變頻器的應用效果及其選擇方法

高建軍　李玉玲

[摘要]在變頻調速技術日新月異的今天，變頻調速技術在各個行業(yè)得到了廣泛的應用與推廣。作為電氣行業(yè)的變頻調速裝置運行管理人員必須了解變頻器的應用與維護和安裝規(guī)范，了解變頻器的工作原理、質量性能指標與操作。文章針對變頻器的應用與發(fā)展介紹變頻器的核心與發(fā)展方向，探討變頻器工作原理和質量性能以及變頻器的選擇方法等。

[關鍵詞]變頻器；工作原理；質量性能指標；控制方式；變頻器的選擇；電磁兼容

[作者簡介]高建軍，中國石化河南油田分公司第一采油廠，研究方向：石油電力與自動化，河南桐柏，474780；李玉玲．中國石化河南石油勘探局五一社區(qū)服務中心，河南南陽。473132

[中圖分類號]TP273[文獻標識碼]A[文章編號]1007—7723(2009)05-0020-0003

一、引言

電力電子技術發(fā)展始于20世紀初汞弧整流器的發(fā)明，1956年貝爾實驗室發(fā)明晶閘管，1958年通用電氣公司推出商品化產品。經過50多年的發(fā)展，電力電子技術已成為一門多學科的邊緣技術，它包含變流器電路、電力電子器件、計算機輔助設計、模擬電子學和數字電子學、微型計算機控制理論、超大規(guī)模集成電路以及高頻技術、電磁兼容等。電力電子技術的應用也取得了極大的發(fā)展，從開始的整流交直流可調電源，現已應用到電化學生產、照明控制、電焊接技術、電網無功和諧波補償、高壓直流輸電系統、光電池和燃料電池及可再生能源、變速恒頻系統、固態(tài)斷路器感應加熱、電機傳動、綠色交通電動機車、電動汽車、電動艦艇及磁懸浮列車、中頻電源和超聲波電源，還出現了諧振變換技術。這些應用的發(fā)展中心是個變頻技術問題，就是把直流電逆變成為不同頻率的交流電，或是把交流電變成直流電再逆變成不同頻率的交流電，這一切都是電能不變化為其他能量，而只是頻率的變化。

二、變頻調速的基本概念及其作用原理

(一)變頻調速傳動的目的

我國能源利用效率低下，主要原因是粗放型經濟增長方式，結構不合理、技術裝備落后、管理水平低。采用變頻器對機械設備進行轉速控制，對節(jié)約能源、提高經濟效益具有重要意義。變頻器在省力化、自動化、提高產品質量、提高生產率、提高產品合格率方面的應用與在節(jié)能領域同樣重要。機械設備采用變頻調速傳動，可以增加設備的使用壽命，減小機械設備的噪音，使設備小型化，工作環(huán)境、生活環(huán)境更具有舒適性。

(二)變頻調速應用的行業(yè)生產范圍

變頻調速技術經過多年的發(fā)展日趨成熟，變頻技術在鋼鐵、扎制銅線、化學、纖維、汽車、電氣機械、機床、食品、造紙、水泥、礦業(yè)、煤氣、交通、裝卸搬運、工廠建筑、農業(yè)、生活服務、電力、實驗研究、石油等行業(yè)得到了廣泛的發(fā)展與應用。變頻技術已經與我們的生產、生活息息相關。目前，冰箱、空調、電動車等家用電器已經采用相關的變頻技術。

(三)變頻調速傳動的特點

采用變頻器對機械設備進行轉速控制，變頻調速傳動的特點是可以使標準電動機調速，可以連續(xù)調速，電動機啟動電流小，最高速度不受電源影響，電動機可以高速化、小型化、防爆容易，低速時定轉矩輸出，可以調節(jié)加減速的大小，可以使用籠型電動機不需要維護電動機。

(四)變頻器的工作原理

變頻器電路方式有交一交變頻和交一直一交變頻兩種電路?；竟ぷ髟頌檎髌鲗⒔涣髯?yōu)橹绷鳎交娐穼⒅绷麟娖交?，逆變器將直流電逆變?yōu)轭l率可調的交流電，變頻器的基本構成。

1交－交變頻器是指無直流中間環(huán)節(jié)，直接將電網頻率的電壓變換為頻率比電網頻率低而可變的輸出電壓的變換器。2交－直－交變頻器的工作原理。目前應用最廣泛的是交－直－交變頻器。其工作原理是先將三相或單相不可調工頻電源經過整流橋整流成直流電，再經過逆變橋把直流電逆變成頻率任意可調的交流電，以實現無級調速。交－直－交變頻器的主電路有電壓型變頻和電流型變頻。電壓型是將電壓源的直流變換為交流的變頻器；電流型是指將電流源的直流變換為交流的變頻方式?？刂品绞揭卜譃殡妷嚎刂坪碗娏骺刂苾煞N。這兩種方式不管主電路方式是電壓型還是電流型都可以適用。

