變頻器工作原理及其應用

郭棟　趙延紅

【摘 要】本文從變頻調速原理入手，介紹了變頻調速技術的優勢和其在實際當中的應用，最后對交流變頻技術在未來的發展趨勢進行了展望。

【關鍵詞】變頻技術；調速；節能

七十年代以前，在用到調速拖動的場合幾乎全部使用的是直流電機。直流電機具有良好的調速性能，主要表現在調速范圍廣、穩定性好、過載能力強，但是其制作與維護十分繁雜，特別是電動機本身的換向器及電刷維護保養困難、壽命短等方面存在不足。異步電動機是可以解決換向器及其電刷的問題，可是交流電機調速存在著調速性能差，功率因數低等的缺點。隨著交流變頻技術的發展，變頻技術控制交流電機能夠較好的解決異步電機調速所存在的問題，從而逐步取代直流調速成為拖動調速的主流技術。

那么，什么是變頻技術和變頻器呢？通過改變交流電頻率的方式實現交流電控制的技術就叫變頻技術。在此技術上產生的變頻器是利用電力半導體器件的通斷作用將工頻電源變換為另一頻率的電能控制裝置。通常，把能將電壓和頻率固定不變的交流電變換為電壓或頻率可變的交流電的裝置稱為變頻器。

1.變頻調速原理

在拖動系統中，用變頻器驅動電動機的目的就是實現調速，讓電動機按照希望的方式運轉。但不論系統是否采用調速，穩定運行是必須的，即要求系統在受到擾動時有自動恢復的能力。系統的負載特性不能依靠改變外加電氣參數來改變，只能改變電動機自身的電氣參數來實現。由于電動機機械特性曲線是由電動機本身多個電氣參數決定的，通過改變這些電氣參數，得到不同的人為機械特性，從而使新的人為機械特性曲線與負載特性曲線形成新的穩定交點，實現穩定速度調節，這就是引入變頻器驅動電動機實現調速的基本原理。電動機械特性隨電動機自身電氣參數改變而改變，但由于系統轉動慣量的存在，轉速不能突變，一旦外部施加的電氣參數改變，必然引起電動機電磁轉矩的突變，從而破壞原來的轉矩平衡關系而產生新的系統合轉矩。該合轉矩將對系統產生一個加速度，使系統加速或減速。當外部參數穩定之后，系統轉速過渡到新的穩定狀態，這個加速或減速過程就稱為調速過程。

三相異步電動機的轉速公式為：

n = n1 （1-s）=60f（1-s）/p （1）

式中： n — 電機的轉速，r/min n1 — 同步轉速，r/min p — 磁極對數 ， s — 轉差率，% f — 頻率，Hz 由轉速公式（1）可知， 我們可以通過改變極對數、轉差率和頻率的方法實現對異步電機的調速。前兩種方法轉差損耗大，效率低，對電機特性都有一定的局限性。變頻調速是通過改變定子電源頻率來改變同步頻率實現電機調速的。在調速的整個過程中，從高速到低速可以保持有限的轉差率，實際上僅僅改變電動機的頻率并不能獲得良好的變頻特性，因為由異步電機的電勢公式可知，外加電壓近似與頻率和磁通乘積成正比，即： U∝E=C1fΦ （2） 式（2）中，C1為常數，因此有： Φ∝E/f≈U/f （3）

若外加電壓不變，則磁通Φ隨頻率而改變，如頻率f下降，磁通Φ會增加，造成磁路過飽和，勵磁電流增加，功率因數下降，鐵心和線圈過熱，顯然這是不允許的。為此，要在降頻的同時還要降壓，這就要求頻率與電壓協調控制。此外，在許多場合，為了保持在調速時，電機產生最大轉矩不變，需要維持磁通不變，這可由頻率和電壓協調控制來實現，故稱為可變頻率可變電壓調速（VVVF），簡稱變頻調速。

