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作者 | Paul Avery, Yaskawa
“掌握這50個與變頻器設(shè)計(jì)、使用、實(shí)施和維護(hù)有關(guān)的術(shù)語定義，將使用戶更容易正確地應(yīng)用變頻器。”
掌握變頻器(VFD)的眾多術(shù)語可能并不容易。本文總結(jié)了在很多變頻器手冊和技術(shù)文章中頻繁出現(xiàn)，以及在實(shí)際應(yīng)用中主要涉及的50 個定義。學(xué)習(xí)與變頻器設(shè)計(jì)、使用、實(shí)施和維護(hù)有關(guān)的術(shù)語定義，將使用戶更容易正確地應(yīng)用變頻器。
1. 整流器/ 轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器部分被整流為直流電壓，轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器整流的功率。直流母線部分還可能包含一個預(yù)充電電路和一個鏈路扼流圈。
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(zhuǎn)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(diào)制，產(chǎn)生正弦輸出電流。因?yàn)槟孀兤鳎亲冾l器和直流驅(qū)動器之間的主要區(qū)別，因此變頻器本身有時(shí)也被稱為逆變器。
4. 隔離柵雙極晶體管(I G B T)：電子驅(qū)動的高速半導(dǎo)體開關(guān)。通過在I G B T 的柵極和發(fā)射極點(diǎn)之間施加一個小的正電壓，允許電流從集電極點(diǎn)流向發(fā)射極點(diǎn)。變頻器中的IGBT 開關(guān)頻率范圍為2 至15 kHz。
5. 脈寬調(diào)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(guān)(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(diào)制方案之所以有效，是因?yàn)?u>電機(jī)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(jī)電流。
▎整流器 / 轉(zhuǎn)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(guān)閉或開啟的速率，通常為2 至15 k H z。數(shù)值越高，電流波形越好，但變頻器損耗也越大。
在基于脈寬調(diào)制(PWM)的變頻器中，載波頻率是輸出晶體管關(guān)閉或開啟的速率，通常為2 至15 kHz。
7. 公共母線：連接單獨(dú)變頻器的直流母線段，或從公共直流電源運(yùn)行多個獨(dú)立逆變器段的方法。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是，可以使用電機(jī)運(yùn)行順序，來平衡電機(jī)和再生，因此只需要很少或不需要動態(tài)制動。
8. 動態(tài)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(dāng)直流母線電壓超過設(shè)定水平時(shí)才將電源分流至電阻器，這通常發(fā)生在負(fù)載快速減載時(shí)。
9. 接地：接地是輸入交流電源的參考點(diǎn)。如果電源導(dǎo)線意外接觸地面，交流電源保護(hù)電路會立即將交流電源與接觸點(diǎn)進(jìn)行電氣隔離。為了創(chuàng)建接地點(diǎn)，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(diǎn)。當(dāng)變頻器機(jī)箱連接回該接地時(shí)，會創(chuàng)建一條安全的傳導(dǎo)路徑，以防導(dǎo)體意外短路到外殼的金屬部分。
▎在基于脈寬調(diào)制(PWM)的變頻器中，載波頻率是輸出晶體管關(guān)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(fù)載功率因數(shù)， 得出輸出功率。在確定變頻器使用的部件(如變壓器和保險(xiǎn)絲)規(guī)格時(shí)，了解額定輸入的kVA 很有用。
11. k W / h p : 電機(jī)的功率測量值，其中k W = h p X0.746. 由于感應(yīng)電機(jī)產(chǎn)生的無功電流分量，電機(jī)的功率容量不是V×A，而是hp。
12. 泄漏電流：電機(jī)電纜和接地導(dǎo)體之間以及電機(jī)定子和轉(zhuǎn)子之間會產(chǎn)生寄生電容，P WM 脈沖與其相互作用產(chǎn)生的共模電壓對時(shí)間(d v /d t)求導(dǎo)。以這種方式產(chǎn)生的泄漏電流會出現(xiàn)在接地電路上，并且可能會給連接到同一接地點(diǎn)的敏感設(shè)備帶來問題。
