劉瑞敏

摘 要：變頻器是將工頻電源轉(zhuǎn)換為其它頻率的交流電源設(shè)備。上世紀(jì)80年代末期，我國開始應(yīng)用變頻器，因為變頻器所具有的節(jié)電效果與優(yōu)越性能，促使其在國內(nèi)的使用量持續(xù)攀升，并且它也在傳統(tǒng)工業(yè)的改造、工藝流程的改善、自動化水平的提升、能源節(jié)約等方面發(fā)揮著十分重要的作用，隨著社會的不斷發(fā)展，對于變頻器也有了更高的要求。此文對于變頻器進(jìn)行了簡單的介紹，并且探究了其應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展。

關(guān)鍵詞：變頻器；工作原理；調(diào)速節(jié)能

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.04.156

0 前言

上個世紀(jì)90年代初，我國國內(nèi)的變頻器大多來自于國外的品牌，例如：ABB、西門子、三菱、以及富士等國外品牌，直到90年代中期，國內(nèi)市場才出現(xiàn)了我國所生產(chǎn)的變頻器，其中通用型變頻器占據(jù)了較大的比重。現(xiàn)如今，國產(chǎn)變頻器的生產(chǎn)技術(shù)已經(jīng)接近于國際先進(jìn)水平，國產(chǎn)變頻器也在我國的市場中占據(jù)著較大的比重。

在交流拖動系統(tǒng)的應(yīng)用中，變頻器表現(xiàn)出很好的可控性，能夠進(jìn)行無極調(diào)速以及軟啟動，可以控制加減速，并促使電動機(jī)擁有較高的性能，并且表現(xiàn)出明顯的節(jié)能作用。因此，變頻調(diào)速的應(yīng)用能夠提升機(jī)械生產(chǎn)的產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)效率、以及控制精度，進(jìn)而有益于生產(chǎn)過程自動化的實現(xiàn)。

在我們所使用的家電產(chǎn)品中，變頻器也廣泛地存在著，例如熒光燈、空調(diào)等。變頻器不僅能夠改變電壓，也能夠改變頻率。然而，熒光燈變頻器的主要作用在于電源供電頻率的調(diào)整。近些年來，變頻器普遍地應(yīng)用在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中。

1 變頻器的作用

1.1 控制電機(jī)啟動電流，減少電力線路電壓波動

在電機(jī)經(jīng)由工頻啟動的過程中，4-7倍的電機(jī)額定電流便會產(chǎn)生。在這個過程中所產(chǎn)生的電流值極大地提高了電機(jī)繞組的電應(yīng)力，而且在這個過程中會形成一定的熱量，進(jìn)而導(dǎo)致了電機(jī)使用壽命的縮減。變頻調(diào)速的應(yīng)用對于增強(qiáng)繞組承受力以及減少啟動電流是十分有利的，就使用者而言，其最直接的好處是電機(jī)使用壽命的延長以及維護(hù)成本的減少。

電壓和電流兩者的乘積與電機(jī)功率成正相關(guān)關(guān)系，那么通過工頻直接進(jìn)行電機(jī)的啟動所消耗的功率將會極大地超過啟動變頻所需的功率。對于某些工況來講，已經(jīng)達(dá)到了配電系統(tǒng)的最高極限，直接工頻啟動電機(jī)所產(chǎn)生的電壓也會產(chǎn)生大幅度的波動，所形成的電涌便會嚴(yán)重地影響到相同電網(wǎng)上的用戶。如果采用變頻器進(jìn)行電機(jī)啟停，就不會產(chǎn)生類似的問題。

1.2 可調(diào)的運(yùn)行速度以及可控的停止方式與加速功能

變頻調(diào)速可以零速啟動而且依據(jù)于用戶所需而實施均勻地加速，此外，也能夠選擇加速曲線，比如：直線加速、s型加速、以及自動加速。然而，在工頻加速的過程中，對于齒輪、機(jī)械部分軸、電機(jī)都會形成巨大的沖擊以及振動，這將會促使機(jī)械的損耗以及磨損加快，導(dǎo)致電機(jī)以及機(jī)械部件使用壽命的縮減。

在變頻調(diào)速時，正如同于可控的加速，其可以控制停止的方式，并且能夠選擇存在差異性的停止方式，它也能夠有效地降低對于電機(jī)以及機(jī)械部件的沖擊，進(jìn)而促使系統(tǒng)更具可靠性，也會提升其使用的壽命。

變頻調(diào)速應(yīng)用可以促使工藝過程得以優(yōu)化，也能夠依據(jù)于工藝過程快速地進(jìn)行轉(zhuǎn)變，此外速度變化也能借助于遠(yuǎn)控plc以及別的控制器來實現(xiàn)。

