變頻器工作原理及其應(yīng)用

張柱

摘 要：電動機(jī)作為電能應(yīng)用的最常見設(shè)備，廣泛應(yīng)用于人類生產(chǎn)的各個領(lǐng)域。變頻技術(shù)是當(dāng)前電動機(jī)控制主流技術(shù)，具有十分廣闊的發(fā)展前景。文章圍繞變頻調(diào)速相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行探討，闡述了變頻調(diào)速的原理和特點(diǎn)，對變頻調(diào)速在日常生產(chǎn)中的應(yīng)用情況進(jìn)行了簡要介紹。

關(guān)鍵詞：變頻技術(shù)；調(diào)速；節(jié)能

引言

自十九世紀(jì)第一臺電動機(jī)發(fā)明以來，已經(jīng)過去了近200年。在這長達(dá)兩個世紀(jì)的漫長時間里，形形色色、各種各樣的電動機(jī)進(jìn)入人們的視線，作為人們對于電能應(yīng)用的一個主要分支，在人類社會生產(chǎn)和生活領(lǐng)域發(fā)揮著重大作用。就調(diào)速性能而言，電動機(jī)大體上經(jīng)歷了三個階段，即直流電機(jī)、異步電機(jī)和變頻交流電機(jī)。從時間上看，一直到20世紀(jì)70年代前直流電機(jī)都占據(jù)著電動機(jī)的統(tǒng)治地位。直流電動機(jī)調(diào)速性能具有調(diào)速范圍廣、穩(wěn)定性好、過載能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。但生產(chǎn)工藝復(fù)雜，后期維護(hù)成本高，使用時限較短等問題給直流電機(jī)應(yīng)用造成很大負(fù)面影響。特別是電動機(jī)本身的換向器及電刷使用壽命嚴(yán)重不足，是直流電機(jī)的最大缺陷。針對這個問題，人們開發(fā)出了異步電動機(jī)，電動機(jī)換向器和電刷的問題基本解決，但異步電機(jī)使用交流電，調(diào)速性能差是其主要缺點(diǎn)。第三個階段是變頻技術(shù)的出現(xiàn)。應(yīng)用變頻技術(shù)的交流電動機(jī)可以較為妥善的解決異步電動機(jī)的調(diào)速問題，從而逐步取代直流調(diào)速成為拖動調(diào)速的主流技術(shù)。所謂變頻技術(shù)，顧名思義是指通過對交流電的頻率進(jìn)行調(diào)整，從而達(dá)到控制交流電機(jī)控制的方法。應(yīng)用變頻原理，使用電力半導(dǎo)體器件通過對電路的通斷控制實(shí)現(xiàn)對工頻電源頻率的改變的設(shè)備就是變頻器。日常工作中，變頻器的作用主要是將固定電壓和頻率的交流電源轉(zhuǎn)變?yōu)榭勺冸妷汉皖l率的交流電源。

1 變頻調(diào)速技術(shù)概述

變頻器在拖動系統(tǒng)中的最大作用就是電動機(jī)調(diào)速，對電動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)方式予以控制以實(shí)現(xiàn)預(yù)設(shè)目標(biāo)。需要注意的是，穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)是電動機(jī)系統(tǒng)的基礎(chǔ)前提，調(diào)速與否或使用何種調(diào)速方式都不能違背這個前提。為此，必須保證系統(tǒng)在因故發(fā)生擾動時能夠在允許時間內(nèi)進(jìn)行必要程度的自我恢復(fù)，消除擾動帶來的不利影響。具體來說，當(dāng)系統(tǒng)受到擾動時，電動機(jī)可以通過其本身電氣參數(shù)的改變來保障系統(tǒng)應(yīng)有的負(fù)載特性，而不能依賴于外加電氣參數(shù)的調(diào)整。因?yàn)殡妱訖C(jī)機(jī)械特性是電動機(jī)自身電氣參數(shù)綜合作用的結(jié)果，當(dāng)這些電氣參數(shù)發(fā)生變化時，電動機(jī)機(jī)械特性也隨之發(fā)生改變，從而形成新的機(jī)械特性曲線。而新的機(jī)械特性曲線與電動機(jī)負(fù)載特性曲線相交所產(chǎn)生的交點(diǎn)所顯示的就是系統(tǒng)重新達(dá)到穩(wěn)定的狀況。這就是變頻器驅(qū)動電動機(jī)實(shí)現(xiàn)調(diào)速的基本原理。雖然可以通過調(diào)整電動機(jī)自身參數(shù)來改變電動機(jī)機(jī)械特性，但受系統(tǒng)轉(zhuǎn)動慣量的影響，電動機(jī)轉(zhuǎn)速的變化是個漸進(jìn)的過程，盡管這個過程也許很短。正常情況下，外界給予電動機(jī)系統(tǒng)的參數(shù)發(fā)生變化時，電動機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩同步發(fā)生改變，打破了原有轉(zhuǎn)矩平衡，系統(tǒng)合轉(zhuǎn)矩重新形成。新的合轉(zhuǎn)矩給予系統(tǒng)一個加速或減速的效果。在其作用下，系統(tǒng)重新達(dá)到平衡，形成新的穩(wěn)定狀態(tài)。這個加速或減速過程就稱為調(diào)速過程。實(shí)際工作中，極對數(shù)、轉(zhuǎn)差率和頻率是最常用來實(shí)現(xiàn)電動調(diào)速的參數(shù)。其中，極對數(shù)和轉(zhuǎn)差率調(diào)速法具有轉(zhuǎn)差損耗大，效率低的缺點(diǎn)，使用條件較為苛刻，適用范圍較小。變頻調(diào)速是通過改變定子電源頻率來改變同步頻率實(shí)現(xiàn)電機(jī)調(diào)速的。盡管在調(diào)速過程中轉(zhuǎn)差率可以控制在一定范圍內(nèi)，但單純依賴電動機(jī)頻率的調(diào)節(jié)無法保障變頻特性。從異步電機(jī)公式中我們可以看到，電動機(jī)頻率和磁通量的乘積大體上和外加電壓成正比例關(guān)系，在外加電壓一定的情況下，如果磁通量上升，則頻率下降，反之則頻率上升。當(dāng)頻率下降到一定程度時，磁通量會達(dá)到飽和狀態(tài)，使得勵磁電流增大，有效功率在總功率中的比例下降，大量電能轉(zhuǎn)為熱能，電動機(jī)鐵芯和線圈溫度迅速升高，給電動機(jī)的正常安全運(yùn)轉(zhuǎn)帶來威脅。為防止上述問題發(fā)生，在降低頻率的同時也要降低電壓，實(shí)現(xiàn)頻率與電壓協(xié)調(diào)控制。另外，有些情況下的調(diào)速需要磁通量恒定，這時就需要調(diào)整電壓和頻率，所以變頻調(diào)速也就稱之為可變頻率可變電壓調(diào)速（VVVF）。