13. 漏感：電機(jī)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(jī)導(dǎo)體上的電壓下降，但不產(chǎn)生連接定子和轉(zhuǎn)子的磁通。漏感的典型例子是定子繞組每一匝產(chǎn)生的磁通，該磁通發(fā)生在鐵芯外部。這是由定子磁極產(chǎn)生的，而與轉(zhuǎn)子無關(guān)。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(dǎo)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(dǎo)體組成的裝置。當(dāng)電流流過線圈時(shí)，鐵芯中就會產(chǎn)生磁場。電流幅值或方向的任何變化，都與鐵芯中現(xiàn)有的磁場相反，直至達(dá)到平衡。線路電抗器減少了變頻器轉(zhuǎn)換器導(dǎo)致的電流不連續(xù)性。減少這種不連續(xù)性或電流牽引失真，可以減少變頻器產(chǎn)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(jīng)驅(qū)動器的電流成比例的電壓，來幫助保護(hù)驅(qū)動器免受大多數(shù)電壓瞬變的影響。電抗器和電感器這兩個術(shù)語經(jīng)常互換使用，指的是同一個設(shè)備，盡管電抗和電感不是可互換的術(shù)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(chǎn)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(hù)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(fù)載：
· 恒定扭矩：扭矩要求不會隨速度的變化而變化，有時(shí)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(fēng)扇或泵)，且不需要間歇性過載。
▎鏈路扼流圈是一個單獨(dú)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(shí)現(xiàn)a c - d c - a c 轉(zhuǎn)化，就像大多數(shù)商用驅(qū)動器一樣。根據(jù)目標(biāo)輸出電壓和頻率，控制9 個雙向開關(guān)。優(yōu)點(diǎn)包括占地面積小的四象限運(yùn)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(qū)動器的輸出電壓被限制在輸入電壓的90% 左右。
18. 電機(jī)極數(shù)：在感應(yīng)電機(jī)中，定子用于在電機(jī)內(nèi)部產(chǎn)生磁場，從而磁化其轉(zhuǎn)子并導(dǎo)致軸旋轉(zhuǎn)。線圈纏繞在對稱的鐵心上，依次排列在定子內(nèi)徑周圍。當(dāng)電流通過線圈時(shí)，就會產(chǎn)生電磁鐵。在單相電機(jī)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(chǎn)生磁場。在三相交流電動機(jī)中，三個這種電磁鐵構(gòu)成一個電動機(jī)極。電機(jī)的極數(shù)是確定電機(jī)每hp 扭矩和每Hz 轉(zhuǎn)速的因素之一。
19. 預(yù)充電電路：當(dāng)線路電源初次連接變頻器時(shí)，直流母線電容器處于不帶電狀態(tài)，其表現(xiàn)很像短路。這種短路狀態(tài)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(dāng)電容器開始充電時(shí)，預(yù)充電電路可以限制涌入的電流。一旦電容器充電到目標(biāo)電壓，接觸器就會旁路預(yù)充電電路。
▎電機(jī)的極數(shù)是確定電機(jī)每 hp 扭矩和每 Hz 轉(zhuǎn)速的因素之一。此圖顯示了一個 2 極的電機(jī)。
20. 反射波：所有基于P W M 的變頻器，都會產(chǎn)生上升和下降時(shí)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(jī)端子處產(chǎn)生輸入電壓脈沖的反射。如果電機(jī)和變頻器之間的距離超過允許的距離，反射波會使電機(jī)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(jī)絕緣的額定電壓。
21. 再生：只要轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度超過定子磁場，電機(jī)就可以成為發(fā)電機(jī)，并將電力回送至主線。在這種情況下，負(fù)載被稱為再生。每當(dāng)變頻器試圖使電機(jī)減速時(shí)，或當(dāng)負(fù)載檢修電機(jī)時(shí)，都可能發(fā)生這種情況。在這種狀態(tài)下，電機(jī)的反向電磁場大于施加的電壓，這會導(dǎo)致母線電壓升高，并可能導(dǎo)致變頻器故障。為了避免再生過程中出現(xiàn)變頻器故障，使用了某種形式的功耗，如動態(tài)制動或線路再生。
22. 飽和：在變頻器中，飽和是指施加在電機(jī)上的電壓，高于產(chǎn)生正弦磁場密度所需電壓的一種狀態(tài)。在飽和狀態(tài)下增加電壓，不會產(chǎn)生額外的機(jī)械扭矩，但會因電流增加而增加電機(jī)的發(fā)熱。
23. 單相電源：典型的230-V A C 單相電氣系統(tǒng)，使用兩根火線和一根中性線來傳輸電源。這種系統(tǒng)主要用于不需要三相電力的應(yīng)用，或三相電力傳輸成本過高的偏遠(yuǎn)地區(qū)。