1.3 可調(diào)的轉(zhuǎn)矩極限

在變頻調(diào)速之后，可以設(shè)置對應(yīng)的轉(zhuǎn)矩極限來有效地維護(hù)機(jī)械免受損傷，進(jìn)而確保產(chǎn)品的可靠性以及工藝過程的連續(xù)性。現(xiàn)如今的變頻技術(shù)既能夠調(diào)整轉(zhuǎn)矩，也能夠控制轉(zhuǎn)矩的精度。電機(jī)在工頻狀態(tài)中僅能借助于熱保護(hù)或是檢測電流值予以控制，而難以如同變頻控制一樣進(jìn)行精確轉(zhuǎn)矩值的設(shè)置。

1.4 節(jié)能

在運(yùn)用變頻器之后，水泵以及離心風(fēng)機(jī)的能耗都能夠極大地得到降低。因為電機(jī)轉(zhuǎn)速與最終能耗之間具有立方比的關(guān)聯(lián)性，因此在變頻運(yùn)用之后便能得到更為快速的投資回報。

在控制變頻器時，可逆運(yùn)行控制的實現(xiàn)不需要多余的可逆控制裝置，僅需進(jìn)行輸出電壓相序的改變，便能夠?qū)崿F(xiàn)安裝空間的節(jié)約以及維護(hù)成本的降低。

1.5 減少機(jī)械傳動部件

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，同步電機(jī)結(jié)合矢量控制變頻器便能夠輸出高效轉(zhuǎn)矩，便利于 節(jié)約齒輪箱等機(jī)械傳動部件， 進(jìn)而就可以促使空間的節(jié)省、成本的降低、以及穩(wěn)定性的提升。

近些年以來，因為以上所述的優(yōu)勢以及變頻控制理論、功率半導(dǎo)體器件、以及電力電子技術(shù)的快速化發(fā)展，變頻器已普遍地運(yùn)用在各行各業(yè)中，對于我們的生活、工業(yè)化發(fā)展、以及社會的發(fā)展做出了巨大的貢獻(xiàn)。

2 變頻器的工作原理

那么，電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度為何可以自由地改變呢？

電機(jī)轉(zhuǎn)速以及頻率公式：n=60f/p

在這個式子中，n代表電機(jī)轉(zhuǎn)速（轉(zhuǎn)速/分）；60指的是每分鐘；f代表電源頻率（Hz）；p代表電機(jī)旋轉(zhuǎn)磁場的極對數(shù)。通過此式便可以看出：電機(jī)旋轉(zhuǎn)速度和頻率具有正比關(guān)系，和電機(jī)極對數(shù)具有反比關(guān)系。

通過上式，我們便可以知道：頻率f與轉(zhuǎn)速n之間具有正比例關(guān)系，電動機(jī)轉(zhuǎn)速的改變僅需要改變頻率f，當(dāng)f在0～50Hz的范圍之內(nèi)發(fā)生改變時，電動機(jī)轉(zhuǎn)速具有十分寬的可調(diào)節(jié)范圍。速度調(diào)節(jié)是通過變頻器借助于改變電動機(jī)電源頻率而實現(xiàn)的，它是一種具有很高性能以及很高效率的調(diào)速方式之一。

假使只進(jìn)行頻率的改變，那么電機(jī)將會受到損壞，尤其在頻率減小時，此問題便十分明顯。為避免出現(xiàn)燒毀電機(jī)的事故，那么在頻率改變的同時也要改變電壓。控制電機(jī)的最優(yōu)方式在于電壓以及頻率的改變。為了能夠產(chǎn)生可控可變的頻率以及電壓，該裝置應(yīng)先將電源的交流電轉(zhuǎn)變成直流電（DC）。才能夠進(jìn)行電壓的改變，也能夠進(jìn)行頻率的改變。

當(dāng)主電路的控制被變頻器控制電路完成后，交流電便會被整流電路轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟?。直流中間電路對于輸出整流電路實施平滑濾波，直流電由逆變電路逆成交流電。對于矢量控制變頻器此種需巨大運(yùn)算的變頻器而言，某時也需要一個實施轉(zhuǎn)矩計算的CPU以及某些相對應(yīng)的電路。變頻調(diào)速是借助于電機(jī)定子繞組供電頻率的改變來實現(xiàn)調(diào)速的目的。endprint

