變頻調(diào)速技術(shù)在風(fēng)機(jī)系統(tǒng)中的應(yīng)用

摘 要：風(fēng)機(jī)系統(tǒng)是工業(yè)設(shè)備中重要的耗能源，隨著國家對于節(jié)能減排和能源利用程度重視程度的提高，對于風(fēng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的優(yōu)化改造迫在眉睫。本文主要研究變頻調(diào)速技術(shù)在風(fēng)機(jī)系統(tǒng)中的應(yīng)用，通過改變高壓電動(dòng)機(jī)的輸入電源頻率，實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)設(shè)備的調(diào)速。在分析調(diào)速原理和方法的基礎(chǔ)上，選用級(jí)聯(lián)多電平電壓源型高壓變頻器，并分析不同的調(diào)制方式，為實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速奠定理論基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：風(fēng)機(jī)系統(tǒng)；變頻調(diào)速；節(jié)能降耗

中圖分類號(hào)：TD441 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1004-7344（2018）24-0256-01

引 文

工業(yè)循環(huán)水系統(tǒng)以及通風(fēng)行業(yè)的運(yùn)行成本中，風(fēng)機(jī)消耗的電能占到了很大的比例。國家對于節(jié)能減排和能源利用率的重視程度越來越高，《節(jié)能減排規(guī)劃》中提出采用高效節(jié)能電動(dòng)機(jī)、風(fēng)機(jī)、水泵來淘汰落后的耗電設(shè)備，對電機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速、永磁調(diào)速，優(yōu)化系統(tǒng)運(yùn)行和控制。變頻器應(yīng)用在各種工業(yè)設(shè)備中，通過對電機(jī)工作電源頻率的控制和改變來控制電機(jī)的整體運(yùn)轉(zhuǎn)，本文主要研究變頻調(diào)速技術(shù)在風(fēng)機(jī)系統(tǒng)中的應(yīng)用，分析變頻器的不同調(diào)制方式，優(yōu)化后的調(diào)速系統(tǒng)能夠提高風(fēng)機(jī)的工作效率，實(shí)現(xiàn)節(jié)約電能的同時(shí)保證設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性。

1 變頻器結(jié)構(gòu)

變頻器由主回路和控制回路組成，其中主回路又可以分為交-直回路，直-交回路，能耗制動(dòng)電路，外部接線，控制回路又分為內(nèi)部控制回路和外部控制回路。

（1）交-直回路：變頻器的交-直回路中包含了整流電路、濾波電路、限流電路，整流電路可以將電源的三相交流全波整流成直流電，濾波電路采用電容消除整流后的電壓紋波，能夠保持電壓的平穩(wěn)性，限流電路限制電容中的電流強(qiáng)度，避免進(jìn)入到設(shè)備內(nèi)部對設(shè)備造成影響。

（2）直-交回路：變頻器的直-交電路由逆變電路和續(xù)流電路，逆變電路是變頻器的核心部分，通過逆變方式改變電流的波形，續(xù)流電路采用續(xù)流二級(jí)管實(shí)現(xiàn)，可以為無功電流提供返回到直流電源的通道，同時(shí)在交替導(dǎo)通和截止過程中提供通道。

（3）能耗制動(dòng)電路：制動(dòng)電阻是能耗制動(dòng)電路的核心部件，電動(dòng)機(jī)工作頻率降低過程中，系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)出現(xiàn)機(jī)械能向電能的轉(zhuǎn)化，如果通過設(shè)備反饋到直流電路中會(huì)帶設(shè)備帶來巨大的安全隱患，制動(dòng)電阻可以處理部分電壓，控制其在合理的范圍內(nèi)。

（4）控制回路，控制回路的內(nèi)部控制回路包括了控制板、鍵盤、電源板、驅(qū)動(dòng)板等硬件部分，外部控制電路包括外接給定電路，外接輸入和輸出控制電路。

2 變頻器調(diào)速方法

2.1 電流型高壓變頻調(diào)速

電流型的變頻器調(diào)速采用了交-直-交變換技術(shù)，首先將三相交流電的A、B、C相通過整流器整流成為直流電，然后通過三相逆變電路變?yōu)樾枰娜嘟涣麟?、電流型變頻器的優(yōu)勢是采用了大電阻抗器作為電流的濾波環(huán)節(jié)，在風(fēng)機(jī)的運(yùn)行過程中即使出現(xiàn)短路等故障，電流仍然可控，能量可以回饋電網(wǎng)。缺點(diǎn)是變頻器輸入、輸出電壓高，一般情況下額定輸出電壓在2300V以上，需要考慮器件的動(dòng)靜態(tài)均壓問題。