24. 三相電源：主要用于商業(yè)和工業(yè)設(shè)施，三相電氣系統(tǒng)使用中性點(diǎn)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(shí)間達(dá)到峰值，使總電源看起來像是連續(xù)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(shù)字輸入和輸出的電流。在漏極電路中，電流從電源流過負(fù)載，到達(dá)開關(guān)，然后到達(dá)接地。N P N 晶體管通常與漏極電路有關(guān)。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(guān)。
26. 轉(zhuǎn)差：電機(jī)旋轉(zhuǎn)磁場(由定子產(chǎn)生)和電機(jī)軸旋轉(zhuǎn)之間的速度差。在感應(yīng)電動機(jī)中產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩需要轉(zhuǎn)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(dǎo)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(diǎn)，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(jī)。
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?qū)㈦妷翰ㄐ纹?0°。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(diǎn)，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(shè)備和運(yùn)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(xiàn)實(shí)世界中的指令，如“運(yùn)行”或“加速”，并執(zhí)行目標(biāo)功能。控制P C B 通常通過門驅(qū)動板與變頻器的主電路連接。
30. 柵極驅(qū)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(qū)動板還可以監(jiān)控主電路的溫度、電流和電壓。通常，較小的變頻器沒有單獨(dú)的柵極驅(qū)動器，而是將柵極與邏輯電源結(jié)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(hù)裝置。與IPM 組件單獨(dú)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(fù)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(shù)通常可以加載到另一個需要相同編程的變頻器中。
33. 交流永磁電機(jī)：永磁電機(jī)是一種同步交流電機(jī)。兩種主要的交流永磁電機(jī)，包括表面安裝和內(nèi)部安裝。與普通感應(yīng)電機(jī)不同，在永磁電機(jī)正常運(yùn)行期間，定子和轉(zhuǎn)子之間沒有轉(zhuǎn)差。轉(zhuǎn)子中沒有I2R 損耗，因此P M電機(jī)的額定效率高于感應(yīng)電機(jī)。由此帶來節(jié)能和更小的尺寸，使永磁電機(jī)成為感應(yīng)電機(jī)的有用替代品，盡管并非所有變頻器都能操作永磁電機(jī)。
▎雙接觸器旁路是一種附件，允許電機(jī)通過線路或變頻器運(yùn)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(yùn)行電機(jī)。
34. 雙接觸器旁路：變頻器的附件，允許電機(jī)通過線路或通過變頻器運(yùn)行。一個接觸器安裝在進(jìn)線和電機(jī)之間，另一個安裝在變頻器輸出和電機(jī)之間。雙接觸器旁路允許電機(jī)直接從進(jìn)線運(yùn)行，繞過變頻器;在變頻器故障的情況下，可直接從進(jìn)線以恒定速度運(yùn)行電機(jī)。
35. 三接觸器旁路：允許電機(jī)在線路上或通過變頻器運(yùn)行的附件。一個接觸器安裝在進(jìn)線和變頻器輸入之間，另一個(旁路)接觸器安裝在進(jìn)線和電機(jī)之間，第三個安裝在變頻器輸出和電機(jī)之間。這允許電機(jī)在線路運(yùn)行時(shí)進(jìn)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(yùn)行電機(jī)。
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(yīng)電機(jī)進(jìn)行簡單控制的方法。根據(jù)基礎(chǔ)電壓和電機(jī)基礎(chǔ)頻率額定值確定比率。這個比率產(chǎn)生一個線性模式，變頻器遵循該模式來產(chǎn)生額定電機(jī)轉(zhuǎn)矩。電壓與頻率之比是機(jī)器中的磁通水平，它反過來決定了機(jī)器在給定工作點(diǎn)產(chǎn)生的扭矩量。
37. 開環(huán)矢量：一種復(fù)雜但有效的電機(jī)控制方法，允許變頻器實(shí)現(xiàn)直流驅(qū)動控制的最佳特性(在較寬的速度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)精確扭矩控制)，無需直流電機(jī)的電刷維護(hù)和高初始成本。為了獲得最佳性能，必須知道或準(zhǔn)確估計(jì)電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置或偏差。在開環(huán)矢量控制中，由于缺乏實(shí)際的軸位置反饋，必須通過其它方法計(jì)算轉(zhuǎn)子位置。然而，與閉環(huán)矢量操作相比，消除反饋裝置、變頻器輸入和相關(guān)布線的成本節(jié)約，抵消了電機(jī)性能的輕微損失。
