淺談變頻器控制原理及應(yīng)用

李傳鋒 馬志強(qiáng)

上海安悅節(jié)能技術(shù)有限公司

0 引言

變頻調(diào)速技術(shù)，順應(yīng)了工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化發(fā)展的要求，開創(chuàng)了一個(gè)全新的智能電機(jī)時(shí)代。變頻調(diào)速技術(shù)改變了普通電動(dòng)機(jī)以定速方式運(yùn)行的模式，使電動(dòng)機(jī)及其拖動(dòng)荷載在無須任何改動(dòng)的情況下即可按照生產(chǎn)工藝要求調(diào)整轉(zhuǎn)速輸出，從而降低電動(dòng)機(jī)功耗達(dá)到系統(tǒng)高效運(yùn)行的目的。目前變頻調(diào)速技術(shù)已在電力、冶金、石油、化工、造紙、食品、紡織等行業(yè)的電機(jī)傳動(dòng)設(shè)備中得到實(shí)際應(yīng)用。變頻調(diào)速技術(shù)已成為現(xiàn)代電力傳動(dòng)技術(shù)的一個(gè)主要發(fā)展方向，該技術(shù)卓越的調(diào)速性能、顯著的節(jié)電效果，改善了現(xiàn)有設(shè)備的運(yùn)行工況，提高了系統(tǒng)的安全可靠性和設(shè)備利用率，延長設(shè)備使用壽命等優(yōu)點(diǎn)隨著應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大而得到充分體現(xiàn)。如何選擇性能好的變頻器應(yīng)用于工業(yè)控制是電氣行業(yè)技術(shù)人員共同追求的夢想。

異步電機(jī)是典型的常規(guī)交流電動(dòng)機(jī)。自現(xiàn)代交流變頻調(diào)速技術(shù)發(fā)明以來，異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)得到廣泛的應(yīng)用和發(fā)展。在進(jìn)一步研究中，主要針對變頻器拓?fù)錂C(jī)構(gòu)及控制原理的研究開發(fā)，而在異步電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)和分析方面卻沒有明顯的改變。因此，電氣專業(yè)人重新考慮異步電動(dòng)機(jī)在變頻調(diào)速中的設(shè)計(jì)問題勢在必行。

1 變頻器的工作原理

主電路是給異步電動(dòng)機(jī)提供調(diào)壓調(diào)頻電源的電力變換部分，變頻器的主電路大體上可分為兩類：電壓型是將電壓源的直流變換為交流的變頻器，直流回路的濾波是電容。電流型是將電流源的直流變換為交流的變頻器，其直流回路濾波是電感，它由三部分構(gòu)成，將工頻電源變換為直流功率的“整流器”，吸收在變流器和逆變器產(chǎn)生的電壓脈動(dòng)的平波回路。

1.1 整流器

大量使用的是二極管的變流器，它把工頻電源變換為直流電源。也可用兩組晶體管變流器構(gòu)成可逆變流器，由于其功率方向可逆，可以進(jìn)行再生運(yùn)轉(zhuǎn)。

1.2 平波回路

經(jīng)整流器整流后的直流電壓含有電源6倍頻率的脈動(dòng)電壓，此外，逆變器產(chǎn)生的脈動(dòng)電流也使直流電壓波動(dòng)。為了抑制電壓波動(dòng)，采用電感和電容吸收脈動(dòng)電壓（電流）。當(dāng)裝置容量相對小時(shí)，如果電源和主電路構(gòu)成器件有余量，可省去電感而采用簡單的平波回路。

1.3 逆變器

同整流器相反，逆變器是將直流功率變換為所要求頻率的交流功率，以所確定的時(shí)間使6個(gè)開關(guān)器件導(dǎo)通、關(guān)斷即可得到3相交流輸出。以電壓型pwm逆變器為例示出開關(guān)時(shí)間和電壓波形。

控制電路是給異步電動(dòng)機(jī)供電（電壓、頻率可調(diào)）的主電路提供控制信號的回路，它由頻率、電壓的“運(yùn)算電路”、主電路的“電壓、電流檢測電路”、電動(dòng)機(jī)的“速度檢測電路”、將運(yùn)算電路的控制信號進(jìn)行放大的“驅(qū)動(dòng)電路”、以及逆變器和電動(dòng)機(jī)的“保護(hù)電路”組成。

1)運(yùn)算電路：將外部的速度、轉(zhuǎn)矩等指令同檢測電路的電流、電壓信號進(jìn)行比較運(yùn)算，決定逆變器輸出電壓、頻率。

2)電壓、電流檢測電路：與主回路電位隔離檢測電壓、電流等。

3)驅(qū)動(dòng)電路：驅(qū)動(dòng)主電路器件的電路。它與控制電路隔離使主電路器件導(dǎo)通、關(guān)斷。

4)速度檢測電路:以裝在異步電動(dòng)機(jī)軸機(jī)上的速度檢測器(tg、plg等)的信號為速度信號，送入運(yùn)算回路，根據(jù)指令和運(yùn)算可使電動(dòng)機(jī)按指令速度運(yùn)轉(zhuǎn)。

