變頻器簡(jiǎn)介及應(yīng)用方面的研究

【摘 要】如今能源愈發(fā)送到人們的重視，各個(gè)方向都在向節(jié)能方向發(fā)展，最熟悉的便是**品牌的變頻空調(diào)，其主要元件是變頻器，將50Hz市電轉(zhuǎn)換成30Hz～130Hz，電壓的可調(diào)到142V～270V。當(dāng)空調(diào)處于不同狀態(tài)時(shí)變頻器自動(dòng)調(diào)節(jié)至其所需的頻率、電壓、電流使能量合理應(yīng)用。變頻器的應(yīng)用使得節(jié)能率提高了20%～30%，接著來(lái)簡(jiǎn)談變頻器，并對(duì)其應(yīng)用技術(shù)發(fā)展進(jìn)行初步探究。

【關(guān)鍵詞】變頻器；變頻調(diào)速；工作方式；應(yīng)用技術(shù)特點(diǎn)

1.變頻器的工作原理概述

變頻器的結(jié)構(gòu)一般可分為整流過(guò)程、中間直流環(huán)節(jié)、逆變電路和控制電路四個(gè)主要部分。其工作主要是應(yīng)用如二極管，晶閘管等半導(dǎo)體元件，通過(guò)控制其通斷將某一特定頻率的電源變換為另一頻率的電能控制裝置。

具體說(shuō)來(lái)，就是將三相或單項(xiàng)交流電轉(zhuǎn)換成直流電，然后把將變換后的直流電轉(zhuǎn)換成可控的單項(xiàng)或三相交流電，最后根據(jù)需求改變頻率、電壓來(lái)控制交流電源的輸出。由于變頻器兼有對(duì)過(guò)電流、過(guò)電壓、過(guò)負(fù)載保護(hù)等功能。常常被應(yīng)用于交流異步電機(jī)的軟起動(dòng)、變頻調(diào)速、提高電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的精度、改變功率因數(shù)[1]。

2.變頻器的分類(lèi)分析

2.1按照主電路的工作方式分

（1）電壓型：將直流電源轉(zhuǎn)換成交流電源。結(jié)構(gòu)上，脈沖數(shù)量比較高，同時(shí)電平數(shù)也較多能夠保證較好的波形，無(wú)均壓的問(wèn)題；電容是其主要直流回路濾波元件。

（2）電流型：將直流電流源轉(zhuǎn)換成交流電源。其脈沖和電平件數(shù)都低，波形較前者差，但器件較少，可靠性高。其直流回路的主要濾波元件是電感。

2.2按照開(kāi)關(guān)力式可分

（1）高載頻脈沖寬度調(diào)制：一種特殊的運(yùn)行控制方式，對(duì)逆變電路部分控制，同時(shí)又可以控制所要輸出的電壓或電流的頻率和幅值。變頻器能將高次諧波引起的一些不良影響減少，轉(zhuǎn)矩波小，而且其制作成本低，控制電路也相對(duì)簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，但是其其缺點(diǎn)是當(dāng)載波的頻率不恰當(dāng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)噪聲。

（2）脈沖振幅調(diào)制：是一種對(duì)輸出電壓電流和頻率進(jìn)行控制的控制方式，只是對(duì)電壓和電流幅值的控制在整流電路部分完成，對(duì)輸出頻率控制在逆變電路部分完成。變頻器在進(jìn)行調(diào)速驅(qū)動(dòng)時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)噪聲小，且效率較高等。但是，要完成對(duì)電壓電流，還有頻率的控制，就需要對(duì)整流電路和逆變電路進(jìn)行控制，所以其控制電路是復(fù)雜的。此外，這種控制方式也有電功機(jī)在進(jìn)行低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)波動(dòng)較大的缺點(diǎn)。

2.3按照工作原理可分

（1）電壓頻率控制變頻器：從名稱(chēng)可以看出它是一種對(duì)輸出電壓和頻率進(jìn)行控制的簡(jiǎn)單變頻器。特點(diǎn)是制造成本低的優(yōu)點(diǎn)，但是精度低的缺點(diǎn)。

（2）轉(zhuǎn)差頻率控制變頻器：在一定程度上控制輸出轉(zhuǎn)矩的變頻器，又對(duì)速度傳感器的速度閉環(huán)進(jìn)行控制。優(yōu)點(diǎn)是在負(fù)載發(fā)熱具有較大變化時(shí)仍能達(dá)到較高的速度精度，但是其通用性不是很好。

