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天天短訊!變頻器50個術語詳解——了解變頻器的設計、使用、實施和維護

2022-11-07 14:40:14 來源:

掌握變頻器(VFD)的眾多術語可能并不容易。本文總結了在很多變頻器手冊和技術文章中頻繁出現,以及在實際應用中主要涉及的50 個定義。學習與變頻器設計、使用、實施和維護有關的術語定義,將使用戶更容易正確地應用變頻器。

1. 整流器/ 轉換器:變頻器主電源電路的三個主要部分之一,是功率流的第一部分。輸入的交流線路電壓,在轉換器部分被整流為直流電壓,轉換器部分由二極管、可控硅整流器(S C R)或以全波橋配置連接的絕緣柵雙極晶體管(IGBT)組成。

2. 直流母線:變頻器主電源電路的第二個主要部分,主要由電容器組成,這些電容器平滑的存儲由轉換器整流的功率。直流母線部分還可能包含一個預充電電路和一個鏈路扼流圈。


(相關資料圖)

直流母線是變頻器主電源電路的第二個主要部分,主要由電容器組成,這些電容器平滑地存儲由轉換器整流的功率。

3. 逆變器:變頻器主電源電路的第三個主要部分。逆變器部分由I G B T 組成,I G B T使用脈沖直流母線電壓或脈沖寬度調制,產生正弦輸出電流。因為逆變器,是變頻器和直流驅動器之間的主要區別,因此變頻器本身有時也被稱為逆變器。

4. 隔離柵雙極晶體管(I G B T):電子驅動的高速半導體開關。通過在I G B T 的柵極和發射極點之間施加一個小的正電壓,允許電流從集電極點流向發射極點。變頻器中的IGBT 開關頻率范圍為2 至15 kHz。

5. 脈寬調制(PWM):一種變頻器控制方案,其中恒定直流電壓,被用于利用一組6 個功率開關(通常為I G B T),重建仿交流電壓波形。改變固定幅值脈沖的寬度,可控制有效電壓。這種脈寬調制方案之所以有效,是因為電機是一個大電感器,不允許電流像電壓一樣脈沖。正確排序后,PWM 以近乎完美的正弦波形輸出電機電流。

▎整流器 / 轉換器是變頻器主功率電路的三個主要部分之一。

6. 載波頻率:在基于PWM 的變頻器中,輸出晶體管關閉或開啟的速率,通常為2 至15 k H z。數值越高,電流波形越好,但變頻器損耗也越大。

在基于脈寬調制(PWM)的變頻器中,載波頻率是輸出晶體管關閉或開啟的速率,通常為2 至15 kHz。

7. 公共母線:連接單獨變頻器的直流母線段,或從公共直流電源運行多個獨立逆變器段的方法。這種方法的優點是,可以使用電機運行順序,來平衡電機和再生,因此只需要很少或不需要動態制動。

8. 動態制動:在變頻器中,這是指通過晶體管將電阻器連接到直流母線。晶體管閉合,僅當直流母線電壓超過設定水平時才將電源分流至電阻器,這通常發生在負載快速減載時。

9. 接地:接地是輸入交流電源的參考點。如果電源導線意外接觸地面,交流電源保護電路會立即將交流電源與接觸點進行電氣隔離。為了創建接地點,通常會將一根接地棒連接至大地,所有接地電路都連接到該接地點。當變頻器機箱連接回該接地時,會創建一條安全的傳導路徑,以防導體意外短路到外殼的金屬部分。

▎在基于脈寬調制(PWM)的變頻器中,載波頻率是輸出晶體管關閉或開啟的速率,通常為 2至 15 kHz。

10. k V A : 變頻器的有效功率,基于其提供的輸出電壓和電流。(kVA=V×A× √ 3,用于三相輸出。)將輸出V A 乘以負載功率因數, 得出輸出功率。在確定變頻器使用的部件(如變壓器和保險絲)規格時,了解額定輸入的kVA 很有用。

11. k W / h p : 電機的功率測量值,其中k W = h p X0.746. 由于感應電機產生的無功電流分量,電機的功率容量不是V×A,而是hp。

12. 泄漏電流:電機電纜和接地導體之間以及電機定子和轉子之間會產生寄生電容,P WM 脈沖與其相互作用產生的共模電壓對時間(d v /d t)求導。以這種方式產生的泄漏電流會出現在接地電路上,并且可能會給連接到同一接地點的敏感設備帶來問題。

