電力電子技術(shù)在變頻器中的應(yīng)用

徐莉

摘 要

隨著時代的進(jìn)步，要求工業(yè)企業(yè)在生產(chǎn)的同時，要注意能耗的降低，這不僅僅是成本的下降，也是對社會資源的合理利用和減排的要求。目前進(jìn)行節(jié)能的重要手段之一，就是利用電力電子中的變頻技術(shù)對電能進(jìn)行處理。利用該技術(shù)，可使交流電機(jī)高效運(yùn)行，達(dá)到節(jié)電效果。

【關(guān)鍵詞】電力電子技術(shù) 變頻器 節(jié)能

電力電子技術(shù)是研究利用電力電子器件實(shí)現(xiàn)電能變換和控制的電路，簡單地說其作用就是能優(yōu)化電能，把粗電變成負(fù)載需要的精電。具有高效、節(jié)能、省材的特點(diǎn)，是實(shí)現(xiàn)弱電控制強(qiáng)電的橋梁。電力電子電路有 AC —DC（交流—直流）、 DC — DC（交流—交流）、 DC — AC（直流—交流）、AC — AC（直流—直流）四種類型，可以進(jìn)行變流、能量變換。電力電子技術(shù)的應(yīng)用之一就是變頻調(diào)速。變頻器主要用于電機(jī)調(diào)速，應(yīng)用后其節(jié)能效果顯著，并大大減少了對原材料的消耗。

1 電機(jī)調(diào)速的方法

由電機(jī)調(diào)速基本公式：n = 60 f （1-s）/ P

n：轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速

f：電機(jī)供電頻率

s：（n0-n）/n0轉(zhuǎn)差率

P：電機(jī)極對數(shù)

可知電機(jī)的調(diào)速方式有三種：

1.1 改變P，即變極調(diào)速

通過改變定子繞組的接線方式來改變籠型電動機(jī)定子極對數(shù)來達(dá)到調(diào)速目的。由于定子繞組的磁極對數(shù)只能成對的改變，所以轉(zhuǎn)速也只能整倍數(shù)來調(diào)節(jié)。

1.2 改變s，即變轉(zhuǎn)差率調(diào)速

改變電源電壓和轉(zhuǎn)子繞組的電阻，可以實(shí)現(xiàn)改變轉(zhuǎn)差率調(diào)速。但減小電源電壓會使最大轉(zhuǎn)矩下降很多，可能使電機(jī)無法啟動；而且電機(jī)轉(zhuǎn)子串入附加電阻，轉(zhuǎn)差功率會以發(fā)熱的形式消耗在電阻上，這種方法鼠籠型電動機(jī)難以應(yīng)用，一般用于繞線型轉(zhuǎn)子串電阻。

以上兩種方法都屬于有級調(diào)速。

1.3 改變f，即變頻調(diào)速

這種調(diào)速可以增大或減小轉(zhuǎn)速，使調(diào)速的平滑性、穩(wěn)定性以及經(jīng)濟(jì)性都很好，屬于無級調(diào)速。應(yīng)用比較普遍，本文主要介紹該種調(diào)速方式。

要實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速，必須有頻率可調(diào)的交流電源，但電力系統(tǒng)卻只能提供固定頻率的交流電源，因此需要一套變頻裝置來完成變頻的任務(wù)。變頻器是一種控制交流電機(jī)的裝置，它將頻率固定（通常為工頻50HZ）的交流電（三相的或單相的）交換成頻率連續(xù)可調(diào)的三相交流電源。變頻器的接線如下圖所示，變頻器的輸入端（R，S，T）接至頻率固定的三相交流電源，輸出端（U，V，W）輸出的是頻率在一定范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)的三相交流電，接至電機(jī)。其外部接線情況如圖1所示。

VVVF：改變電壓、改變頻率（Variable Voltage and Variable Frequency）

2 變頻器的工作原理

變頻器的分類有很多種，按變換環(huán)節(jié)分可以分為交直交變頻器和交交變頻器。本文主要介紹此種分類方式

2.1 交-直-交變頻器

交-直-交變頻器是先將工頻交流電源通過整流器變換成直流，再通過逆變器變換成可控頻率和電壓的交流，其主電路如圖2所示。

2.1.1 交-直變換部分

（1）VD1～VD6組成三相整流橋，能將交流電源轉(zhuǎn)換成直流電源。在中小容量變頻器中，整流器件采用的是不可控整流二極管或二極管模塊，而功率較大的變頻器一般用可控硅。

（2）CF1、CF2為濾波電容器。由于整流出的直流電中含有交流分量，并且當(dāng)負(fù)載變化時，直流電也會發(fā)生波動，為了使直流電壓保持平衡，設(shè)置了濾波電容器。

（3）限流電阻RL和開關(guān)SL。當(dāng)變頻器剛接入電源的瞬間沖擊電流比較大，限流電阻RL可以削弱該沖擊電流，將電容CF的充電電流限制在一定范圍內(nèi)。

但限流電阻RL常接在電路中會影響到直流電壓，同時增大電路的損耗，所以當(dāng)CF充電到一定電壓，令短路開關(guān)SL接通，將RL短路。一些變頻器使用晶閘管代替（如虛線所示）。