2 變頻調(diào)速技術(shù)的特點(diǎn)

變頻調(diào)速是當(dāng)前電機(jī)調(diào)速的主流發(fā)展方向，具有調(diào)速平滑性好、效率高的特點(diǎn)。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速較低時，變頻調(diào)速可以在保障電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)較大范圍的調(diào)速，調(diào)速精度較高。使用變頻調(diào)速，可以有效控制起動電流，不但可以將電機(jī)起動時對電網(wǎng)的沖擊降到最低，而且有助于節(jié)約電能。從設(shè)備角度講，變頻電機(jī)體積較小，安裝、調(diào)試和后續(xù)維護(hù)、維修簡單易行，有利于實(shí)現(xiàn)過程自動化。缺點(diǎn)是成本高，必須配有專用的變頻電源，且在恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速時，低速段電動機(jī)的過載能力十分有限。

3 變頻調(diào)速技術(shù)應(yīng)用情況分析

3.1 使用變頻調(diào)速技術(shù)，可以大幅度節(jié)約能源

通過不同電機(jī)在相同情況下的對比分析可知，風(fēng)機(jī)、泵類等電力設(shè)備在使用變頻技術(shù)后節(jié)約的能源最為突出，一般可以比使用前節(jié)約20%到60%的電能。之所以效果如此明顯，主要是風(fēng)機(jī)、水泵類設(shè)備的負(fù)載功耗與轉(zhuǎn)速的三次方成正比的原因。一旦轉(zhuǎn)速下降，電機(jī)功耗就會大幅降低。而傳統(tǒng)的擋板或閥門進(jìn)行流量調(diào)節(jié)時，對于耗用功率的影響并不大。

3.2 使用變頻調(diào)速技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)運(yùn)行的高效控制

一是實(shí)現(xiàn)電機(jī)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)的控制。通過對變頻器內(nèi)部逆變管開關(guān)順序的簡單調(diào)節(jié)，就可以轉(zhuǎn)變輸出方向，從而有效避免轉(zhuǎn)換操作不當(dāng)給電機(jī)設(shè)備帶來的損壞。二是實(shí)現(xiàn)電機(jī)加速、減速的控制。通常情況下，變頻器調(diào)速系統(tǒng)啟動時頻率較低，能夠根據(jù)需要自由設(shè)定加速或減速時間，有利于加速或減速過程的平滑，將啟動電流控制在一定范圍內(nèi)。

3.3 使用變頻調(diào)速技術(shù)，有助于產(chǎn)品質(zhì)量和加工工藝水平的提高

除了上述提及的泵、風(fēng)機(jī)等設(shè)備外，變頻技術(shù)還可以用于控制傳送、卷繞、起重、擠壓、機(jī)床等多種機(jī)械設(shè)備。使用變頻技術(shù)后，設(shè)備的工作狀態(tài)大為改善，不僅有利于延長使用壽命，而且有助于降低設(shè)備控制的難度和復(fù)雜性，對于提高生產(chǎn)質(zhì)量水平也是非常有利的。

4 結(jié)束語

變頻調(diào)速技術(shù)目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于我國工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等各個領(lǐng)域，在節(jié)能降耗方面發(fā)揮了極為顯著的作用?？萍妓降牟粩嗵岣撸苿恿俗冾l調(diào)速技術(shù)的發(fā)展。特別是新型大功率半導(dǎo)體器件的出現(xiàn)，更是給變頻調(diào)速技術(shù)注入了巨大的發(fā)展活力。大功率、高電壓是當(dāng)前變頻調(diào)速技術(shù)的主流發(fā)展趨勢，與之配套的精確控制和動態(tài)特性也隨之完善。隨著我國經(jīng)濟(jì)體制改革的深入推進(jìn)，電力產(chǎn)業(yè)正迎來一個更加廣闊的發(fā)展空間。電機(jī)企業(yè)要牢牢抓住這個寶貴契機(jī)，加大新產(chǎn)品、新技術(shù)的研發(fā)力度，提高自主開發(fā)水平，縮減我國變頻調(diào)速技術(shù)和世界先進(jìn)水平的差距，為我國工業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展提供有力的支持。

參考文獻(xiàn)

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