13. 漏感:電機電感特性的一部分,與磁通或電壓損失同義。電壓損失源于電機導體上的電壓下降,但不產生連接定子和轉子的磁通。漏感的典型例子是定子繞組每一匝產生的磁通,該磁通發生在鐵芯外部。這是由定子磁極產生的,而與轉子無關。較高的工作電流和頻率會放大漏感的影響。

▎線路電抗器是一種由繞在鐵芯上的導體組成的裝置 ;它可以減少變頻器諧波。

14. 線路電抗器:由繞在鐵芯上的導體組成的裝置。當電流流過線圈時,鐵芯中就會產生磁場。電流幅值或方向的任何變化,都與鐵芯中現有的磁場相反,直至達到平衡。線路電抗器減少了變頻器轉換器導致的電流不連續性。減少這種不連續性或電流牽引失真,可以減少變頻器產生的諧波電流。由于線路電抗器安裝在變頻器之前,因此它還可以通過降低與流經驅動器的電流成比例的電壓,來幫助保護驅動器免受大多數電壓瞬變的影響。電抗器和電感器這兩個術語經?;Q使用,指的是同一個設備,盡管電抗和電感不是可互換的術語。

15. 鏈路扼流圈:在變頻器中,布置在直流母線電容器前的單個電抗器。鏈路扼流圈減少由變頻器產生的諧波(由于其扭曲的輸入電流牽引),其方式與線路電抗器相同,但對電壓瞬變提供的保護較少。與線路電抗器不同,直流鏈路扼流圈沒有電流依賴性壓降。

16. 恒定扭矩和可變扭矩負載:

· 恒定扭矩:扭矩要求不會隨速度的變化而變化,有時需要間歇性過載。

· 可變扭矩:扭矩要求隨速度的變化而自然增加(如風扇或泵),且不需要間歇性過載。

▎鏈路扼流圈是一個單獨的電抗器,布置在變頻器直流母線電容器之前,可以減少變頻器諧波。

17. 矩陣變換器:一種交流到交流(a c - t o - a c)變頻器, 沒有整流器/ 變換器或直流(d c) 總線來實現a c - d c - a c 轉化,就像大多數商用驅動器一樣。根據目標輸出電壓和頻率,控制9 個雙向開關。優點包括占地面積小的四象限運行、低輸入電流諧波失真、低共模電壓和共模電流。然而,矩陣驅動器的輸出電壓被限制在輸入電壓的90% 左右。

18. 電機極數:在感應電機中,定子用于在電機內部產生磁場,從而磁化其轉子并導致軸旋轉。線圈纏繞在對稱的鐵心上,依次排列在定子內徑周圍。當電流通過線圈時,就會產生電磁鐵。在單相電機中,這些電磁鐵中的每一個都與另一個相差180°且極性相反的電磁鐵相匹配,從而產生磁場。在三相交流電動機中,三個這種電磁鐵構成一個電動機極。電機的極數是確定電機每hp 扭矩和每Hz 轉速的因素之一。

19. 預充電電路:當線路電源初次連接變頻器時,直流母線電容器處于不帶電狀態,其表現很像短路。這種短路狀態引起的大電流涌入,會損壞電容器和其它變頻器主電路組件。當電容器開始充電時,預充電電路可以限制涌入的電流。一旦電容器充電到目標電壓,接觸器就會旁路預充電電路。

▎電機的極數是確定電機每 hp 扭矩和每 Hz 轉速的因素之一。此圖顯示了一個 2 極的電機。

20. 反射波:所有基于P W M 的變頻器,都會產生上升和下降時間很短的輸出電壓脈沖。這些高dv/dt 脈沖與電纜電感和電容相互作用,并在電機端子處產生輸入電壓脈沖的反射。如果電機和變頻器之間的距離超過允許的距離,反射波會使電機端子處的電壓峰值接近直流母線電壓的兩倍。這種高電壓可能超過電機絕緣的額定電壓。

21. 再生:只要轉子的旋轉速度超過定子磁場,電機就可以成為發電機,并將電力回送至主線。在這種情況下,負載被稱為再生。每當變頻器試圖使電機減速時,或當負載檢修電機時,都可能發生這種情況。在這種狀態下,電機的反向電磁場大于施加的電壓,這會導致母線電壓升高,并可能導致變頻器故障。為了避免再生過程中出現變頻器故障,使用了某種形式的功耗,如動態制動或線路再生。

22. 飽和:在變頻器中,飽和是指施加在電機上的電壓,高于產生正弦磁場密度所需電壓的一種狀態。在飽和狀態下增加電壓,不會產生額外的機械扭矩,但會因電流增加而增加電機的發熱。

