作者 / 于良，山東省冶金設(shè)計(jì)院股份有限公司

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對(duì)變頻器工作技術(shù)原理及運(yùn)用的研究

作者 / 于良，山東省冶金設(shè)計(jì)院股份有限公司

伴隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、電子技術(shù)以及電氣傳動(dòng)技術(shù)的快速發(fā)展，使得自動(dòng)控制在現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展中的應(yīng)用越來越普遍。其中變頻器由于調(diào)速性能好、節(jié)約能耗，使其在工業(yè)生產(chǎn)中已經(jīng)逐漸取代了傳統(tǒng)的直流調(diào)速和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)，因此本文對(duì)變頻器工作技術(shù)原理及運(yùn)用進(jìn)行深入研究

變頻器；工作原理；技術(shù)；運(yùn)用

變頻器（Variable-frequency Drive，VFD）：主要進(jìn)行交流調(diào)速，運(yùn)用變頻和微電子技術(shù)，通過轉(zhuǎn)變電機(jī)工作電源頻率方式，對(duì)交流電動(dòng)機(jī)設(shè)備進(jìn)行控制。變頻器主要由：整流、逆變、濾波、驅(qū)動(dòng)單元、制動(dòng)單元和檢測(cè)單元等組成。變頻器通過控制內(nèi)部IGBT，來調(diào)節(jié)輸出電源的電壓和頻率，根據(jù)設(shè)備的實(shí)際需求，提供其所需要的電源電壓，進(jìn)而達(dá)到節(jié)能、調(diào)速的目的，此外，變頻器還有很多的保護(hù)功能，具體包括過流、過壓以及過載保護(hù)等。在現(xiàn)代工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)不斷提升的大背景下，變頻器的普及和應(yīng)用也顯得至關(guān)重要。

1. 變頻器的基本工作原理

變頻器主要由整流器、中間電路、逆變器、控制電路以及電動(dòng)機(jī)構(gòu)成。其中整流器是將電網(wǎng)電流轉(zhuǎn)換成直流電；中間電路主要負(fù)責(zé)電流的傳輸；逆變器則是將大功率開關(guān)晶體管陣列組成電子開關(guān)，然后將直流電轉(zhuǎn)換成不同頻率、寬度以及幅度的方波；控制電路是按照原先設(shè)定好的工作程序，控制輸出方波的幅度以及脈沖寬度，使其疊加成接近正弦波的交流電從而驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)工作。變頻器主要結(jié)構(gòu)如下圖1所示：

圖1 變頻器主要結(jié)構(gòu)圖

變頻器在進(jìn)行調(diào)速的過程中，可以分為變極調(diào)速、變轉(zhuǎn)差率調(diào)速以及變頻調(diào)速三種形式，其中變極調(diào)速是指電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)的過程中改變定子繞組的極對(duì)數(shù)，從而同步改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)數(shù)，如果定子繞組數(shù)增加一倍，相應(yīng)的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速就減少一半，這種按極調(diào)速的方法無法進(jìn)行平滑調(diào)速；變轉(zhuǎn)差率調(diào)速主要涉及到電動(dòng)機(jī)、電磁轉(zhuǎn)差離合器、測(cè)速發(fā)電機(jī)以及控制裝置，通過改變電磁轉(zhuǎn)差離合器的電流進(jìn)行調(diào)速，可以進(jìn)行無極平滑調(diào)速，但是由于傳遞效率調(diào)低，不適用恒功率的負(fù)載電路；變頻調(diào)速主要是改變電動(dòng)機(jī)電源的頻率進(jìn)行變速調(diào)節(jié)，該方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、調(diào)速范圍大、精度高、適用范圍廣、調(diào)速性能在三者之間最好。

2. 變頻器的功能特點(diǎn)

變頻器在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中的普及和應(yīng)用不僅提升了工人的勞動(dòng)生產(chǎn)率、提高產(chǎn)品質(zhì)量、設(shè)備自動(dòng)化程度，而且還有效的降低了能源消耗，改善環(huán)境和生活質(zhì)量，以下就對(duì)變頻器的功能特點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)分析。

