王暉

【摘要】隨著變頻器的廣泛應用，職業(yè)教育中變頻技術被列入相關專業(yè)的必修課程。為滿足培養(yǎng)高技能應用型人才的需求，文章結(jié)合多年變頻器的使用經(jīng)驗和教學經(jīng)驗，闡述了職業(yè)教育中變頻器技術相關教學內(nèi)容應該如何選取。

【關鍵詞】變頻器;職業(yè)教育;選取

近年來，變頻技術在各行各業(yè)的應用越來越廣泛，而變頻器安裝、調(diào)試及維護這方面的技術人員比較匱乏。很多高職院校和應用型本科院校的自動化類、電氣工程類和機電類專業(yè)都開設了變頻器原理及應用這方面的課程。不同院校在教學內(nèi)容的選取上有所差異。有的院校理論方面知識內(nèi)容的選擇偏重，學生學完后還是不能很好地使用變頻器;有的院校采用教學做一體化的教學方式，注重實踐教學，訓練學生對變頻器的接線和參數(shù)進行設置的能力，而學生在學完變頻器如何選擇和變頻系統(tǒng)如何構建方面的知識后還是很茫然。注重實踐教學的職業(yè)院校在變頻技術教學內(nèi)容的選取時一般會選取認識變頻器的端子、變頻器功能參數(shù)預置、變頻器的安裝與維護和變頻器典型應用實例等方面的內(nèi)容，而學生對變頻器分類和選型這些最基本的內(nèi)容往往容易忽略。下面筆者結(jié)合多年的變頻器應用經(jīng)驗和教學經(jīng)驗，介紹變頻技術在職業(yè)教育中容易忽略的教學內(nèi)容該如何選取。

一、變頻器的發(fā)展和分類

在變頻器的應用教學中，首先應該選取變頻器發(fā)展和分類這方面的相關內(nèi)容，內(nèi)容選取應結(jié)合實際。

（一）變頻器的發(fā)展

變頻器發(fā)展方面的內(nèi)容應簡單介紹變頻器的由來，國內(nèi)外變頻器的生產(chǎn)廠家及品牌，如西門子、ABB、三菱、安川、臺達和匯川等。重點介紹市場對變頻技術的需求情況。目前市場對變頻器的應用主要是節(jié)能、提高產(chǎn)品質(zhì)量和工藝水平、改善自動化系統(tǒng)三個方面的應用，特別是交流異步電動機采用變頻技術改造后的節(jié)能效果非常顯著，變頻技術應用也是落實國家節(jié)能減排的具體措施。交流變頻調(diào)速的調(diào)速性能又能和直流電機的調(diào)速效果相媲美，很多調(diào)速場合選用交流變頻調(diào)速來取代直流調(diào)速，大大降低了電機的使用成本和對環(huán)境的要求。另外，介紹變頻器未來的發(fā)展方向，一般是向智能、一體、專用和環(huán)保四個方面發(fā)展。

（二）變頻器的分類

很多教材用了很大篇幅講述變頻器按原理和控制方式來分類，實際上這些內(nèi)容用處不大，應該重點介紹變頻器如何按用途分類。學生以后在使用變頻器時通常是根據(jù)實際的用途來選擇變頻器。變頻器按用途一般分為通用變頻器和專用變頻器兩大類，而通用變頻器各生產(chǎn)廠家基本按高性能和簡易型來分類。目前三菱740系列通用變頻器有矢量重負載型FR-A740、風機水泵型FR-F740、經(jīng)濟通用型FR-E740和簡易型FR-D740四個系列的變頻器，F(xiàn)R-A740屬于高性能的一類，后面三種都可以看作簡易型變頻器。專用變頻器有高性能專用變頻器、高頻變頻器和高壓變頻器三類，如安川電梯專用變頻器L1000A系列可以實現(xiàn)高性能啟動轉(zhuǎn)矩補償，使電梯乘坐更加舒適，屬于高性能專業(yè)變頻器。一般通用變頻器輸出頻率雖然已經(jīng)達到幾百赫茲，如果一些超精密機械需要異步電動機幾萬轉(zhuǎn)的高轉(zhuǎn)速時，可以選用輸出頻率幾千赫茲的高頻專用變頻器。高壓變頻器是專門用在高壓設備采用變頻器調(diào)速，我國利德華福高壓大功率變頻器在變頻器領域具有一定的影響力。