23. 單相電源:典型的230-V A C 單相電氣系統,使用兩根火線和一根中性線來傳輸電源。這種系統主要用于不需要三相電力的應用,或三相電力傳輸成本過高的偏遠地區。

24. 三相電源:主要用于商業和工業設施,三相電氣系統使用中性點或接地,以及三條火線,每條傳輸一個交流相位。每個相位都是一個正弦波,相差120 度,即周期的三分之一。每個相位在不同的時間達到峰值,使總電源看起來像是連續的直流電源。

25. 漏極和源極:涉及通過變頻器和其它組件的數字輸入和輸出的電流。在漏極電路中,電流從電源流過負載,到達開關,然后到達接地。N P N 晶體管通常與漏極電路有關。在源極電路中,電流以相反的方向流動。P N P 晶體管通常與源極電路有關。

26. 轉差:電機旋轉磁場(由定子產生)和電機軸旋轉之間的速度差。在感應電動機中產生轉矩需要轉差。

27. 12 脈沖整流:用于減少輸入電流總諧波失真(T H D)。由于電流失真會導致電壓失真,因此電壓失真也會降低。12 脈沖整流需要一個雙二極管橋式輸入(每個6 個脈沖)和一個多相變壓器。后者通過其中一個6 個脈沖輸入二極管電橋之一,將電壓波形偏移30°。該偏移可以消除第5 和第7 個諧波;它們約占THD 的75%,因此在額定工作點,輸入電流的T H D 降至額定電流的10% 左右。

▎此圖顯示了一個 4 極的電機。

28. 18 脈沖整流:用于減少輸入電流T H D。18 脈沖整流需要一個三重二極管橋式輸入(每個6 個脈沖)和一個多相變壓器。變壓器通過6 個脈沖輸入二極管電橋將電壓波形偏移20°。該偏移可以消除第5、7、11 和13 個諧波。這4 個諧波約占THD 的90%,因此在額定工作點,輸入電流的T H D 降低至額定電流的5% 左右。

29. 控制板:控制板是一塊印刷電路板(P C B), 是用于連接外部設備和運行人員與變頻器之間接口的主要組件。作為變頻器的大腦,PCB 接受現實世界中的指令,如“運行”或“加速”,并執行目標功能??刂芇 C B 通常通過門驅動板與變頻器的主電路連接。

30. 柵極驅動板:包含操作(門控)變頻器輸出晶體管所需電路的P C B。柵極驅動板還可以監控主電路的溫度、電流和電壓。通常,較小的變頻器沒有單獨的柵極驅動器,而是將柵極與邏輯電源結合起來形成電源板。

31. 智能功率模塊(I PM):用于某些變頻器的輸出部分。IPM 包括IGBT、門電路、熱傳感器和自我保護裝置。與IPM 組件單獨布置在外部PCB 上相比,IPM 包含在變頻器套件中更方便,占用的空間也更小。

32. 復制鍵盤:一種變頻器鍵盤,可以將編程存儲到鍵盤本身的非易失性R A M 中。這些存儲的參數通??梢约虞d到另一個需要相同編程的變頻器中。

33. 交流永磁電機:永磁電機是一種同步交流電機。兩種主要的交流永磁電機,包括表面安裝和內部安裝。與普通感應電機不同,在永磁電機正常運行期間,定子和轉子之間沒有轉差。轉子中沒有I2R 損耗,因此P M電機的額定效率高于感應電機。由此帶來節能和更小的尺寸,使永磁電機成為感應電機的有用替代品,盡管并非所有變頻器都能操作永磁電機。

▎雙接觸器旁路是一種附件,允許電機通過線路或變頻器運行。三接觸器旁路可用于以比變頻器輸入電路效率更高的恒定速度運行電機。

34. 雙接觸器旁路:變頻器的附件,允許電機通過線路或通過變頻器運行。一個接觸器安裝在進線和電機之間,另一個安裝在變頻器輸出和電機之間。雙接觸器旁路允許電機直接從進線運行,繞過變頻器;在變頻器故障的情況下,可直接從進線以恒定速度運行電機。

35. 三接觸器旁路:允許電機在線路上或通過變頻器運行的附件。一個接觸器安裝在進線和變頻器輸入之間,另一個(旁路)接觸器安裝在進線和電機之間,第三個安裝在變頻器輸出和電機之間。這允許電機在線路運行時進行變頻器維修,也可用于以比變頻器輸入電路效率更高的恒定速度運行電機。

