變頻器技術分析及在工業(yè)生產(chǎn)中的應用

佛山南海技師學院 馮啟恩

1.引言

變頻器是應用變頻技術與微電子技術，通過改變電機工作電源頻率方式來控制交流電動機的電力控制設備。其主要工作原理，就是通過改變電源頻率，來達到改變電壓的目的，以提供電機實際所需要的電源電壓，從而實現(xiàn)節(jié)能、調(diào)速等目的，并實現(xiàn)如過流、過壓、過載保護等保護功能。變頻技術是在交流電機無級調(diào)速的需要下所誕生的，其真正實用經(jīng)是在20世紀80年代中后期，而我國開始應用變頻器則是在20世紀80年代末，由于變頻器優(yōu)異的性能和節(jié)電效果，一經(jīng)使用便得到了迅速的發(fā)展，尤其是在國民經(jīng)濟和人民生活對電氣自動化要求不斷提高，社會節(jié)能環(huán)保意識不斷加強的情況下，變頻器的應用領域更是越來越為廣泛。近年來，隨著計算機技術、電子技術以及自動化控制技術的發(fā)展，變頻器技術更是取得了巨大的進步，性能得到了不斷的完善于。下面，本文在分析變頻器技術的基礎上，就其在工業(yè)生產(chǎn)中的應用進行淺要的介紹。

2.變頻器技術類型

變頻器的技術類型主要有整流技術、斬波技術、逆變技術、移相技術四種。整流技術是通過整流元件來實現(xiàn)電能頻率的轉(zhuǎn)換；斬波技術是通過電力電子器件的通斷來改變電能脈沖頻度和寬度的技術；逆變技術是通過功率開關將直流電改變?yōu)榭勺冾l率和電壓的交流電的技術；移相技術是利用電力電器元件的通斷，來實現(xiàn)開關、調(diào)壓、調(diào)光、調(diào)速的技術。

3.變頻器工作原理

3.1 變頻器硬件結(jié)構(gòu)

變頻器實際上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。變頻器的主電影路是調(diào)壓調(diào)頻電源的電力變換構(gòu)件，一般可分為電壓型和電流型兩兩種，電壓型是將電壓源直流變?yōu)榻涣?，其直流回路的濾波由電容實現(xiàn)；電流型則是將電流源的直流變換為交流，其直流回路的濾波則由電感實現(xiàn)。

通常來說，變頻器的主電路由整流器、平波回路和逆變器三個部分構(gòu)成。整流器將工頻電源變?yōu)橹绷鞴β剩壳岸嗖捎枚O管來作為變流器，也有采用兩組晶體管變流器構(gòu)成可逆變流器，以使現(xiàn)功率方向可逆再生運轉(zhuǎn)的情況；平流回路是在是為了抑制電壓波動，吸收脈動電壓的電感和電容，部分裝置容量小，電源和主電路構(gòu)成器件有余量的變頻器通常省去電感，采用較簡單的平波回路；逆變器是將直流功率變?yōu)橐箢l率的交流功率的構(gòu)件，其作用與整流器相反。除了主電路外，還有為異步電動機供電提供控制信號的控制電路，控制電路有頻率、電壓運算電路，有電壓、電流檢測電路，有電動機速度檢測電路，有放大控制信號的驅(qū)動電路，還有保護逆變器和電動機的保護電路。

3.2 變頻器技術功能作用

變頻器技術的功能作用主要包括變頻節(jié)能、功率因數(shù)補償節(jié)能、軟啟動節(jié)能幾個方面。變頻節(jié)能主要應用于風機、水泵等方面，在實際應用中，由于考慮到設備生產(chǎn)的可靠性，通常在設計機械設備的配用動力驅(qū)動時，都會預留一定的富余量，但電機很少在滿負荷下運行，多余的力矩增加必然造成功率消耗浪費電能，采用變頻器技術當風機、水泵流量要求減小時，可以降低水泵或風機的轉(zhuǎn)速，使其在保證流量需求的情況下降低功耗。

