淺析變頻器的作用及工作原理

劉瑞敏

摘 要：變頻器是將工頻電源轉(zhuǎn)換為其它頻率的交流電源設(shè)備。上世紀(jì)80年代末期，我國開始應(yīng)用變頻器，因為變頻器所具有的節(jié)電效果與優(yōu)越性能，促使其在國內(nèi)的使用量持續(xù)攀升，并且它也在傳統(tǒng)工業(yè)的改造、工藝流程的改善、自動化水平的提升、能源節(jié)約等方面發(fā)揮著十分重要的作用，隨著社會的不斷發(fā)展，對于變頻器也有了更高的要求。此文對于變頻器進行了簡單的介紹，并且探究了其應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展。

關(guān)鍵詞：變頻器；工作原理；調(diào)速節(jié)能

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.04.156

0 前言

上個世紀(jì)90年代初，我國國內(nèi)的變頻器大多來自于國外的品牌，例如：ABB、西門子、三菱、以及富士等國外品牌，直到90年代中期，國內(nèi)市場才出現(xiàn)了我國所生產(chǎn)的變頻器，其中通用型變頻器占據(jù)了較大的比重?，F(xiàn)如今，國產(chǎn)變頻器的生產(chǎn)技術(shù)已經(jīng)接近于國際先進水平，國產(chǎn)變頻器也在我國的市場中占據(jù)著較大的比重。

在交流拖動系統(tǒng)的應(yīng)用中，變頻器表現(xiàn)出很好的可控性，能夠進行無極調(diào)速以及軟啟動，可以控制加減速，并促使電動機擁有較高的性能，并且表現(xiàn)出明顯的節(jié)能作用。因此，變頻調(diào)速的應(yīng)用能夠提升機械生產(chǎn)的產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)效率、以及控制精度，進而有益于生產(chǎn)過程自動化的實現(xiàn)。

在我們所使用的家電產(chǎn)品中，變頻器也廣泛地存在著，例如熒光燈、空調(diào)等。變頻器不僅能夠改變電壓，也能夠改變頻率。然而，熒光燈變頻器的主要作用在于電源供電頻率的調(diào)整。近些年來，變頻器普遍地應(yīng)用在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中。

1 變頻器的作用

1.1 控制電機啟動電流，減少電力線路電壓波動

在電機經(jīng)由工頻啟動的過程中，4-7倍的電機額定電流便會產(chǎn)生。在這個過程中所產(chǎn)生的電流值極大地提高了電機繞組的電應(yīng)力，而且在這個過程中會形成一定的熱量，進而導(dǎo)致了電機使用壽命的縮減。變頻調(diào)速的應(yīng)用對于增強繞組承受力以及減少啟動電流是十分有利的，就使用者而言，其最直接的好處是電機使用壽命的延長以及維護成本的減少。

電壓和電流兩者的乘積與電機功率成正相關(guān)關(guān)系，那么通過工頻直接進行電機的啟動所消耗的功率將會極大地超過啟動變頻所需的功率。對于某些工況來講，已經(jīng)達到了配電系統(tǒng)的最高極限，直接工頻啟動電機所產(chǎn)生的電壓也會產(chǎn)生大幅度的波動，所形成的電涌便會嚴(yán)重地影響到相同電網(wǎng)上的用戶。如果采用變頻器進行電機啟停，就不會產(chǎn)生類似的問題。

1.2 可調(diào)的運行速度以及可控的停止方式與加速功能

變頻調(diào)速可以零速啟動而且依據(jù)于用戶所需而實施均勻地加速，此外，也能夠選擇加速曲線，比如：直線加速、s型加速、以及自動加速。然而，在工頻加速的過程中，對于齒輪、機械部分軸、電機都會形成巨大的沖擊以及振動，這將會促使機械的損耗以及磨損加快，導(dǎo)致電機以及機械部件使用壽命的縮減。

在變頻調(diào)速時，正如同于可控的加速，其可以控制停止的方式，并且能夠選擇存在差異性的停止方式，它也能夠有效地降低對于電機以及機械部件的沖擊，進而促使系統(tǒng)更具可靠性，也會提升其使用的壽命。

變頻調(diào)速應(yīng)用可以促使工藝過程得以優(yōu)化，也能夠依據(jù)于工藝過程快速地進行轉(zhuǎn)變，此外速度變化也能借助于遠(yuǎn)控plc以及別的控制器來實現(xiàn)。