36. V / F 模式:也稱為V / H z 模式,這是一種通過變頻器對交流感應電機進行簡單控制的方法。根據基礎電壓和電機基礎頻率額定值確定比率。這個比率產生一個線性模式,變頻器遵循該模式來產生額定電機轉矩。電壓與頻率之比是機器中的磁通水平,它反過來決定了機器在給定工作點產生的扭矩量。

37. 開環矢量:一種復雜但有效的電機控制方法,允許變頻器實現直流驅動控制的最佳特性(在較寬的速度范圍內實現精確扭矩控制),無需直流電機的電刷維護和高初始成本。為了獲得最佳性能,必須知道或準確估計電機轉子的位置或偏差。在開環矢量控制中,由于缺乏實際的軸位置反饋,必須通過其它方法計算轉子位置。然而,與閉環矢量操作相比,消除反饋裝置、變頻器輸入和相關布線的成本節約,抵消了電機性能的輕微損失。

▎V/Hz 模式是一種通過變頻器對交流感應電機進行簡單控制的方法。

38. 閉環矢量:一種復雜但高效的電機控制方法,允許變頻器實現直流驅動控制效益,而沒有直流電機的物理限制。編碼器或分解器等反饋裝置,提供必要的電機轉差信息,以閉合變頻器輸出頻率和實際電機軸轉速之間的回路。

39. 比例、積分和微分(PID):PID 控制算法廣泛應用于整個工業控制。當通過添加反饋(空氣流量、壓力或液位等變量),創建過程回路并發送至變頻器時,可通過P I D 回路控制調節變量。變頻器的P I D 算法利用數學特性,來確定對系統設定值和反饋測量的實際狀態之間變化的響應。

40. 自動調諧:變頻器測試連接和空載電機,以確定最佳調諧參數的過程。

41. 短路電流額定值(S C C R):設備在短路事件中能夠承受、而不會失去其外部完整性的最大電流。設備或設備組合的S C C R,應大于其輸入端可能的故障電流。

42. 安培中斷電流(AI C):在額定電壓下,保護變頻器的過電流保護裝置打開而實現安全停機的對稱電流量。

▎通過電流保護裝置(OCPD)將下游的故障電流量降低到其通過電流額定值。

43. 允許通過電流:過電流保護裝置(O C P D)通常打開,并允許低于最大故障電流的有限電流流過。O C P D 允許流過的電流稱為“通過”電流。因此,O C P D 將下游的故障電流量降低到其通過電流額定值。故障電流必須在O C P D裝置的范圍內。

44. 現場總線:可用于自動化的通信網絡,由用于傳輸消息的物理方式以及消息的結構定義。這些網絡本質上是串行的?,F場總線網絡的物理實現可以由R S -485 或以太網組成。許多變頻器都有內置的現場總線連接,盡管有些現場總線協議需要選項板。

45. R S -485 :串行網絡標準,定義了工業環境中傳輸和接收信息的電氣和物理特性。RS-485 的一個主要特點是,它是一種多點連接方案,允許許多設備僅使用兩根或四根電線和一個屏蔽線進行遠距離通信。

46. 以太網:一種定義網絡設備或節點的硬件和消息傳輸規范。它由O S I模型的前兩層:物理層( 電纜、R J45連接器)和數據鏈路層(即定義消息如何從一個設備傳輸到另一個設備)組成。

▎三電平輸出是一種改進的輸出 PWM 模式。

47. 協議:定義如何創建用于現場總線網絡消息的一組規則。這些規則將詳細說明如何構建和交付設備(如變頻器)之間的通信。如果不使用網關設備,不同的協議通常不能在單個網絡中混合使用。常見的協議示例包括E t h e r N e t /IP、DeviceNet、Profibus、Profinet、Modbus RTU 和Modbus TCP/IP 等。

48. 運行源:每個變頻器都需要定義啟動電機命令的來源。通常,啟動命令有就地(如鍵盤)和遠程(如網絡命令)。通??梢酝ㄟ^鍵盤選擇就地或遠程指令源。需要注意的是,通常一次只能有一個指令源處于活動狀態,其它所有指令源都將被忽略。

49. 參考源:指定變頻器速度指令的來源。它也被稱為頻率參考,因為大多數變頻器默認使用以H z 為單位的頻率,作為默認的轉速指令。有時,但并非總是,參考源與指令源出自同一個地方。

50. 三電平輸出:一種改進的輸出PWM 模式,使用額外的I G B T、中性點鉗位和自定義開關模式,來實現三種可能的輸出電壓電平(E /2、0、- E /2,其中E /2 為直流母線中點電壓)。變頻器的三電平輸出,自然會降低共模電壓和噪聲,并顯著降低導致電機軸承過早故障的軸承電流。

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