變頻調(diào)速技術(shù)的原理及應(yīng)用

翟弘毅,路林吉

(上海交通大學(xué)自動化系,201114）

?

變頻調(diào)速技術(shù)的原理及應(yīng)用

翟弘毅,路林吉

(上海交通大學(xué)自動化系,201114）

摘要：在交流電動機(jī)轉(zhuǎn)速控制的控制上，變頻技術(shù)是最可靠、最理想、控制效果最明顯、節(jié)能效果最明顯而且最有發(fā)展前景的控制技術(shù)。本文從以理論為依據(jù)，結(jié)合變頻技術(shù)在電動機(jī)實(shí)際運(yùn)行中的控制效果。對變頻器的調(diào)速原理、節(jié)能原理；變頻器的主要功能；變頻器的控制方式等方面的內(nèi)容進(jìn)行闡述，表明變頻技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)和發(fā)展前景。

關(guān)鍵詞：變頻；電機(jī)；調(diào)速與節(jié)能

0　前言

上世紀(jì)80年代引進(jìn)變頻技術(shù)以來，我國在電動機(jī)速動控制和節(jié)能等方面優(yōu)勢明顯，其功率因數(shù)高、調(diào)速性能好、能夠軟啟動，是延長設(shè)備使用壽命的重要保障。變頻技術(shù)是現(xiàn)在交流電動機(jī)調(diào)速手段中最節(jié)能、最理想的手段。

1　變頻器速度調(diào)節(jié)原理

1.1變頻器調(diào)速原理

異步電動機(jī)的調(diào)速方法分三種：①可以改變電動機(jī)的極對數(shù)來使其轉(zhuǎn)速變化，但是這種調(diào)速的方法存在級差，不可用來實(shí)現(xiàn)無極調(diào)速，不能使用在水泵、火電廠風(fēng)機(jī)等輔助機(jī)械的轉(zhuǎn)速調(diào)整。②通過改變轉(zhuǎn)速差率來實(shí)現(xiàn)改變異步電機(jī)轉(zhuǎn)速，可以實(shí)現(xiàn)無極調(diào)速，但只能應(yīng)用在容量比較小的電擊上，存在整體效率低下、故障率高的缺陷，不適合用在大容量電動機(jī)的速度調(diào)節(jié)上。③通過改變定子頻率進(jìn)行異步電機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，也就是變頻器使用的調(diào)速方法。

1.2變頻器的節(jié)能原理

變頻調(diào)速節(jié)能、提高功率因數(shù)節(jié)能、軟啟節(jié)能是變頻器的節(jié)能原理。

1.2.1變頻調(diào)速節(jié)能法

如果設(shè)備容量過大就會產(chǎn)生浪費(fèi)工頻運(yùn)行的情況，通過變頻調(diào)速的手段，降低設(shè)備的運(yùn)行速度可以產(chǎn)生非常顯著的節(jié)能效果。下文，使用風(fēng)機(jī)泵類負(fù)載來簡述變頻節(jié)能的原理。

風(fēng)機(jī)泵類負(fù)載能夠?qū)α黧w的流量進(jìn)行控制，風(fēng)機(jī)水泵的容量通常很大，需要以工藝為依據(jù)進(jìn)行控制：一種是通過控制閥門開度進(jìn)行控制，該方法雖然能夠節(jié)約一些輸入功率，但進(jìn)行閥門控制時會浪費(fèi)能量。另一種是利用調(diào)節(jié)速度的方法進(jìn)行流量控制，能很好地滿足節(jié)能的目的。實(shí)踐中，存在多種調(diào)速手段，變頻調(diào)速的手段有最好的節(jié)能效果。

1.2.2提高功率因數(shù)節(jié)能法

案例2：某大學(xué)針對某項(xiàng)政策的態(tài)度調(diào)查，隨機(jī)抽取300名該校不同身份的被調(diào)查者，了解其對該政策的觀點(diǎn)，調(diào)查結(jié)果如表2所示。

有些時候不必要對電機(jī)進(jìn)行調(diào)速，這時提高功率因數(shù)就成為變頻器節(jié)能效果的主要表現(xiàn)，它能減少線路功率的消耗。SPWM正弦脈寬調(diào)制型變頻器的主電路主要包括：整流器、中間平行波環(huán)節(jié)、逆變器以及能耗制動回路4個主要部分構(gòu)成。通過計算，SPWM正弦脈寬調(diào)制型變頻在電網(wǎng)側(cè)的功率因數(shù)幾乎是1，但普通電機(jī)的自然功率因數(shù)在0.76與0.85之間。在電機(jī)中采用變頻器作為拖動電源時，電機(jī)的功率因數(shù)能達(dá)到0.95到0.98之間，減少電機(jī)從電網(wǎng)吸收的無功功率，減少線路的有功功率和無功功率的耗損，且這個形式的耗損是不能通過在低壓配電室并聯(lián)電容的方法來補(bǔ)償。

1.2.3軟啟動節(jié)能法

電機(jī)全壓啟動、星-三角降壓啟動和自耦變壓器減壓啟動時，啟動的電流能達(dá)到4到6倍的額定電流。啟動電流如此之大，會造成電機(jī)本身大量的銅損，并會增加電路功率的耗損，引發(fā)線路電壓的波動、沖擊機(jī)械設(shè)備與電網(wǎng)。因此在設(shè)計供電系統(tǒng)時須增加變壓器的容量，來阻止過大的啟動電流對設(shè)備造成的損害。