■2.1 調(diào)速效果好

變頻器在調(diào)速過程中，只需要改變?cè)O(shè)備內(nèi)部的逆變管開關(guān)順序即可，調(diào)速效果好。通常情況下，變頻器在調(diào)速環(huán)節(jié)中都是從低速開始調(diào)節(jié)，頻率較低，而且加減速的時(shí)間可以自由設(shè)定，這樣一來，變頻器就可以在啟動(dòng)電流較小的情況下實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速。此外，變頻器還有直流控制功能，根據(jù)情況需要，變頻器給電動(dòng)機(jī)增加一個(gè)直流電壓即可實(shí)現(xiàn)直流制動(dòng)控制。

■2.2 降低能耗

變頻器在降低能耗方面有著非常顯著的效果，尤其是鼓風(fēng)機(jī)、風(fēng)機(jī)以及泵類的負(fù)載節(jié)能方面，通?？梢赃_(dá)到20%～60%。鼓風(fēng)機(jī)、風(fēng)機(jī)、泵負(fù)載很多，在交流電動(dòng)機(jī)總?cè)萘恐姓?0%～30%，因此在接入變頻調(diào)速后，設(shè)備需要的平均電流較小，因此，采用變頻調(diào)速節(jié)能效率顯著。

■2.3 提高生產(chǎn)效率

變頻器除了應(yīng)用在鼓風(fēng)機(jī)、風(fēng)機(jī)、泵類之外，還廣泛應(yīng)用于起重機(jī)、注塑機(jī)、傳送帶、機(jī)床、紙、膜、鋼板加工以及空調(diào)、電梯等自動(dòng)化控制領(lǐng)域。因此，變頻器可以有效的提升設(shè)備工作效率，降低設(shè)備故障率和維護(hù)成本，而且操作簡(jiǎn)單，對(duì)于整個(gè)工業(yè)自動(dòng)化控制水平的提升有著非常重要的意義。

3. 變頻器的應(yīng)用效果評(píng)價(jià)

在現(xiàn)代科技的發(fā)展下，變頻器調(diào)速的性能已經(jīng)日趨成熟，其功能也越來越豐富，因此，除了基本的調(diào)速控制外，在聯(lián)合計(jì)算機(jī)智能控制的情況下設(shè)備的檢測(cè)和保護(hù)功能，也得到了有效提升，因此，變頻器應(yīng)用的領(lǐng)域也越來越廣泛，例如：印刷設(shè)備、電梯控制、紡織行業(yè)、工業(yè)生產(chǎn)流水線、數(shù)控機(jī)

床等方面都有廣泛應(yīng)用，變頻器的主要應(yīng)用如下表1所示。

表1 變頻器的運(yùn)用效果示意圖

4. 結(jié)論

綜上所述，電動(dòng)機(jī)的交流變頻調(diào)速以其節(jié)能效果好、技術(shù)先進(jìn)、工作性能高等優(yōu)勢(shì)，在工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)中的應(yīng)用越來越普遍。目前變頻器已經(jīng)成為國內(nèi)外公認(rèn)的最理想的調(diào)速方式之一，尤其是在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈、能源危機(jī)日益嚴(yán)重的當(dāng)下，采用變頻器調(diào)速來提升工業(yè)生產(chǎn)的自動(dòng)化程度、提高生產(chǎn)效率以及提高產(chǎn)品質(zhì)量是工業(yè)發(fā)展的主要道路，本文在此基礎(chǔ)上深入分析了變頻器的主要結(jié)構(gòu)和技術(shù)原理，為日后變頻器的應(yīng)用和研究提供有力依據(jù)。

＊ ［1］張靜宇.變頻器調(diào)速技術(shù)在風(fēng)機(jī)系統(tǒng)節(jié)能中的應(yīng)用［J］.山東工業(yè)技術(shù).2016（01）

＊ ［2］徐瑞生.基于DSP和ARM的變頻器設(shè)計(jì)［D］.大連理工大學(xué)，2014

＊ ［3］廖常初.“S7-200 SMARTPLC”講座 第8講S7-200SMART與變頻器V20的USS協(xié)議通信［J］. 電世界. 2016（01）