（4）電源指示燈HL。除用作通電指示外，HL也具有提示保護(hù)的作用。當(dāng)變頻器切斷電源后，由于CF的容量較大，導(dǎo)致CF的電壓高，如果不放完電，會對人身安全構(gòu)成威脅，因此要求燈滅后才能進(jìn)行拆線等操作。

2.1.2 能耗電路部分

（1）制動電阻RB。變頻器在頻率下降的過程中處于再生制動狀態(tài)，回饋的電能將存貯在電容CF中，使直流電壓不斷上升，甚至達(dá)到十分危險的程度。RB的作用就是將這部分回饋能量消耗掉。

（2）制動單元VB。由全控型晶閘管及其驅(qū)動電路構(gòu)成，為放電電流IB流經(jīng)RB提供通路。

2.1.3 直-交變換部分

（1）VD1～VD6組成逆變橋，把整流的直流電逆變?yōu)榻涣麟?。這是變頻器的核心部分。

（2）續(xù)流二極管VD7～VD12。

阻感負(fù)載時需提供無功功率。為了給交流側(cè)向直流側(cè)反饋的無功能量提供通道（即續(xù)流過程），逆變橋各臂需要并聯(lián)反饋二極管。

2.2 交-交變頻器

交-交變頻電路，也稱周波變流器，它把電網(wǎng)頻率的交流電變成可調(diào)頻率的交流電的變流電路，屬于直接變頻電路。廣泛用于大功率交流電動機(jī)調(diào)速傳動系統(tǒng)，接下來以三相輸入單相輸出的交-交變頻電路為例，說明其工作原理：

三相輸入單相輸出的交-交變頻電路由電路由具有相同特征的兩組晶閘管整流電路反并聯(lián)構(gòu)成，將其中一組稱為正組整流器，另外一組稱為反組整流器。只要交替地以低于電源頻率切換正、反組整流器的工作狀態(tài)，即可在負(fù)載端獲得交變的輸出電壓。其工作原理為：正組工作時，負(fù)載電流i0為正；反組工作時，i0為負(fù)。只要交替地以一定頻率切換正、反組整流器的工作狀態(tài)，即可在負(fù)載端獲得交變的輸出電壓。其輸出波形如圖4所示。

改變切換頻率，就可改變輸出頻率f0；改變變流電路的控制角α，就可以改變交流輸出電壓幅值。

2.3 交-直-交與交-交變頻器之比較

2.3.1 交-直-交變頻器

其結(jié)構(gòu)簡單，輸出頻率變化范圍大，功率因數(shù)高，諧波易于消除，可使用各種新型大功率器件

2.3.2 交-交變頻器

其過載能力強(qiáng)，效率高輸出波形好，但輸出頻率低，使用功率器件多，輸入無功功率大，高次諧波對電網(wǎng)影響大。

3 變頻器的應(yīng)用實(shí)例

3.1 軟啟動

異步電動機(jī)在全壓啟動時，其啟動電流可達(dá)到額定電流的4～7倍，這會對電源形成沖擊，引起電網(wǎng)電壓的波動；此外，由于啟動過程過于快速，也會對機(jī)械負(fù)載形成沖擊，縮短機(jī)械傳動部分的使用壽命。使用變頻器后，由于其輸出頻率可以從很低頻率開始，頻率上升的快慢可以任意設(shè)定，電機(jī)起動電流被限制在額定電流附近，消除啟動過程對電機(jī)和機(jī)械負(fù)載的沖擊，這種啟動特性十分優(yōu)越。

3.2 風(fēng)機(jī)水泵調(diào)速

普通風(fēng)機(jī)和水泵調(diào)節(jié)風(fēng)量和流量是靠擋板和閥門進(jìn)行調(diào)節(jié)，電機(jī)全速運(yùn)行除浪費(fèi)大量電能外還造成環(huán)境污染及管道壓力損失等問題。改用交流電機(jī)變頻調(diào)速裝置來調(diào)節(jié)風(fēng)量和流量，在壓力不變的情況下可節(jié)電20%～30%

3.3 空調(diào)系統(tǒng)

空調(diào)用電一般占城市用電量的30%左右，一般工作在部分負(fù)荷下，而壓縮機(jī)只有在滿負(fù)荷情況下才能達(dá)到最佳效率，所以能耗很大。采用變頻調(diào)速技術(shù)控制壓縮機(jī)，使之能根據(jù)不同情況的負(fù)荷對房間自動的調(diào)節(jié)。這種制冷/制熱系統(tǒng)非常高效、節(jié)能，比傳統(tǒng)不變速空調(diào)可節(jié)能 15%～ 20%。

4 結(jié)論

采用電力電子技術(shù)可以改造傳統(tǒng)的工業(yè)設(shè)備，特別是變頻調(diào)速技術(shù)自誕生以來就在諸多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。利用變頻器，改變電機(jī)的電源頻率來對交流電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)。使系統(tǒng)始終處于一種節(jié)能狀態(tài)下運(yùn)行，可以節(jié)約大量的能源，減少環(huán)境污染，更好的適應(yīng)了生產(chǎn)需要。

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