二、變頻器的選型

變頻器的應用應從變頻器的選型開始，選好變頻器再根據(jù)控制要求選擇合適的外部器件，構成變頻調(diào)速系統(tǒng)。變頻器的選型表面看似簡單，在教學內(nèi)容選取中也容易被忽略，達不到職業(yè)教育的目標。

（一）變頻器類型的選擇

應該根據(jù)變頻器的用途先確定適合的類型，可以某一品牌變頻器為例來介紹如何選擇。如以三菱變頻器為例，如果系統(tǒng)是對調(diào)速性能要求比較高的場合則選擇FR-A740矢量重負載型，如果是一個風機或水泵的變頻調(diào)速則選FR-F740風機水泵型。變頻器類型的選擇主要是為了選擇一個性價比最高的變頻器。如果系統(tǒng)是高壓系統(tǒng)，一般是要選擇高壓變頻器;如果沒有合適的高壓變頻器，也可以用降壓變壓器和升壓變壓器通過“高-低-高”的形式用低壓變頻器來完成變頻調(diào)速;如果系統(tǒng)需要高頻運行，通用變頻器輸出頻率達不到要求，則選用專用的高頻變頻器。

（二）技術參數(shù)選擇

變頻器類型確定后就需要選擇變頻器的技術參數(shù)，變頻器的技術參數(shù)一般有輸入/輸出電壓、額定電流、額定容量和額定功率（適配電動機功率）等。在選擇變頻器的時候首先要選擇的參數(shù)是輸入電壓。對于通用的低壓變頻器，廠家一般提供200V級和400V級兩種系列規(guī)格。通常200V系列輸入電源電壓是單相220V，容量比較小，適合單相電源功率較小的電機變頻調(diào)速系統(tǒng);400V級系列輸入電源電壓是三相380V，容量從小到大應用范圍比較廣。電壓選好后，要選擇變頻器的容量，這是變頻器選擇的關鍵，容量選大了會造成成本的浪費，選小了系統(tǒng)不能正常工作甚至會損壞變頻器。在變頻器廠家的產(chǎn)品系列規(guī)格表里面，可以查到有額定容量和額定功率兩個參數(shù)。額定容量可以看作變頻器帶負載能力，額定功率是適配的電動機功率。通常情況下根據(jù)電動機的功率對照變頻器的額定功率選擇一個相同等級的即可，一般變頻器的功率系列和交流異步電動機的系列是一一對應的。需要強調(diào)的是，如果電動機名牌標注的額定電流大于變頻器的額定電流，那么選擇變頻器時就要選擇比電機功率大一等級的變頻器。如果系統(tǒng)的負載比較重，電機容易出現(xiàn)短時過載或者短時大轉(zhuǎn)矩這種情況，也需要變頻器容量比電機容量大一等級。從理論上講，如果電動機負載很小，也就是電動機實際工作的電流遠遠小于電機額定電流時，可以選擇變頻器的容量比電動機的容量小，但只能比電機容量小一個等級。實際使用時為了變頻器的安全可靠，很少采用這種選擇方法，還是按變頻器容量與電動機一致即可。

