淺析變頻調(diào)速的優(yōu)點與缺點

【摘要】變頻器用于交流調(diào)速，是一種將工頻交流電源轉(zhuǎn)換為其他頻率的電源用來控制交流電動機控制裝置。本文簡介了變頻器的原理和用途，并淺析了使用變頻器進行交流調(diào)速的優(yōu)點與缺點。

【關(guān)鍵詞】變頻；調(diào)速；節(jié)能；諧波

一、概述

自動控制技術(shù)在電力電子技術(shù)、計算機技術(shù)的支持下日漸成熟，作為自動控制技術(shù)核心之一的交流調(diào)速是現(xiàn)代電氣傳動的主要發(fā)展方向之一。變頻器的調(diào)速性能和起制動性能優(yōu)越，效率高，功率因數(shù)高，節(jié)電效果明顯，因而被廣泛應(yīng)用于控制風機、水泵等大、中型三項交流籠型感應(yīng)電動機，是節(jié)約能源、提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率、改善環(huán)境，促進技術(shù)發(fā)展的一種重要手段，已被公認為最有發(fā)展前途的調(diào)速方式。變頻器的出現(xiàn)，使得復(fù)雜的調(diào)速控制簡單化，由變頻器驅(qū)動三項交流籠型感應(yīng)電動機組合替代了大部分原先只能用直流電機完成的工作，使傳動技術(shù)發(fā)展到新階段，機械、化工、石油、紡織、醫(yī)藥、造紙、輕工、電力等行業(yè)都能找到變頻器的身影。但是，由于變頻器輸出電壓波形中含有大量的諧波成分，而非正弦電壓，所以普通異步電動機采用變頻調(diào)速也存在著缺點。

二、變頻器的原理、功能和用途

（一）變頻器的原理

變頻器是將工頻交流電源轉(zhuǎn)換為其他頻率交流電源的電能控制裝置，是通過電子控制技術(shù)控制電力半導(dǎo)體器件的通斷實現(xiàn)頻率變換的。交—直—交電壓型變頻器是通用變頻器的主要形式，工作原理是首先通過整流把工頻交流電源轉(zhuǎn)換為直流電源，然后再通過逆變把直流電源轉(zhuǎn)換為頻率和電壓均可控制的交流電源電為交流電機供電。通用變頻器的主回路一般由整流、濾波、限流、逆變、續(xù)流和能耗制動電路幾個部分組成。

（二）變頻器的功能和用途

由變頻器控制交流電機組成的可調(diào)速傳動系統(tǒng)稱為變頻器傳動系統(tǒng)，其功能用途如下，其中一些功能和用途存在關(guān)聯(lián)，實際上并沒有明確進行分類，僅供讀者參考。

三、使用變頻器的優(yōu)點

（一）良好的節(jié)能效果

變頻調(diào)速具有良好的節(jié)能效果，其中在拖動風機、泵類負載時節(jié)電率可達20%～60%，節(jié)電效果最為明顯。原因是在所需的平均流量較小時，風機、水泵的轉(zhuǎn)速隨之降低，而風機和水泵的負載轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的二次方成正比、軸上功率與轉(zhuǎn)速的三次方成正比，故節(jié)能效果十分明顯。而采用傳統(tǒng)的閥門調(diào)節(jié)流量時，耗用功率無明顯變化。風機、泵類負載消耗的電量約占全國總發(fā)電量的20%～30%，因此它們的節(jié)能具有重大的意義[1]。

變頻調(diào)速應(yīng)用在低速恒轉(zhuǎn)矩負載系統(tǒng)，如傳送帶，不僅提高了設(shè)備的穩(wěn)定性，也可節(jié)能。除此之外，像采用變頻調(diào)速前調(diào)速方式耗能較大繞線轉(zhuǎn)子電動機和調(diào)速方式較為龐大、復(fù)雜、效率較低的龍門刨床，采用變頻調(diào)速后節(jié)能效果也十分明顯。