2.變頻技術的優勢

調速時平滑性好，效率高。低速時，相對穩定性好，調速范圍較大，精度高；起動電流低，對系統及電網無沖擊，節電效果明顯；變頻器體積小， 便于安裝、調試、維修簡便，易于實現過程自動化；必須有專用的變頻電源，目前造價較高；在恒轉矩調速時，低速段電動機的過載能力大為降低。

3.變頻技術的應用

3.1 在節能方面的應用

在使用變頻技術之后， 風機、泵類負載的節能效果最為明顯， 節電率能夠達到20%～60%，這是因為風機、水泵類負載的耗用功率與轉速的三次方成正比，那么當所需要的流量較小時，其轉速較低，所造成的耗用功率的降低是相當明顯的。而傳統的擋板或閥門進行流量調節時，對于耗用功率的影響并不大。

3.2 在控制電機運行方面的應用

首先是在控制電機的正、反轉方面： 只需要更改變頻器內部逆變管的開關順序，就能夠實現輸出換向，而不會造成因換向不當而燒毀電機的現象。在加速、減速方面：因為變頻器調速系統的起動一般都是從低速區開始，頻率比較低。加、減速時間能夠任意設定，那么就可以做到使加減速過程平穩，減小起動電流。在變頻器調速系統制動時，變頻器可以利用自己的制動回路，將機械負載的能量消耗在制動電阻上。另外，變頻器還具有直流制動功能，在需要制動的時候，變頻器給電動機施加一個相反的直流電壓，進行制動，而不需要另外增加制動控制電路。

3.3 在提高產品質量和工藝水平方面的應用

變頻器除了應用在泵類、風機等類型的負載上之外，還可以應用于傳送、卷繞、起重、擠壓、機床等各種機械設備的控制上，它能夠提高產品質量，延長設備的正常工作周期和使用壽命，使操作和控制系統得以簡化，從而提高整個設備的控制水平。

4.變頻技術的發展趨勢

在當代，電力電子器件的基片從Si（硅）發展成了SiC（碳化硅），從而使得電力電子器件能夠更加耐高壓、耐高溫、低功耗，并且能夠制造出體積更小、容量更大的驅動裝置。永動磁鐵電動機也在開發研制當中，IT技術的迅速普及，以及人們思維理念的變化，這些方面的發展，使得變頻技術在以下幾個方面得到發展。

4.1 高頻控制智能化

智能化的變頻器一經安裝就可以使用，不必進行過多設定，而且能夠進行故障自診斷、遙控診斷以及部件自動置換，從而確保變頻器較長的使用壽命。同時，使用互聯網能夠實現多臺變頻器的聯動，甚至是整個工廠范圍變頻器綜合管理控制系統。

4.2 主控一體化

變頻器的設計專門化，能夠使得變頻器在某一特定領域控制功能更強，比如風機、水泵專用變頻器、起重機械專用變頻器等等。此外，變頻器還有與電機一體化設計的趨勢，從而使變頻器成為電機的一個部分，使設備體積更小， 控制更方便。

4.3 變頻器的環?；?/p>

環保是當今社會的一個主題，21世紀的電力拖動裝置應該著重考慮的是節能，而變頻器能量轉換過程中的低公害，使得變頻器在使用過程中的噪聲、電源諧波對電網的污染等問題減小到最低程度。

5.結語

交流變頻調速傳動裝置已在我國各行業得到廣泛應用，并已取得了極佳的經濟節能效益。隨著新型大功率半導體器件的推出，控制理論不斷更新和發展，現今變頻器向著大功率、高電壓的方向發展，控制精確度和動態特性也越趨完善。大力發展變頻調速技術，必需把我國變頻調速技術提高到一個新水平，縮小與世界先進水平的差距，提高自主開發能力，滿足國民經濟重點工程建設和市場的需求。規范我國變頻調速技術方面的標準，提高產品可靠性工藝水平，實現規?；?、標準化生產。

參考文獻：

[1]王占奎等 變頻調速應用百例 [M]北京：科學出版社，1999.

[2] 石秋潔.變頻器應用基礎.