變頻器種類的劃分方式相對較多，根據(jù)其工作原理進(jìn)行劃分，主要是下列4種：

2.1 U/f=C的正弦脈寬調(diào)制（SPWM）控制方式

其主要的特征在于其具有較好的機(jī)械特性硬度、較低的成本、以及結(jié)構(gòu)簡單的控制電路，其可以與通常的傳動平滑調(diào)速要求相匹配，現(xiàn)如今已經(jīng)普遍地應(yīng)用于多個不同的產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域。但是這種控制方式在低頻狀態(tài)中，因相對較低的輸出電壓，造成了轉(zhuǎn)矩受定子電阻壓降比較明顯的影響，減少了最大轉(zhuǎn)矩的輸出。此外，靜態(tài)調(diào)速性以及動態(tài)轉(zhuǎn)矩的能力相對較差一些，并且系統(tǒng)的性能較低、控制曲線會伴隨著負(fù)載的改變而改變，轉(zhuǎn)矩的響應(yīng)較慢、電機(jī)轉(zhuǎn)矩的利用率較低，在低速狀態(tài)時，因為存在的逆變器死區(qū)以及定子電阻效應(yīng)導(dǎo)致了其穩(wěn)定性與性能的降低。

2.2 電壓空間矢量控制方法

此控制方式的前提在于三相波形整體的生成效果，將逼近電機(jī)氣隙的理想圓形旋轉(zhuǎn)磁場軌跡做為目的，將內(nèi)切多邊形逼近圓的途徑而進(jìn)行控制。在實際的運(yùn)用過程中，因為此方法所存在的不足，便對其所存在的弊端進(jìn)行了具有針對性的改造，由于加入了頻率補(bǔ)償，在很大程度上降低了速度控制所存在的誤差；將輸出電流、電壓閉環(huán)，有效地提高了動態(tài)穩(wěn)定度以及精準(zhǔn)度。然而，因為具有較多數(shù)量的控制電路環(huán)節(jié)，并且尚未引入轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)，因此導(dǎo)致了系統(tǒng)的性能改變不理想。

2.3 直接轉(zhuǎn)矩控制方式

在上世紀(jì)末，學(xué)者DePenbrock在1985年第一次對于此技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)的闡述。在DePenbrock的研究之中，其很好地解決了矢量控制不足的難題，此外，由于其具有簡潔的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、優(yōu)異的動靜態(tài)特征、先進(jìn)的控制思想，使得此方式得到了廣泛的應(yīng)用?，F(xiàn)如今，這項技術(shù)已非常成功地應(yīng)用于由電力機(jī)車所牽引的大功率交流傳動中。因為這種控制方式無需將交流電動機(jī)與直流電動機(jī)相等同，因此，其極大地簡化了矢量旋轉(zhuǎn)變換中繁雜的計算過程，由于其所具有的的優(yōu)異性能，使得它得到了廣泛的應(yīng)用。

2.4 矩陣式交—交控制方式

矢量控制變頻、VVVF變頻、以及直接轉(zhuǎn)矩控制變頻均屬于交—直—交變頻的范疇。其所存在的共同缺陷有兩點：其一，較低的輸入功率因數(shù)；其二，較大的諧波電流。對于直流電路來講，其一定要擁有巨量的儲能電容。由于以上缺陷的卻在，便進(jìn)一步研發(fā)出了矩陣式交—交變頻控制方式。因為中間的直流環(huán)節(jié)被矩陣式交—交變頻所省去，因此使得電解電容得到了極大的節(jié)省。現(xiàn)如今，此項技術(shù)尚且沒有得到完善，然而諸多學(xué)者卻對其進(jìn)行了不懈的努力。

3 結(jié)論

就交流變頻調(diào)速技術(shù)而言，是電子技術(shù)、控制技術(shù)、電力技術(shù)、以及微電子技術(shù)快速發(fā)展的一種產(chǎn)物，也是現(xiàn)代電力傳動技術(shù)的一個關(guān)鍵的發(fā)展方向。對于變頻調(diào)速的研究為目前電氣傳動研究中最具有實際運(yùn)用價值以及最為活躍的工作。交流變頻調(diào)速裝置擁有良好的節(jié)能節(jié)電效果以及調(diào)速性能，是現(xiàn)代企業(yè)實施設(shè)備更新?lián)Q代以及技術(shù)改造的理想裝置，其擁有操作簡便、可靠性高、通用性強(qiáng)等諸多的優(yōu)點，受到了社會的青睞，眾多的科技工作者仍然處在前進(jìn)的道路上，以研究出更加先進(jìn)的變頻技術(shù)，為人民造福，為社會造福。

參考文獻(xiàn)：

[1]王占奎等.變頻調(diào)速應(yīng)用百例[M].北京市科學(xué)出版社，1999.

[2]原魁.變頻器基礎(chǔ)及應(yīng)用[M].冶金工業(yè)出版社，2005.endprint