（二）優(yōu)越的控制性能

1、實現(xiàn)軟啟動

交流電機工頻啟動，啟動電流很大，可以達到額定電流的4—7倍。如果多臺大功率的電機同時啟動，電網(wǎng)將受到很大沖擊。采用變頻啟動后，電機在額定電流下啟動，而且啟動電流平滑，減少了啟動電流對電網(wǎng)的沖擊，同時也保護了電機，延長了電機的使用壽命[2]。

2、方便控制，簡化控制系統(tǒng)

變頻啟動基本都是從低頻開始，頻率逐漸升高達到設(shè)定值，起動電流較小，而且加、減速時間可以根據(jù)需要進行設(shè)定。

變頻器很容易控制電機的正、反轉(zhuǎn)，原理是通過改變變頻器內(nèi)部逆變管的開關(guān)順序?qū)崿F(xiàn)輸出換相，解決了因換相不當而燒壞電機的問題。

變頻制動時，變頻器將機械能消耗在內(nèi)部回路的制動電阻上，也可以通過增加專用附件回饋給供電電網(wǎng)，但是投資較大。此外，變頻器可以通過設(shè)定相應(yīng)功能參數(shù)實現(xiàn)直流制動功能，制動時，變頻器會給電機加上一個直流電壓實現(xiàn)制動。

（三）提高產(chǎn)品質(zhì)量和工藝水平

變頻調(diào)速不僅被應(yīng)用于風機、泵類負載上以實現(xiàn)節(jié)能，還被廣泛應(yīng)用機械設(shè)備控制領(lǐng)域，如機床、傳送、起重、卷繞、擠壓等機械設(shè)備，它良好的調(diào)速、加減速、定位控制、力矩控制性能可以提高產(chǎn)品質(zhì)量，簡化操作和控制系統(tǒng)，延長設(shè)備的使用壽命，有的甚至可以利用變頻器的功能改變原有設(shè)備工藝設(shè)計，提高設(shè)備操作和控制水平。

四、使用變頻器的缺點

（一）提高普通異步電動機的溫升。變頻器在運行中會產(chǎn)生諧波電壓和諧波電流是原理所致，無法避免。受諧波電壓和諧波電流的影響，普通異步電動機在非正弦電壓、電流下運行。其中，高次諧波對普通異步電動機的運行效率和溫升造成較大影響。受高次諧波影響，轉(zhuǎn)子銅耗顯著增加，因為普通異步電動機是以接近于基波頻率的同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)的，轉(zhuǎn)子導(dǎo)條在被高次諧波電壓以較大的轉(zhuǎn)差切割后，會產(chǎn)生很大的轉(zhuǎn)子損耗，此外定子銅耗、轉(zhuǎn)子銅耗、鐵耗及附加損耗也會增加。這些損耗都會造成電機額外發(fā)熱，輸出功率減小，效率降低。變頻器輸出的非正弦電源一般會造成普通異步電動機溫升增加10%～20%。

（二）威脅普通異步電動機的絕緣。目前脈寬調(diào)制控制方式是中小型變頻器普遍采用的方式，幾千到十幾千赫茲的載波頻率相當于對普通異步電動機定子繞組施加陡度很大的沖擊電壓，對普通異步電動機的匝間絕緣構(gòu)成了較大的威脅。此外，變頻器產(chǎn)生的矩形斬波沖擊電壓與普通異步電動機運行電壓疊加后，普通異步電動機的對地絕緣承受了較大的考驗，在高壓的反復(fù)沖擊下會加速對地絕緣的老化。

綜上所述，變頻調(diào)速具備其獨特的優(yōu)點與性能，但是也要考慮變頻器對普通異步電動機的影響，采用相應(yīng)的手段對電動機進行保護。

參考文獻

[1]吳少鑫.變頻調(diào)速在水泵節(jié)能系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].電機控制與應(yīng)用，2006，（07）：59-61.

[2]王家志.淺析變頻調(diào)速控制原理及應(yīng)用[J].今日科苑，2007，（20）：58.

作者簡介

段曉飛（1987-），男，遼寧沈陽人，職稱：助理工程師，學(xué)歷：本科，主要研究方向：自動控制。