5）保護(hù)電路：檢測主電路的電壓、電流等，當(dāng)發(fā)生過載或過電壓等異常時(shí)，防止逆變器和異步電動(dòng)機(jī)損壞。

2 變頻器對異步電機(jī)的變頻調(diào)速

2.1 異步電機(jī)

異步電動(dòng)機(jī)又稱感應(yīng)電動(dòng)機(jī),是由氣隙旋轉(zhuǎn)磁場與轉(zhuǎn)子繞組感應(yīng)電流相互作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩,從而實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換為機(jī)械能量的一種交流電機(jī)。異步電動(dòng)機(jī)按轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)分為兩種形式:有鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)和繞線式異步電動(dòng)機(jī)。三相異步電動(dòng)機(jī)是由三相交流電作為電源，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速稍低于電磁轉(zhuǎn)速的電機(jī)，將這類電機(jī)的三根電源線任意兩根對調(diào)就能改變它的旋轉(zhuǎn)方向，三相水泵反接會造成出水量小，揚(yáng)程低。三相星型接法為將電動(dòng)機(jī)三組線圈的頭或者尾接成一個(gè)點(diǎn)（每組線圈有兩個(gè)點(diǎn)，即首和尾，所以一般電動(dòng)機(jī)都有六個(gè)接線柱）然后將另外三個(gè)點(diǎn)接上電源，這種接法為星型接法，日常見到的電動(dòng)機(jī)上，是把上面一排三個(gè)接線柱連接在一起，下面三個(gè)接線柱接電源，這種接法是星型接法。三角型接法是讓電機(jī)定子的三組繞組首尾連接，日常見到的電機(jī)是將六個(gè)接線柱上下兩兩接在一起，在下面三個(gè)接線柱上接入電源，這就是三角型連接。三角型和星型接法的不同在于改變繞組兩端的電壓，即改變它的功率，一個(gè)三角型接法的電機(jī)接成星型功率就沒有原來的大了，但是一個(gè)設(shè)計(jì)時(shí)就工作在星型接法的電動(dòng)機(jī)是不能接成三角型連接否則電機(jī)會發(fā)熱燒毀。

2.2 變頻器供電下的電機(jī)運(yùn)行條件

在變頻器供電方式下，異步電機(jī)的運(yùn)行條件有較大的變化，常規(guī)異步電機(jī)設(shè)計(jì)和分析方法已不能與之相適應(yīng)。

常規(guī)異步電機(jī)的基本設(shè)計(jì)要點(diǎn)：

（1）滿足所需要的啟動(dòng)特性;

（2）具有良好的穩(wěn)定運(yùn)行狀況;

（3）制造簡便。

為滿足啟動(dòng)要求，通常將轉(zhuǎn)子槽設(shè)計(jì)成深槽或雙鼠籠槽，利用其集膚效應(yīng)增加啟動(dòng)時(shí)的轉(zhuǎn)子電阻，從而提高啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩。但是，這既降低了電機(jī)穩(wěn)定正常運(yùn)行時(shí)的特性(如降低了效率和功率因素)，又增加了制造加工的難度。對于變頻器供電下的異步電機(jī)，由于可方便地調(diào)頻調(diào)壓，使其機(jī)械特性曲線可以有條件的平移。當(dāng)頻率下降時(shí)，曲線左移;當(dāng)頻率上升時(shí)，曲線右移，由此給電機(jī)運(yùn)行帶來新的變化，主要體現(xiàn)在以下幾方面:

（1）電源頻率變小，電機(jī)機(jī)械特性可隨之左移。由此可通過調(diào)頻直接利用其最大轉(zhuǎn)矩作為啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，在提高穩(wěn)定運(yùn)行性能的目標(biāo)基礎(chǔ)上對轉(zhuǎn)子槽型進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

（2）變頻器適當(dāng)?shù)刈冾l變壓，可將異步電機(jī)調(diào)節(jié)在最佳運(yùn)行點(diǎn)上，即得到最小滑差、最大效率和高功率因素。在保證出力不變的情況下，可用最大效率和高功率因素代替額定效率和額定功率因素，以減小電機(jī)尺寸，減輕其重量和降低成本。

2.3 設(shè)計(jì)要點(diǎn)

2.3.1 散熱問題

變頻器發(fā)熱是由內(nèi)部的損耗產(chǎn)生。在變頻器各部分損耗中主要以主電路為主，約占98%，控制電路占2%。為了保證變頻器正常可靠運(yùn)行，必須對變頻器進(jìn)行散熱。通常采用風(fēng)扇散熱，變頻器的內(nèi)部風(fēng)扇可將變頻器的箱體內(nèi)熱量帶走，若風(fēng)扇不能正常工作，應(yīng)立即停止變頻器運(yùn)行。大功率的變頻器還需要在控制柜上加風(fēng)扇，控制柜的風(fēng)道需設(shè)計(jì)合理，所有進(jìn)風(fēng)口要設(shè)置防塵網(wǎng)，排風(fēng)通暢，避免在柜中形成渦流，在固定的位置形成灰塵堆積。根據(jù)變頻器說明書的通風(fēng)量來選擇匹配的風(fēng)扇，風(fēng)扇安裝要注意防震。

