW,电压、电流分别可调,全数字控制,智能化,人性化设计。
13.能量可回馈型变频器
能量可回馈型变频器除具备通用变频器的特点外,其整流单元、逆变单元完全可控。电动机制动时的能量通过特殊装置可以大部分回馈给电网,以保证电网不受污染。四象限运行,节能效果显著。
14.地铁机车变频器
将电力大功率可关断晶闸管 (GTO) 应用于无轨电车、轻轨车辆、地铁机车、钢轮支撑直线电动机传动车辆、干线电力机车和磁悬浮试验车辆的传动系统中。
15.电动汽车变频器
汽车进入家庭已是平常的事,但是石油储量逐渐减少,汽车对大气的污染日趋严重,研制电动汽车正受到人们关注,而电动车辆变频器则是电动车的 “心脏” 部件。