▎V/Hz 模式是一種通過變頻器對交流感應(yīng)電機(jī)進(jìn)行簡單控制的方法。
38. 閉環(huán)矢量：一種復(fù)雜但高效的電機(jī)控制方法，允許變頻器實(shí)現(xiàn)直流驅(qū)動控制效益，而沒有直流電機(jī)的物理限制。編碼器或分解器等反饋裝置，提供必要的電機(jī)轉(zhuǎn)差信息，以閉合變頻器輸出頻率和實(shí)際電機(jī)軸轉(zhuǎn)速之間的回路。
39. 比例、積分和微分(PID)：PID 控制算法廣泛應(yīng)用于整個工業(yè)控制。當(dāng)通過添加反饋(空氣流量、壓力或液位等變量)，創(chuàng)建過程回路并發(fā)送至變頻器時(shí)，可通過P I D 回路控制調(diào)節(jié)變量。變頻器的P I D 算法利用數(shù)學(xué)特性，來確定對系統(tǒng)設(shè)定值和反饋測量的實(shí)際狀態(tài)之間變化的響應(yīng)。
40. 自動調(diào)諧：變頻器測試連接和空載電機(jī)，以確定最佳調(diào)諧參數(shù)的過程。
41. 短路電流額定值(S C C R)：設(shè)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(shè)備或設(shè)備組合的S C C R，應(yīng)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(hù)變頻器的過電流保護(hù)裝置打開而實(shí)現(xiàn)安全停機(jī)的對稱電流量。
▎通過電流保護(hù)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(hù)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(nèi)。
44. 現(xiàn)場總線：可用于自動化的通信網(wǎng)絡(luò)，由用于傳輸消息的物理方式以及消息的結(jié)構(gòu)定義。這些網(wǎng)絡(luò)本質(zhì)上是串行的。現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)的物理實(shí)現(xiàn)可以由R S -485 或以太網(wǎng)組成。許多變頻器都有內(nèi)置的現(xiàn)場總線連接，盡管有些現(xiàn)場總線協(xié)議需要選項(xiàng)板。
45. R S -485 ：串行網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，定義了工業(yè)環(huán)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(diǎn)是，它是一種多點(diǎn)連接方案，允許許多設(shè)備僅使用兩根或四根電線和一個屏蔽線進(jìn)行遠(yuǎn)距離通信。
46. 以太網(wǎng)：一種定義網(wǎng)絡(luò)設(shè)備或節(jié)點(diǎn)的硬件和消息傳輸規(guī)范。它由O S I模型的前兩層：物理層( 電纜、R J45連接器)和數(shù)據(jù)鏈路層(即定義消息如何從一個設(shè)備傳輸?shù)搅硪粋€設(shè)備)組成。
▎三電平輸出是一種改進(jìn)的輸出 PWM 模式。
47. 協(xié)議：定義如何創(chuàng)建用于現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)消息的一組規(guī)則。這些規(guī)則將詳細(xì)說明如何構(gòu)建和交付設(shè)備(如變頻器)之間的通信。如果不使用網(wǎng)關(guān)設(shè)備，不同的協(xié)議通常不能在單個網(wǎng)絡(luò)中混合使用。常見的協(xié)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(yùn)行源：每個變頻器都需要定義啟動電機(jī)命令的來源。通常，啟動命令有就地(如鍵盤)和遠(yuǎn)程(如網(wǎng)絡(luò)命令)。通常可以通過鍵盤選擇就地或遠(yuǎn)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(tài)，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?yàn)榇蠖鄶?shù)變頻器默認(rèn)使用以H z 為單位的頻率，作為默認(rèn)的轉(zhuǎn)速指令。有時(shí)，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(jìn)的輸出PWM 模式，使用額外的I G B T、中性點(diǎn)鉗位和自定義開關(guān)模式，來實(shí)現(xiàn)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(diǎn)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(dǎo)致電機(jī)軸承過早故障的軸承電流。