功率因數(shù)補償節(jié)能主要是為考慮無功功率的影響，無功功率會增加線損和使設備發(fā)熱，同時還會影響電網(wǎng)有功功率，使大量的無功電能消耗于電路之中，降低了設備的使用效率和電力的使用效能，造成巨大的浪費。采用變頻器技術，變頻器內(nèi)部濾波電容能有效的減少無功損耗，提高電網(wǎng)的有功軾率，提高設備和電力的使用效能。

軟啟動節(jié)能由是基于電機硬啟動對電網(wǎng)的沖擊和電網(wǎng)容量的要求所考慮的，由于電機硬啟動時會對電網(wǎng)造成嚴重的沖擊，交且向電網(wǎng)提出過高的容量要求，硬啟動時所產(chǎn)生的強電流和震動對設備損害極大，對設備、線路等的可靠性和使用壽命造成不良影響。采用變頻器技術，可以利用變頻器的軟啟動功能來減輕對電網(wǎng)的沖擊，延長設備的使用壽命，減少設備故障。

3.3 變頻器控制方式

變頻器作用實際上就是將直流電逆變?yōu)椴煌l率的交流電，或者將交流電變成直流電再逆變?yōu)椴煌l率的交流電，或者將直流電變?yōu)榻涣麟娫僮優(yōu)橹绷麟姟２贿^總的來說，變頻器所改變的只是頻率，而非電能?；仡欁冾l器技術的發(fā)展，其控制方式有正弦脈寬調(diào)制控制方式、電壓空間矢量控制方式、矢量控制方式、直接轉(zhuǎn)矩控制方式、矩陣交-交控制方式。目前應用較為廣泛的是正弦脈寬調(diào)制控制方式和直接轉(zhuǎn)矩控制方式，不過這兩種控制方式都有一些缺點，而矩陣式交-交控制方式系統(tǒng)功率密度大，造價低，將轉(zhuǎn)矩直接作為被控制量來考慮，很好的彌補了傳統(tǒng)控制方式的缺陷，雖然目前尚不成熟，但有著極為闊的應用前景。

4.變頻器的分類

4.1 按變換結(jié)構(gòu)分類

從變換結(jié)構(gòu)的不同來變頻器可以分為交-直-交變頻器和交-交變頻器兩大類，交-直-交變頻器是將交流經(jīng)整流器變?yōu)橹绷?，再通過逆變器將直流變換為可控頻率和電壓的交流的變頻器，也稱間接式變頻器；交-交變頻器是則是直接將工頻交流變換為頻率和電壓可變的交流的變頻器，這類變頻器實際上只有一個變換環(huán)節(jié)，因此也稱為直接式變頻器。

4.2 按直流電源性質(zhì)分類

根據(jù)中間直流環(huán)節(jié)直流電源性質(zhì)的不同，變頻器可分為電壓型變頻器和電流型變頻器。電壓型變頻器中間直流環(huán)節(jié)所采用的儲能元件是電容，由于負載無功功率由電容緩沖，因此直流電壓較為平衡，電源內(nèi)阻較小相當于電壓源，因此稱為電壓型變頻器，電壓型變頻器多應用于負載電壓變化較大的情況。電流型變頻器中間直流環(huán)節(jié)采用的儲能元件為電感，由于負載無功功率由電感來緩沖，扼制了電流的變化使電壓接近于正弦波，其內(nèi)阻較大，因此稱為電流型變頻器，電流型變頻器能降低負載電流頻繁急劇的變化，多應用于負載電流變化較大的情況。

4.3 其它分類方法

除了以上兩種常用分類方法外，變頻器還可以按照工作原理分為V/F控制變頻器、轉(zhuǎn)差頻率控制變頻器、矢量控制變頻器；按照開關方式分為PAM控制變頻器、PWM控制變頻器、高載頻PWM控制變頻器；按用途分為通用變頻器、高性能專用變頻器、高頻變頻器、單相變頻器、三相變頻器；按國際區(qū)域分為國產(chǎn)變頻器和歐美變頻器；按電壓等級分為高壓變頻器、中壓變頻器、低壓變頻器等。