(五)變頻器的質量性能指標

1在0.5HZ時能輸出多大的起動轉矩?比較優(yōu)良的變頻器在0.5HZ時、22KW以下能輸出200％高起動轉矩，30KW以上能輸出180％的起動轉矩。

2速度調節(jié)范圍控制精度能達多久，轉矩控制精度能達多大?高性能的變頻器速度控制精度能達±0.005％，轉矩控制精度能達±3％。

3在低轉速時的脈沖情況。高質量的變頻器在1HZ時轉速脈沖只有1.5r／min。4噪聲及諧波干擾。噪聲及諧波干擾是衡量一個變頻器的重要標準，采用IGBT、IPM器件調制頻率較采用GTO、GTR調制頻率高。雖然高次諧波始終存在，但是如果控制方式較好，可以減少一些諧波量。5發(fā)熱量。變頻器發(fā)熱量大，證明功耗大、效率低、通風散熱系統不好，變頻器的壽命相應受到影響。

三、變頻器應用效果及其發(fā)展方向

(一)變頻器應用效果

采用變頻器對機械設備變頻調速運轉可以達到節(jié)能效果，采用多臺電動機以比例速度運轉可以達到省力自動化的效果，對電動機增速運轉可以達到提高產量的效果，采用高頻電動機進行高速運轉可以達到提高產量的效果，在惡劣的環(huán)境中可以取代直流電動機減少維修，選擇無級的最佳速度運轉可以提高產品的質量，采用空調壓縮機調速運轉來進行連續(xù)溫度控制，可以達到提高舒適性的效果。

(二)變頻調速裝置的核心及技術發(fā)展方向

1變頻器的核心是電力電子器件及控制方式。電力電子器件就是在電路中起通斷作用并實現各種變流的器件，變頻器就是這種變流的裝置，它隨著逆變器件的發(fā)展而發(fā)展。逆變器件的好壞就要看它的通斷能力、承受通斷的電流和額定電壓，在通斷過程中損耗的大小決定了變頻器的效率和體積大小。變頻器用不同的控制方式得到的調速性能特性及用途是不同的?？刂品绞酱篌w分為開環(huán)和閉環(huán)控制，開環(huán)控制有u／f(電壓與頻率)成正比例的控制方式；閉環(huán)有轉差頻率控制和各種矢量控制。

2變頻器適用領域不斷擴大，所采用的技術也不斷拓寬，主電路采用了柵極一控制極新技術，集電極一射極間的飽和電壓Uce(sat)大為降低，從而開發(fā)出第四代IGBT，即使普通的通用變頻器也進入了矢量控制的新時代。只要用戶選用一種備用電路板，就可使通用變頻器變成一個帶速度傳感器PG(脈沖發(fā)生器)的矢量控制變頻器。傳感器裝置多采用高分辨率的16位數字編碼器，信號的并行傳送方式改為串行傳送。在智能化方面，新開發(fā)的變頻器可以事先對變頻器的一些部件，如電

容的電容量、總運行時間及環(huán)境濕度進行測定，綜合評估來預告該部件的壽命等，一般通用變頻器都裝備有帶RS-485的標準功能，通過專用的開放總線方式運行。

四、變頻器選擇方法探討

(一)按控制不同的物理置及負載特性選用變頻器

1速度控制變頻器的選擇：(1)根據系統要求必須選擇能覆蓋所需轉速控制范圍的變頻器；(2)為避免危險速度下的連續(xù)運轉應選用具有頻率跳變功能的變頻器。

2位置控制變頻器的選擇：(1)應選用容量足夠的變頻器以得到大的加減速轉矩；(2)應選擇負載慣性極低的設備與變頻器配合使用。3張力控制變頻器的選擇：(1)采用轉矩電流控制張力必須選用有速度限制功能的變頻器；(2)采用拉延控制張力必須選用具有速度反饋控制的變頻器；(3)采用調節(jié)輥的張力控制應選用u／f控制通用變頻器；(4)采用張力檢測器的張力控制應選用矢量控制方式的變頻器。4流量控制變頻器的選擇：對于有可能因外部因素導致發(fā)生反轉的場合必須選用大容量的變頻器，以便能充分耐受從反轉狀態(tài)下啟動的沖擊電流。

5溫度控制變頻器的選擇：(1)應優(yōu)先選用IGBT、IPM調制頻率高的變頻器；(2)應優(yōu)先根據設備的啟動電流和運轉時間選擇變頻器。6壓力控制變頻器的選擇：(1)應選擇具有無供水保護和具有市電節(jié)電功能的變頻器；(2)應選擇裝設單向閥并具備瞬停對策和啟動聯鎖功能的變頻器。7負載特性要求響應快變頻器的選擇：(1)系統要求短時間內能進行加減速時應優(yōu)先選擇過載容量大具有限流功能的轉差頻率控制或矢量控制的變頻器；(2)在需要交叉角頻率Wc比較大、響應速度比較快的場合，應優(yōu)先選用主電路開關頻率高、過載容量大、系統諧振頻率高的變頻器；(3)對于PWM控制的變頻器要求開關頻率為1—3KHZ，能夠滿足機床等用途。8負載特性要求調節(jié)準確度高變頻器的選擇：(1)當系統要求±0.05％高準確度時應選用采用PLG模擬控制和低漂移控制電路的變頻器；(2)當系統要求±0.01％轉速控制準確度時應選擇采用PLG反饋全數字控制的變頻器。9負負載變頻器的選擇：(1)用于起重機、電梯、生產流水線時應優(yōu)先選用帶再生整流器的變頻器；(2)在要求減速制動轉矩時要有效防止過電壓跳閘應采用帶二極管整流器的晶體管變頻器；(3)使用制動單元時必須充分注意散熱，不要對其他設備產生不良影響。

