變頻器(Variable-frequency Drive,VFD)是應用變頻技術與微電子技術,通過改變電機工作電源頻率方式來控制交流電動機的電力控制設備。
變頻器主要由整流(交流變直流)、濾波、逆變(直流變交流)、制動單元、驅動單元、檢測單元微處理單元等組成。變頻器靠內部IGBT的開斷來調整輸出電源的電壓和頻率,根據電機的實際需要來提供其所需要的電源電壓,進而達到節能、調速的目的,另外,變頻器還有很多的保護功能,如過流、過壓、過載保護等等。隨著工業自動化程度的不斷提高,變頻器也得到了非常廣泛的應用。
變頻技術誕生背景是交流電機無級調速的廣泛需求。傳統的直流調速技術因體積大故障率高而應用受限。
20世紀60年代以后,電力電子器件普遍應用了晶閘管及其升級產品。但其調速性能遠遠無法滿足需要。1968年以丹佛斯為代表的高技術企業開始批量化生產變頻器,開啟了變頻器工業化的新時代。
20世紀70年代開始,脈寬調制變壓變頻(PWM-VVVF)調速的研究得到突破,20世紀80年代以后微處理器技術的完善使得各種優化算法得以容易的實現。
20世紀80年代中后期,美、日、德、英等發達國家的 VVVF變頻器技術實用化,商品投入市場,得到了廣泛應用。 早的變頻器可能是日本人買了英國專利研制的。不過美國和德國憑借電子元件生產和電子技術的優勢,高端產品迅速搶占市場。
變頻器節能主要表現在風機、水泵的應用上。風機、泵類負載采用變頻調速后,節電率為20%~60%,這是因為風機、泵類負載的實際消耗功率基本與轉速的三次方成比例。當用戶需要的平均流量較小時,風機、泵類采用變頻調速使其轉速降低,節能效果非常明顯。而傳統的風機、泵類采用擋板和閥門進行流量調節,電動機轉速基本不變,耗電功率變化不大。據統計,風機、泵類電動機用電量占全國用電量的31%,占工業用電量的50%。在此類負載上使用變頻調速裝置具有非常重要的意義。目前,應用較成功的有恒壓供水、各類風機、中央空調和液壓泵的變頻調速。
矢量控制(VC)方式
矢量控制變頻調速的做法是將異步電動機在三相坐標系下的定子電流Ia、Ib、Ic、通過三相-二相變換,等效成兩相靜止坐標系下的交流電流Ia1Ib1,再通過按轉子磁場定向旋轉變換,等效成同步旋轉坐標系下的直流電流Im1、It1(Im1相當于直流電動機的勵磁電流;It1相當于與轉矩成正比的電樞電流),然后模仿直流電動機的控制方法,求得直流電動機的控制量,經過相應的坐標反變換,實現對異步電動機的控制。其實質是將交流電動機等效為直流電動機,分別對速度,磁場兩個分量進行獨立控制。通過控制轉子磁鏈,然后分解定子電流而獲得轉矩和磁場兩個分量,經坐標變換,實現正交或解耦控制。矢量控制方法的提出具有劃時代的意義。然而在實際應用中,由于轉子磁鏈難以準確觀測,系統特性受電動機參數的影響較大,且在等效直流電動機控制過程中所用矢量旋轉變換較復雜,使得實際的控制效果難以達到理想分析的結果。