1.3 可調(diào)的轉(zhuǎn)矩極限

在變頻調(diào)速之后，可以設(shè)置對應(yīng)的轉(zhuǎn)矩極限來有效地維護機械免受損傷，進而確保產(chǎn)品的可靠性以及工藝過程的連續(xù)性?，F(xiàn)如今的變頻技術(shù)既能夠調(diào)整轉(zhuǎn)矩，也能夠控制轉(zhuǎn)矩的精度。電機在工頻狀態(tài)中僅能借助于熱保護或是檢測電流值予以控制，而難以如同變頻控制一樣進行精確轉(zhuǎn)矩值的設(shè)置。

1.4 節(jié)能

在運用變頻器之后，水泵以及離心風(fēng)機的能耗都能夠極大地得到降低。因為電機轉(zhuǎn)速與最終能耗之間具有立方比的關(guān)聯(lián)性，因此在變頻運用之后便能得到更為快速的投資回報。

在控制變頻器時，可逆運行控制的實現(xiàn)不需要多余的可逆控制裝置，僅需進行輸出電壓相序的改變，便能夠?qū)崿F(xiàn)安裝空間的節(jié)約以及維護成本的降低。

1.5 減少機械傳動部件

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，同步電機結(jié)合矢量控制變頻器便能夠輸出高效轉(zhuǎn)矩，便利于 節(jié)約齒輪箱等機械傳動部件， 進而就可以促使空間的節(jié)省、成本的降低、以及穩(wěn)定性的提升。

近些年以來，因為以上所述的優(yōu)勢以及變頻控制理論、功率半導(dǎo)體器件、以及電力電子技術(shù)的快速化發(fā)展，變頻器已普遍地運用在各行各業(yè)中，對于我們的生活、工業(yè)化發(fā)展、以及社會的發(fā)展做出了巨大的貢獻。

2 變頻器的工作原理

那么，電機的旋轉(zhuǎn)速度為何可以自由地改變呢？

電機轉(zhuǎn)速以及頻率公式：n=60f/p

在這個式子中，n代表電機轉(zhuǎn)速（轉(zhuǎn)速/分）；60指的是每分鐘；f代表電源頻率（Hz）；p代表電機旋轉(zhuǎn)磁場的極對數(shù)。通過此式便可以看出：電機旋轉(zhuǎn)速度和頻率具有正比關(guān)系，和電機極對數(shù)具有反比關(guān)系。

通過上式，我們便可以知道：頻率f與轉(zhuǎn)速n之間具有正比例關(guān)系，電動機轉(zhuǎn)速的改變僅需要改變頻率f，當(dāng)f在0～50Hz的范圍之內(nèi)發(fā)生改變時，電動機轉(zhuǎn)速具有十分寬的可調(diào)節(jié)范圍。速度調(diào)節(jié)是通過變頻器借助于改變電動機電源頻率而實現(xiàn)的，它是一種具有很高性能以及很高效率的調(diào)速方式之一。

假使只進行頻率的改變，那么電機將會受到損壞，尤其在頻率減小時，此問題便十分明顯。為避免出現(xiàn)燒毀電機的事故，那么在頻率改變的同時也要改變電壓?？刂齐姍C的最優(yōu)方式在于電壓以及頻率的改變。為了能夠產(chǎn)生可控可變的頻率以及電壓，該裝置應(yīng)先將電源的交流電轉(zhuǎn)變成直流電（DC）。才能夠進行電壓的改變，也能夠進行頻率的改變。

當(dāng)主電路的控制被變頻器控制電路完成后，交流電便會被整流電路轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟?。直流中間電路對于輸出整流電路實施平滑濾波，直流電由逆變電路逆成交流電。對于矢量控制變頻器此種需巨大運算的變頻器而言，某時也需要一個實施轉(zhuǎn)矩計算的CPU以及某些相對應(yīng)的電路。變頻調(diào)速是借助于電機定子繞組供電頻率的改變來實現(xiàn)調(diào)速的目的。endprint