10沖擊負載變頻器的選擇：(1)應選用容量充分大的變頻器以耐受沖擊過電流；(2)增設飛輪可以減輕直接加在電動機上的沖擊負載，應優(yōu)先選用轉差頻率控制的變頻器。

(二)按不同電動機的種類選擇變頻器

1標準籠型電動機變頻器的選擇

(1)根據電動機電流選擇變頻器

1)在連續(xù)運行的場合應按變頻器的額定輸出電流≥(0.5—1.1)電動機的額定電流，即：I變額≥(0.5～1.1)I電額。

2)加減速時變頻器容量的選定：一般情況下對于短時間的加減速而言變頻器允許達到額定輸出電流130％～150％(視變頻器容量有別)。3)電動機直接啟動時所需變頻器容量的選定，可按下式選取變頻器的額定電流：即：I變額t>I堵轉／kg

I變額——變頻器的額定電流(A)

I堵轉——額定電壓額定頻率下電動機啟動時的堵轉電流(A)

K廣變頻器的允許過載倍數Kg=1.3～1.5。

(2)根據電動機輸出電壓選擇變頻器：變頻器輸出電壓按電動機額定電壓選定，按我國標準可分成220V系列和400V系列兩種，對于3KV以上的高壓電動機參考高壓變頻器選擇。

(3)低速運轉時的轉矩特性：標準電動機采用逆變器低速運轉時，速度越低電動機冷卻效果越差，對于恒轉矩負載應選用恒轉矩式逆變器傳動專用電動機。2繞線轉子異步電動機變頻器的選擇：先進的繞線轉子異步電動機調速系統采用逆變器將轉子電路中的功率進行回收，轉差功率回饋Kramer傳動非常適于調速范圍小的大功率傳動系統(200KW)。

3同步電動機變頻器的選擇：采用現代的大功率PWM電壓源變頻器傳動技術，同步電動機可以利用矢量控制的方法用同一個變頻器進行傳動。4直線電動機變頻器的選擇：采用直線電動機進行直線運動選用逆變器時應選擇PWM電壓源變頻器。5變頻電動機變頻器的選擇：(1)低噪音低振動變頻電動機應選用PWM型逆變器，采用開關頻率從諧振點偏離的方法實現低噪音化；(2)增高轉矩特性變頻器電動機應選用容量較大采用u／f模式特殊化的專用逆變器；(3)高速變頻器電動機應選用最高頻率為60HZ、120HZ或240HZ的逆變器；(4)帶測速發(fā)電機的變頻電動機應選擇矢量控制或轉差頻率控制的逆變器閉環(huán)控制；(5)矢量控制變頻電動機應選擇專用的逆變器；(6)齒輪減速電動機帶制動器用逆變器傳動時，制動器用電源必須作為另外回路接到逆變器輸入側(電源側)。

6帶制動器的電動機用逆變器傳動時，制動器電源一定要接在變頻器的輸入側，制動器電源不能同電動機一樣接在變頻器的輸出側，通用制動器電動機用變頻器傳動時必須充分注意從工頻以上開始制動，最好用變頻器內藏再生制動電路。7變極電動機選擇變頻器時應選用容量大數級的變頻器；對于工頻電源傳動時原有和新設的防爆電動機，必須考慮減小損耗，提高冷卻效果等進行選擇和設計；對于一般的單相電動機，不適合通用變頻器傳動。

五、結語

變頻技術隨著微電子學、電力電子技術、電子計算機、自動控制理論的發(fā)展已經進入一個嶄新的時代，特別是在節(jié)能領域的應用更是一枝獨秀。我國能源利用效率低下，基本是粗放型的經濟增長方式，變頻調速技術作為高新技術、基礎技術和節(jié)能技術，經過多年的發(fā)展現已應用到各個領域。在國家大力倡導節(jié)能降耗、改革創(chuàng)新的今天，變頻調速技術必將獲得更快的發(fā)展和推廣。變頻調速裝置管理人員必須了解變頻器的基本應用，充分掌握變頻器的基礎知識，在工作中做到理論知識和實際操作技能相互聯系，才能更好地應用變頻技術。

[參考文獻]

[1]吳忠智．黃立培，吳加林．調速用變頻器及配套設備選用指南[s]．北京：機械工業(yè)出版社，2006.

[2]吳忠智，吳加林．變頻器應用手冊[s]．北京：機械工業(yè)出版社：2008.