电机起动器第 6 部分：变频驱动器

【导读】当使用不需要全速运行的应用程序时，变频驱动器可以降低能耗成本。VFD 的目的 是使电机驱动的设备的速度与所需负载的速度相匹配。这是其他交流电驱动器无法实现的。

为什么要使用电力驱动？

当使用不需要全速运行的应用程序时，变频驱动器可以降低能耗成本。VFD 的目的 是使电机驱动的设备的速度与所需负载的速度相匹配。这是其他交流电驱动器无法实现的。

在工业领域，65% 的电力消耗来自电动机。通过使用变频器优化电动机，可以减少 70% 的电力消耗。

为了确保电机以有效的速度和精度运行，以提高生产水平，建议使用 变频驱动器。

使用变频器控制设备可延长设备的使用寿命，减少维护需求，因为它们可达到适当的电机速度。变频器控制电机频率和电压可提供的过 载、欠压和过压保护。

VFD 的类型

存在三种类型的 VFD：电压源逆变器 (VSI)、电流源逆变器 (CSI) 和脉冲宽度调制逆变器 (PWM)。

VSI 是常见的 VFD 类型，其中使用简单的二极管电路从交流信号中获取直流信号，并有一个存储能量的电容器。然后，逆变器电路使用电容器存储的能量将其传送到输出。

CSI 依靠的是电流而不是电压，并产生取决于可变电压范围的平滑输出。使用晶闸管桥式逆变器代替二极管桥式整流器来产生电流方波。

VFD 的工作原理

使用 VFD，电机的转速通过输入电压的频率来控制，然后再将其提供给电机。交流驱动器的个动作是将 60 Hz、三相交流电转换为直流电，然后将直流电逆变为伪三相变频，直接进入连接的电机。

进入电力转换器的频率为 60 Hz，但从转换器输出到电机的频率具有可调的可变频率，以实现所需的电机转速。

变流器和逆变器构成PWM交流传动装置的两个主要部分。

图 1. VFD 工作框图。图片由 Simon Mugo 提供

交流电源线构成为转换器供电的三相电力系统。交流电源线以 60 Hz 频率运行。

该转换器利用整流器将 60 Hz 交流输入转换为直流输出电压。

图 2.转换器部分工作图。图片由 Simon Mugo 提供

电力转换器提供的直流输出很粗糙；因此，必须使用平滑方法来确保输出直流电压大致恒定。这种滤波作用发生在转换和逆变阶段之间。平滑后，直流电直接送入逆变阶段。

图 3.逆变器部分工作原理图。图片由 Simon Mugo 提供

逆变器部分的作用是产生交流输出，用于驱动电机。逆变器中发生正向和负向切换，从而产生脉冲集合。

PWM 驱动输出频率是通过在其中一个半周期注入正脉冲并在紧随其后的半周期注入负脉冲来控制的。

正弦波输出由窄和宽的正弦波组成。窄表示较低的输出电压值，而宽表示较高的电压值。不同的宽度构成了脉冲宽度调制。该图显示每半个周期有六个脉冲。

磁通量-伏特/赫兹比

向感应电动机施加电流会导致电动机在旋转磁场中产生磁通量，从而产生扭矩。为了产生满载扭矩，磁通量必须保持恒定。控制电动机保持恒定磁通量需要一种称为伏特/赫兹比的特殊方法。这种方法使电压和频率按比例增加到相同的值，以产生良好的电动机扭矩。

图 4.每赫兹的电压比。图片由 Simon Mugo 提供

例如，如果电压为 430 V 且频率为 60 Hz，则伏特/赫兹比为 430/60 或 7.2 V/Hz。

VFD 的作用是保持电压和频率比恒定。如果无法保持该恒定，电机电流就会变得不稳定，从而会降低扭矩。

电机转速

电机转速可以使用公式计算　速度(RPM)=频率(Hz)×120n

在哪里
n=极点数

例如，对于频率为 60 Hz 的 2 极电机，其速度可以通过以下公式确定速度（RPM）=60×1202=3600RPM

VFD 优势
节省能源
消耗极低的电机启动电流
安装简单
消耗低千伏安
具有相对较高的功率因数
减少启动过程中皮带和电机的机械应力和热应力

VFD 应用

物料在传送带上传输，因为它提供了平稳的启动。

由于 VFD 操作噪音极小，因此采用自动系统来打开和关闭大门

由于降低了功耗、减少了维护、延长了设备寿命，提升机控制和物料的提升。

变频驱动器的关键要点

电动交流驱动器用于控制运动物体的扭矩、速度和方向。

电动交流驱动器分为可变驱动器或恒定驱动器，可变驱动器用于以可变速度运行的电动机。

使用电动交流驱动器的原因是降低能源成本和消耗、通过更严格的过程控制来提高产量、延长设备寿命并减少维护。

VFD 使用频率来控制电机的速度，其中输入信号的频率在注入电机之前受到控制。

VFD 用于传送带的平稳启动、作为打开和关闭大门的自动系统以及作为提升物料的提升机控制。