變頻器種類的劃分方式相對較多，根據(jù)其工作原理進行劃分，主要是下列4種：

2.1 U/f=C的正弦脈寬調(diào)制（SPWM）控制方式

其主要的特征在于其具有較好的機械特性硬度、較低的成本、以及結(jié)構(gòu)簡單的控制電路，其可以與通常的傳動平滑調(diào)速要求相匹配，現(xiàn)如今已經(jīng)普遍地應(yīng)用于多個不同的產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域。但是這種控制方式在低頻狀態(tài)中，因相對較低的輸出電壓，造成了轉(zhuǎn)矩受定子電阻壓降比較明顯的影響，減少了最大轉(zhuǎn)矩的輸出。此外，靜態(tài)調(diào)速性以及動態(tài)轉(zhuǎn)矩的能力相對較差一些，并且系統(tǒng)的性能較低、控制曲線會伴隨著負(fù)載的改變而改變，轉(zhuǎn)矩的響應(yīng)較慢、電機轉(zhuǎn)矩的利用率較低，在低速狀態(tài)時，因為存在的逆變器死區(qū)以及定子電阻效應(yīng)導(dǎo)致了其穩(wěn)定性與性能的降低。

2.2 電壓空間矢量控制方法

此控制方式的前提在于三相波形整體的生成效果，將逼近電機氣隙的理想圓形旋轉(zhuǎn)磁場軌跡做為目的，將內(nèi)切多邊形逼近圓的途徑而進行控制。在實際的運用過程中，因為此方法所存在的不足，便對其所存在的弊端進行了具有針對性的改造，由于加入了頻率補償，在很大程度上降低了速度控制所存在的誤差；將輸出電流、電壓閉環(huán)，有效地提高了動態(tài)穩(wěn)定度以及精準(zhǔn)度。然而，因為具有較多數(shù)量的控制電路環(huán)節(jié)，并且尚未引入轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)，因此導(dǎo)致了系統(tǒng)的性能改變不理想。

2.3 直接轉(zhuǎn)矩控制方式

在上世紀(jì)末，學(xué)者DePenbrock在1985年第一次對于此技術(shù)進行了詳細(xì)的闡述。在DePenbrock的研究之中，其很好地解決了矢量控制不足的難題，此外，由于其具有簡潔的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、優(yōu)異的動靜態(tài)特征、先進的控制思想，使得此方式得到了廣泛的應(yīng)用?，F(xiàn)如今，這項技術(shù)已非常成功地應(yīng)用于由電力機車所牽引的大功率交流傳動中。因為這種控制方式無需將交流電動機與直流電動機相等同，因此，其極大地簡化了矢量旋轉(zhuǎn)變換中繁雜的計算過程，由于其所具有的的優(yōu)異性能，使得它得到了廣泛的應(yīng)用。

2.4 矩陣式交—交控制方式

矢量控制變頻、VVVF變頻、以及直接轉(zhuǎn)矩控制變頻均屬于交—直—交變頻的范疇。其所存在的共同缺陷有兩點：其一，較低的輸入功率因數(shù)；其二，較大的諧波電流。對于直流電路來講，其一定要擁有巨量的儲能電容。由于以上缺陷的卻在，便進一步研發(fā)出了矩陣式交—交變頻控制方式。因為中間的直流環(huán)節(jié)被矩陣式交—交變頻所省去，因此使得電解電容得到了極大的節(jié)省?，F(xiàn)如今，此項技術(shù)尚且沒有得到完善，然而諸多學(xué)者卻對其進行了不懈的努力。

3 結(jié)論

就交流變頻調(diào)速技術(shù)而言，是電子技術(shù)、控制技術(shù)、電力技術(shù)、以及微電子技術(shù)快速發(fā)展的一種產(chǎn)物，也是現(xiàn)代電力傳動技術(shù)的一個關(guān)鍵的發(fā)展方向。對于變頻調(diào)速的研究為目前電氣傳動研究中最具有實際運用價值以及最為活躍的工作。交流變頻調(diào)速裝置擁有良好的節(jié)能節(jié)電效果以及調(diào)速性能，是現(xiàn)代企業(yè)實施設(shè)備更新?lián)Q代以及技術(shù)改造的理想裝置，其擁有操作簡便、可靠性高、通用性強等諸多的優(yōu)點，受到了社會的青睞，眾多的科技工作者仍然處在前進的道路上，以研究出更加先進的變頻技術(shù)，為人民造福，為社會造福。

參考文獻：

[1]王占奎等.變頻調(diào)速應(yīng)用百例[M].北京市科學(xué)出版社，1999.

[2]原魁.變頻器基礎(chǔ)及應(yīng)用[M].冶金工業(yè)出版社，2005.endprint