（3）矢量控制變頻器：分別對(duì)異步電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流和轉(zhuǎn)矩電流（二者是由定子電流轉(zhuǎn)化得來(lái)的）控制的變頻器.以實(shí)現(xiàn)異步電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的高性能的運(yùn)作，在調(diào)速范圍上也可以同直流電機(jī)媲美，也可以使電機(jī)直接產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。當(dāng)然越是精密的其控制電路就會(huì)相對(duì)繁瑣。

2.4按照用途又可以分很多種，如通用、高頻、高性能專(zhuān)用等等不同類(lèi)型，在此不做詳細(xì)的說(shuō)明

3.在電動(dòng)機(jī)中變頻器的應(yīng)用設(shè)計(jì)特點(diǎn)

3.1結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

這里主要就是考慮到在非正弦電源特性上，包括變頻電機(jī)的絕緣結(jié)構(gòu)、噪聲大小及振動(dòng)的程度、冷卻技術(shù)手段等方面造成的影響。應(yīng)注意相應(yīng)的問(wèn)題，并采取正確的方法處理，總結(jié)如下：

（1）絕緣等級(jí)問(wèn)題：處理辦法是對(duì)電機(jī)外殼增強(qiáng)地絕緣和轉(zhuǎn)子線圈匝間的絕緣強(qiáng)度，尤其是各部分絕緣結(jié)構(gòu)上，器耐沖擊電壓的程度。

（2）電機(jī)的噪聲及振動(dòng)問(wèn)題：注意各部件之間連接緊密程度，以防止產(chǎn)生共振現(xiàn)象，同時(shí)既要考慮到電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)的剛性問(wèn)題，有要盡量提高電機(jī)本身的固有頻率。

（3）冷卻方式：一般采用強(qiáng)迫通風(fēng)冷卻系統(tǒng)（可跟據(jù)要求適當(dāng)調(diào)整風(fēng)扇功率）可會(huì)好的降低其不利的影響。

3.2電磁的設(shè)計(jì)

當(dāng)電動(dòng)機(jī)對(duì)非正弦波電源的適應(yīng)能力增強(qiáng)時(shí)，其過(guò)載能力和啟動(dòng)性能有很好的改善，這里就從此處作簡(jiǎn)要分析：

（1）降低基波銅耗：主要方式是降低定子和轉(zhuǎn)子的電阻，銅耗的減小也一定程度上你不了高次諧波對(duì)銅耗的增加。

（2）抑制電流中產(chǎn)生的高次諧波問(wèn)題：通常需事先在整個(gè)調(diào)速范圍內(nèi)調(diào)整電動(dòng)機(jī)的漏抗大小及阻抗合理匹配，適當(dāng)調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的感抗大小。

（3）主磁路一般被做成不飽和狀態(tài)：在低頻時(shí)，變頻器的輸出電壓的提高可以促使相應(yīng)的輸出轉(zhuǎn)矩提高，同時(shí)產(chǎn)生的高次諧波將導(dǎo)致磁路飽和的程度加深。

4.變頻器的應(yīng)用技術(shù)

4.1在風(fēng)機(jī)類(lèi)上使用

之前風(fēng)機(jī)的輸出功率是不變的只是通過(guò)調(diào)節(jié)擋風(fēng)板來(lái)調(diào)節(jié)風(fēng)量，這樣浪費(fèi)了大量的電能，當(dāng)變頻器的使用淘汰了擋風(fēng)板，根據(jù)鍋爐的需要調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速。以65噸的重壓鍋爐為例每年大約可以節(jié)電67萬(wàn)度，鍋爐燃燒率也有明顯提高。

4.2在卷?yè)P(yáng)機(jī)上的使用

卷?yè)P(yáng)機(jī)工作時(shí)要求其啟動(dòng)和制動(dòng)快速平穩(wěn)，加速減速均勻，之前通過(guò)改變轉(zhuǎn)子電阻方式這種方式可靠性差，效率低。我們可以利用變頻器的特殊特性，變革裝置技術(shù)以解決這些類(lèi)問(wèn)題。

4.3在電梯中的應(yīng)用

電梯是載人工具，會(huì)頻繁的進(jìn)行啟動(dòng)停止，加速減速，而且其必須要具備一定的安全可靠性，變頻器的使用就增加了電梯的安全可靠性，和舒適性。