5.變頻器技術在工業(yè)生產(chǎn)中的應用

理論上講，變頻器技術可以應用于所有具有電動機的設備上，在工業(yè)生產(chǎn)中的應用，主要包括以下幾個方面：

5.1 工業(yè)機械設備泵類負載中的應用

變頻器技術在工業(yè)機械設備泵類負載中的應用，主要是利用了變頻器的調(diào)速技術，通過改變電動機定子頻率進而改變電動機的轉(zhuǎn)速，從而改變泵類負載的工況，使其流量和揚程等滿足生產(chǎn)需求的變化。當工業(yè)生產(chǎn)機械設備泵類負載波動較大時，采用變頻器技術控制變頻器輸出，可以使泵類負載滿足生產(chǎn)工藝的需求，獲取最佳節(jié)能產(chǎn)果，同時提高生產(chǎn)工藝，實現(xiàn)生產(chǎn)自動化，并延長設備的使用壽命，提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，為企業(yè)創(chuàng)造更好的經(jīng)濟效益和社會效益。

5.2 工業(yè)生產(chǎn)調(diào)備風機負載上的應用

工業(yè)生產(chǎn)中風機通常應用于鍋爐系統(tǒng)、烘干系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、通風系統(tǒng)中，為了滿足生產(chǎn)工藝和運行工況的需要，要對風速、膛壓、風量、溫度等進行控制，傳統(tǒng)控制方法通常是調(diào)節(jié)風門、擋板開度。但是，采用這種控制方法，不管生產(chǎn)工藝和工況如何，風機都在全速運轉(zhuǎn)，不僅不能精確的滿足生產(chǎn)工藝和運行工況的要求，還會造成能源浪費和設備耗損，增加強生產(chǎn)成本，縮短設備使用壽命。比如煉鋼廠、化纖生產(chǎn)企業(yè)、水泥制造廠，都需要應用到風機，采用調(diào)節(jié)風門來調(diào)節(jié)風量大小的方法，電機一直處于滿負荷運行的狀態(tài)，但風門開度通常在50%-80%之間，造成極大的浪費。變頻器技術應用于風機負載中，其無級調(diào)速成能力可以滿足更大的調(diào)速成范圍，且更為可靠，縱護容易，能更好的滿足生產(chǎn)工藝和工況的要求。

5.3 變頻器技術的節(jié)能應用

最初采用變頻器的目的實際上是為了控制速度，但發(fā)展到現(xiàn)在，變頻器的應用目的更多是為了節(jié)能。節(jié)能和環(huán)保是21世紀的主題，是事關人類社會可持續(xù)發(fā)展的重要內(nèi)容。長期以來，由于生產(chǎn)工藝和設備等方面的原因，我國工業(yè)生產(chǎn)能源利用率極低，這在能源日益緊張的情況下，成為制約我國工業(yè)迅速發(fā)展的主要問題之一。據(jù)統(tǒng)計，我國電網(wǎng)負載中動力負載占了60%左右，而90%是異步電動機，電動機所耗費的電能在整個工業(yè)用電中的比例高達70%。在工業(yè)生產(chǎn)中應用變頻器技術，能夠極大的提高電機轉(zhuǎn)速控制精度，獲取電機最佳能耗。

6.結(jié)束語

變頻器技術在工業(yè)生產(chǎn)中的應用，有效的提高了生產(chǎn)工藝和生產(chǎn)效率，并降低了生產(chǎn)能耗，降低了設備磨損，能為企業(yè)帶來更大的經(jīng)濟效益和社會效益。當前，變頻器技術正向智能化、精密化、高效化方向發(fā)展，這給工業(yè)生產(chǎn)帶來了更大的契機，在不久的將來，變頻器技術必將進一步推動工業(yè)生產(chǎn)的迅速發(fā)展，被更為深入的應用于工業(yè)生產(chǎn)各個領域。

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