三、變頻器外部器件的選擇

變頻器選好之后，根據(jù)系統(tǒng)主電路再選擇一些外部器件，有些器件是必選的，有些是可選的。

（一） 必選器件的選擇

斷路器和接觸器是變頻調(diào)速系統(tǒng)中必選的器件。斷路器在系統(tǒng)中除了起到電源引入、隔離電源的作用外，還起到保護系統(tǒng)的作用。選擇斷路器時，如果系統(tǒng)是一個單純的變頻調(diào)速系統(tǒng)，因為變頻器僅可以短時承受1.5倍額定電流的過載能力，則選擇斷路器的額定電流大于等于變頻器額定電流的1.3～1.4倍即可;如果系統(tǒng)有變頻/工頻切換功能，則斷路器的容量應根據(jù)電動機的額定電流來選，一般是電動機額定電流2.5倍以上。接觸器的選擇，有些教材是按照變頻器輸入側(cè)、變頻器輸出側(cè)和工頻運行三種情況分別選擇，實際使用時根據(jù)電動機的功率，滿足電動機的起停要求即可，不需要分三種情況分別選擇。例如一臺7.5KW的水泵， 其額定電流大約15A，如果沒有變頻/工頻切換功能，選擇斷路器時則可以根據(jù)電動機的額定電流的1.4倍選用，因此選用額定電流為20A的斷路器即可;如果水泵控制要求需要變頻/工頻切換功能，則根據(jù)電動機的額定電流的2.5倍選用額定電流為40A的斷路器。兩種情況的差別還是比較大的。接觸器只需考慮電動機的額定電流。例如選用CJ10-20這一型號的接觸器即可，也就是接觸器主觸點額定電流選用20A，線圈電壓則根據(jù)控制電路實際電壓來確定。

（二）可選器件的選擇

變頻調(diào)速系統(tǒng)電路中除了必選的器件，還有一些選配器件，如輸入輸出側(cè)的交流電抗器、電源濾波器、直流電抗器、制動電阻和制動單元。首先介紹這些器件在什么情況下要選擇。交流電抗器、直流電抗器和濾波器通常是為了減少干擾或提高功率因數(shù)時選擇，根據(jù)電動機或變頻器的容量來選擇即可。重點介紹在什么情況下需要選擇。如輸入側(cè)的交流電抗器選用條件通常有五種：①電源容量超過變頻器容量的10倍以上;②電源中有晶閘管變流器負載或調(diào)節(jié)功率因數(shù)的電容器;③三相電源電壓不平衡度超過3%;④輸入電流高次諧波使變頻器功率因數(shù)降低到0.75以下;⑤變頻器的功率超過30KW。這五個條件滿足其中一個時，變頻器輸入側(cè)就必須選用交流電抗器。如一臺功率55KW的電動機功率已經(jīng)超過30KW了，滿足上述第五個條件，那么就要選用交流電抗器了。因為變頻器容量為55KW，可以直接選用交流電抗器的型號ALC-55，不需要考慮所需電抗器的電感量是多少（ALC-55交流電抗器電感量是0.18mH）。另外，應重點介紹制動電阻和制動單元的選擇。首先，制動電阻和制動單元在什么情況下要選擇。像電梯或精密機床這些對制動有要求的調(diào)速系統(tǒng)就需要選擇，風機和水泵這種自由停機的調(diào)速系統(tǒng)就不需要選擇。一般變頻器容量在18.5KW以下的只配制動電阻即可，變頻器容量在18.5KW以上的既要配制動電阻又要配制動單元。在選擇制動電阻時，既要選擇制動電阻的阻值，又要選擇制動電阻的功率。很多教材的教學內(nèi)容會提供計算公式，實際選擇的時候計算公式中的系數(shù)學生很難把握，計算出來的結(jié)果往往會差別較大，因此不建議用計算的方法?？梢愿鶕?jù)電動機容量對照變頻器廠家提供的制動電阻的參數(shù)表來進行選擇即可。參數(shù)表里面提供的電阻功率是個理論值，如15KW電動機通過查表需要選配50Ω/4KW的電阻，而功率4KW的電阻市場上不容易買到，選用時可以用4個200Ω/1KW電阻并聯(lián)來替代，這種選配方法需要學生掌握。制動單元的選擇比較容易，只要根據(jù)變頻器容量選配變頻器廠家的制動單元即可。

四、結(jié)束語

變頻器的應用技術在職業(yè)教育內(nèi)容選取上應注重結(jié)合具體的變頻器和實際使用的場合，從變頻器的分類入手，正確選擇一個合適的變頻器和外部器件，從而更好地學習變頻器的安裝調(diào)試和維護等相關內(nèi)容，使學生真正能夠具備變頻技術的應用能力，滿足職業(yè)教育培養(yǎng)高技能應用型人才的教學要求。

【參考文獻】

[1]王延才.變頻器原理及應用[M].北京：機械工業(yè)出版社，2015.