4.4變頻器還在特殊電源類(lèi)負(fù)載上、印染機(jī)類(lèi)負(fù)載上、卷煙機(jī)類(lèi)負(fù)載上有廣泛應(yīng)用

總結(jié)上述應(yīng)用均可以歸到變頻器在電機(jī)上的應(yīng)用，那么變頻器的使用與之前的串聯(lián)電阻或直流電機(jī)相比有哪些優(yōu)點(diǎn)呢？

傳統(tǒng)的電機(jī)是通過(guò)串電阻調(diào)速，但當(dāng)?shù)退龠\(yùn)行時(shí)，其電機(jī)的機(jī)械特性很軟，且靜差率相對(duì)較高，平滑性很差，影響正常運(yùn)行的效率。而且電阻上消耗的的轉(zhuǎn)差功率相對(duì)較高，不利于節(jié)能。

應(yīng)用變頻器的電機(jī)較之有很大的優(yōu)勢(shì)。即可高效的電動(dòng)機(jī)工作效率，又由于它機(jī)械特性較硬，相對(duì)較高的精度，調(diào)速范圍廣等優(yōu)點(diǎn)因而得到廣泛的應(yīng)用。主要過(guò)程是通過(guò)改變定子電源的頻率，對(duì)同步轉(zhuǎn)速的進(jìn)行調(diào)節(jié)，好處是整個(gè)調(diào)速過(guò)程無(wú)附加損耗的影響。

通常以固定的電壓、頻率設(shè)計(jì)的異步電動(dòng)機(jī)，無(wú)法完全滿足變頻調(diào)速的標(biāo)準(zhǔn)。如電動(dòng)機(jī)絕緣強(qiáng)度問(wèn)題；其溫度的升高和應(yīng)用效率的問(wèn)題；諧波電磁噪聲與震動(dòng)問(wèn)題；電機(jī)的多次啟動(dòng)和制動(dòng)能力問(wèn)題；低速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的冷卻問(wèn)題，這些問(wèn)題的出現(xiàn)一方面降低了電機(jī)的工作效率，另一方面增加了能源的浪費(fèi)，也縮短了電機(jī)的使用年限。為了克服三相異步電機(jī)串聯(lián)電阻調(diào)速系統(tǒng)的以上缺點(diǎn)，采用變頻器，可以實(shí)現(xiàn)全頻率（0Hz～50Hz）范圍內(nèi)的恒轉(zhuǎn)矩控制。采用變頻調(diào)速技術(shù)改造風(fēng)機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)，將變頻調(diào)速需改為鼠籠式運(yùn)行，由于是繞線式異步電機(jī)，轉(zhuǎn)子繞組不必外接電組。當(dāng)電刷與集電環(huán)之間因接觸不良發(fā)生故障時(shí)，會(huì)與集電環(huán)相接的三根線之間用導(dǎo)線短接，將電刷舉起[2]。若需要保留原繞線式異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻，僅需根據(jù)要求增設(shè)一個(gè)高壓接觸的調(diào)速裝置。在處于正常運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，短接轉(zhuǎn)子與集電環(huán)相接的三根線，接觸器被吸合。在臨時(shí)檢修，或短時(shí)或長(zhǎng)時(shí)間退出運(yùn)行的時(shí)候，將斷開(kāi)接觸器，便使電機(jī)恢復(fù)到原繞線式異步電動(dòng)機(jī)（即轉(zhuǎn)子串聯(lián)電阻）的調(diào)速方式，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)三相異步電動(dòng)機(jī)在變頻調(diào)速控制上的運(yùn)用。

5.結(jié)束語(yǔ)

以上介紹的是變頻器的優(yōu)點(diǎn)，當(dāng)然每一樣?xùn)|西都不是十全十美的，變頻器也有一些缺點(diǎn)如電機(jī)聲音較市電時(shí)尖銳；造價(jià)高，維護(hù)要求高等.克服這些缺點(diǎn)將會(huì)是以后變頻器的發(fā)展方向，相信會(huì)在不久將來(lái)進(jìn)一步完善，變頻器的使用也會(huì)越發(fā)廣泛，給國(guó)家節(jié)能做出巨大貢獻(xiàn)。

【參考文獻(xiàn)】

[1]宋銀賓.電機(jī)拖動(dòng)基礎(chǔ)[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2003.

[2]徐曉峰.電機(jī)及拖動(dòng)[M].北京：高等教育出版社，2009.