2.2 電壓型高壓變頻調(diào)速

三電平變頻器調(diào)速，有正電平（P）、負(fù)電平（N）、零電平（O），設(shè)主開關(guān)器件的電壓為u，三電平電路不僅可以使電壓降低一半，還能使du/dt降低一半，降低輸出電壓的諧波，從而可以降低電動(dòng)機(jī)的軸電壓和軸功率。三電平電壓型變頻電路結(jié)構(gòu)可以分為二級(jí)管鉗位電路和電容鉗位電路。電容鉗位電路中增加了三個(gè)鉗位電容，可以在電路中省略六個(gè)鉗位二極管，控制不同的開關(guān)組合實(shí)現(xiàn)對電容的充電和放電，維持電容電壓的平衡，但是電容型電路的體積大、可靠性低，如果控制不當(dāng)還有可能造成電容及輸出電壓的波動(dòng)。二級(jí)管鉗位電路每相逆變橋由四個(gè)開關(guān)管、續(xù)流二極管和兩個(gè)鉗位二級(jí)管組成，控制每相中開關(guān)管的導(dǎo)通和關(guān)閉，可以實(shí)現(xiàn)P、O、N三種電平的輸出。

2.3 級(jí)聯(lián)型多電平高壓變頻調(diào)速

功率單元的串聯(lián)型多電平高壓變頻調(diào)速技術(shù)采用隔離變壓器將高壓交流電轉(zhuǎn)變?yōu)榈蛪航涣麟?，通過交-直-交低壓變頻，然后通過串聯(lián)疊加在逆變測實(shí)現(xiàn)高壓交流電的輸出。功率單元的串聯(lián)式多電平高壓變頻技術(shù)具有較多優(yōu)勢，采用的直流電源相互隔離，不需要考慮電壓均衡的問題，變頻器的發(fā)熱量低，運(yùn)行穩(wěn)定噪聲小。同時(shí)，變壓器采用了多重化設(shè)計(jì)，能夠明顯降低諧波電流，在不增加濾波器的條件下降低了對電網(wǎng)的干擾。本文選用的單元串聯(lián)級(jí)聯(lián)多電平電壓源高壓變頻器實(shí)現(xiàn)對于風(fēng)機(jī)的調(diào)速控制，提高了風(fēng)機(jī)變頻器的可維護(hù)性和可靠性。

3 變頻器在風(fēng)機(jī)調(diào)速中的應(yīng)用

級(jí)聯(lián)多電平電壓源型高壓變頻器調(diào)制方式可以分為基于載波脈寬調(diào)制方式和多電平基頻調(diào)制技術(shù)，基于載波脈寬調(diào)制方式包括了載波移相調(diào)制方式和載波層疊調(diào)制方式。載波移相調(diào)制方式解決了高開關(guān)頻率損耗大的問題，載波層疊脈寬調(diào)制技術(shù)由載波移相調(diào)制技術(shù)衍生而來，采用了N個(gè)幅值和頻率相同的三角波，在橫軸方向連續(xù)層疊后與正弦調(diào)制波進(jìn)行比較，得到N組觸發(fā)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對功率單元的觸發(fā)。

載波層疊脈寬調(diào)制方法可以采用同相層疊脈寬調(diào)制、反相層疊脈寬調(diào)制以及載波交替反相層疊脈寬調(diào)制，三種調(diào)制方式存在著諧波分量，同相層疊調(diào)制方法變頻器輸出電壓中不存在偶次諧波，但是含有低次諧波；反相層疊調(diào)制方法變頻器輸出電壓低次諧波含量少，但是含有較多的高次諧波并且含有偶次諧波；交替反相層疊調(diào)制方法中含有偶次諧波。

采用基于零序分量注入載波移相調(diào)制，在相電壓正弦調(diào)制信號(hào)中注入零序分量，零序分量是三相正弦波瞬時(shí)最大與最小值的平均值，基于零序分量注入載波移相調(diào)制可以有效降低變頻器輸出電壓中的諧波分量，提高電壓利用率，高變頻器的輸出能力，保證風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

4 總 結(jié)

本文主要分析和研究變頻調(diào)速技術(shù)在風(fēng)機(jī)改造中的應(yīng)用，在對比不同類型變頻調(diào)速技術(shù)的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)分析級(jí)聯(lián)多電平電壓源型高壓變頻器，介紹載波移相脈寬調(diào)制和載波層疊脈沖調(diào)制方式，最終采用基于零序分量注入載波移相調(diào)制方式，實(shí)現(xiàn)了風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速的目的，奠定了變頻技術(shù)在風(fēng)機(jī)調(diào)速中的應(yīng)用基礎(chǔ)。

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收稿日期：2018-7-21