2　變頻器的常用功能

2.1升速功能

電動機(jī)頻率提高的越慢，代表著升速時間越長，電機(jī)在啟動的時候的轉(zhuǎn)差就越小、動態(tài)轉(zhuǎn)矩越小，實(shí)際效果就是造成啟動電流的減小。電動機(jī)的升速越大，說明頻路提高的快，在拖動系統(tǒng)慣性大的情況下，電動機(jī)轉(zhuǎn)子的速度無法跟上同步轉(zhuǎn)速，造成了轉(zhuǎn)差與動態(tài)轉(zhuǎn)矩的加大，使升速電流大于規(guī)定的數(shù)值。升速本質(zhì)上是電動機(jī)從一個運(yùn)行穩(wěn)態(tài)達(dá)到另外一個運(yùn)行穩(wěn)態(tài)的過程，當(dāng)這個過程進(jìn)行時，一般不開展生產(chǎn)活動，升速的過程應(yīng)控制不過流，且越快越好。變頻機(jī)能夠預(yù)先設(shè)置電動機(jī)的升速方式，控制不同階段加速度。

2.2過載保護(hù)功能

之所以要對電動機(jī)進(jìn)行過載保護(hù)，是為避免電動機(jī)過熱損壞。變頻器通過依據(jù)電動機(jī)的溫度不超過額定值的原則進(jìn)行電動機(jī)的保護(hù)。變頻器全部安裝電子熱保護(hù)設(shè)備，電動機(jī)處在不同頻率中有不同保護(hù)效果，頻率越低時持續(xù)運(yùn)行的限制時間就越短。

3　變頻器的控制防止

3.1控制方式

一是控制運(yùn)行方式，指對電動機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的控制，例如提速、降速、正傳、反轉(zhuǎn)等?？刂频姆绞接墟I盤控制、接口控制、外端子控制等。二是控制電機(jī)特性的方式，指控制電動機(jī)的機(jī)械特性，使其滿足電動機(jī)各種負(fù)荷需求的方式，包含無反饋矢量控制方式、V/ F控制方式、有無反饋矢量控制方式等。

3.2運(yùn)行控制

3.2.1鍵盤控制

使用安裝在變頻控制器面板上面的鍵盤進(jìn)行控制，能夠控制起動、停止、提速、降速、點(diǎn)動、復(fù)位等運(yùn)行方式。

3.2.2外接端子控制

使用外部接入輸入端子的方式進(jìn)行變頻器的運(yùn)行控制，端子中包含正轉(zhuǎn)控制端、反轉(zhuǎn)控制段、點(diǎn)動控制段、復(fù)位控制端以及可編程多功能控制端等端子。其中可編程控制段的功能需通過編程模式預(yù)設(shè)，能實(shí)現(xiàn)多擋轉(zhuǎn)速控制、多擋升速時間控制、外部故障信號輸入等方式。

3.3電動機(jī)特性的控制方式

3.3.1V/F控制方式

V/F控制方式值得是，電動機(jī)在低頻運(yùn)行時，改變電壓與頻率的比值來控制電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩，來使符合得到滿足。每種變頻器都有許多條不同補(bǔ)償程度的V/F線可供使用者按照需求進(jìn)行選擇。

3.3.2矢量控制方式

矢量控制的方法的原理較為復(fù)雜，但是其被提出是有著革命性意義的，在實(shí)踐過程中會發(fā)現(xiàn)這種控制方式嚴(yán)重受到電動機(jī)參數(shù)的制約，實(shí)際操作時的效果很難達(dá)到預(yù)想的狀態(tài)。

4　結(jié)語

變頻技術(shù)在交流電動機(jī)控制方面的應(yīng)用有很大優(yōu)勢，能夠有效、方便控制電動機(jī)的啟動和運(yùn)行，且還能起到環(huán)保節(jié)能、延長電動機(jī)使用壽命的作用，既可使電動機(jī)在節(jié)能最優(yōu)的狀態(tài)運(yùn)行，又能提升對電動機(jī)的控制精度。變頻技術(shù)是現(xiàn)代電氣化工業(yè)生產(chǎn)中理想的控制手段，通過技術(shù)創(chuàng)新將得到更好使用效果。

參考文獻(xiàn)

謝健.變頻器的節(jié)能原理及在浮法玻璃生產(chǎn)線中的應(yīng)用[J] .國外建技,2007,28(4):

The principle of variable frequency speed regulation technology and application

Zhai Hongyi,Lu Linji
(Department of Automation，Shanghai Jiao Tong University,201114)

Abstract：On the control of ac motor speed control,variable frequency technology is the most reliable and ideal energy saving effect,the control effect is most obvious.This paper based on theory,combined with frequency conversion technology in actual operation of the motor control effect.The frequency converter speed control principle,the energy saving principle; The main function of the frequency converter;Inverter control mode,etc,elaborates the content,shows a bit of frequency conversion technology and development prospects.

Keywords：frequency conversion;The motor;Speed regulation and energy saving