2.3.2 電磁干擾問題

1）變頻器在工作中由于整流和變頻，在其周圍產(chǎn)生了很多的干擾電磁波，這些高頻電磁波對附近的儀表、儀器有一定的干擾，并產(chǎn)生高次諧波，這種高次諧波會通過供電回路進(jìn)入整個(gè)供電網(wǎng)絡(luò)，從而影響其他儀表。當(dāng)變頻器的功率占整個(gè)系統(tǒng)25%以上時(shí)，需要考慮控制電源的抗干擾措施。

2）當(dāng)系統(tǒng)中有高頻沖擊負(fù)載，如電焊機(jī)和電鍍電源時(shí)，變頻器本身會因?yàn)楦蓴_而出現(xiàn)保護(hù)，則需考慮整個(gè)系統(tǒng)的電源質(zhì)量問題。

2.3.3 防護(hù)問題

1）防水防結(jié)露：如果變頻器放在現(xiàn)場，需要注意變頻器柜上方不能有管道法蘭或其他漏點(diǎn)，在變頻器附近不能有噴濺水流，現(xiàn)場柜體防護(hù)等級在IP43以上。

2）防塵：所有進(jìn)風(fēng)口要設(shè)置防塵網(wǎng)以阻隔絮狀雜物進(jìn)入，防塵網(wǎng)應(yīng)設(shè)計(jì)為可拆卸式，以便清理和維護(hù)。防塵網(wǎng)的網(wǎng)格根據(jù)現(xiàn)場的具體情況確定，防塵網(wǎng)四周與控制柜的結(jié)合處需處理嚴(yán)密。

3）防腐蝕性氣體：在化工行業(yè)此情況相對較常見，此時(shí)可以將變頻柜放在控制室中。

2.3.4變頻器接線規(guī)范

信號線與動(dòng)力線必須分開布線：使用模擬量信號進(jìn)行遠(yuǎn)程控制變頻器時(shí)，為了減少模擬量受來自變頻器和其他設(shè)備的干擾，將控制變頻器的信號線與強(qiáng)電回路（主回路及順控回路）分開布線，相隔距離應(yīng)在30cm以上。即使在控制柜內(nèi)，同樣應(yīng)保持此接線規(guī)范。該信號與變頻器之間的控制回路線長不能超過50m。

信號線與動(dòng)力線必須分別放置在不同的金屬管道或者金屬軟管內(nèi)部。連接PLC和變頻器的信號線如果不放置在金屬管道內(nèi)，極易受到變頻器和外部設(shè)備的干擾，同時(shí)由于變頻器無內(nèi)置的電抗器，變頻器的輸入和輸出級動(dòng)力線對外部會產(chǎn)生極強(qiáng)的干擾，因此，放置信號線的金屬管或金屬軟管需要延伸到變頻器的控制端子處，以保證信號線與動(dòng)力線互不干擾。

模擬量控制信號線應(yīng)使用雙股絞合屏蔽線，電線規(guī)格為0.75mm2。在接線時(shí)一定要注意，電纜剝線要盡可能的短（5mm～7mm），同時(shí)對剝線以后的屏蔽層要用絕緣膠布包起來，以防止屏蔽線與其它設(shè)備接觸引入干擾。

為了提高接線的簡易性和可靠性，推薦信號線上使用壓線棒端子。

2.3.5 變頻器的運(yùn)行和相關(guān)參數(shù)的設(shè)置

變頻器需設(shè)定的參數(shù)較多，每個(gè)參數(shù)均有一定的選擇范圍，使用中常遇到因個(gè)別參數(shù)設(shè)置不當(dāng)，導(dǎo)致變頻器不能正常工作的現(xiàn)象。

控制方式：即速度控制、轉(zhuǎn)距控制、PID控制或其他方式。采取的控制方式，一般需要根據(jù)控制精度，進(jìn)行靜態(tài)或動(dòng)態(tài)辨識。

最低運(yùn)行頻率：電機(jī)在低轉(zhuǎn)速下運(yùn)行時(shí)，其散熱性能較差，電機(jī)長時(shí)間運(yùn)行在低轉(zhuǎn)速下，會導(dǎo)致電機(jī)燒毀。而且當(dāng)電機(jī)在低速時(shí)，其電纜中的電流也會增大，將會導(dǎo)致電纜發(fā)熱。

最高運(yùn)行頻率：通常的變頻器最大頻率為60Hz，但有的變頻器最大頻率可達(dá)到400 Hz。高頻率將使電機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)，這對普通電機(jī)來說，其軸承不能長時(shí)間的超額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行。因此最高運(yùn)行頻率取決于電機(jī)的轉(zhuǎn)子是否能承受相應(yīng)的離心力。

載波頻率：載波頻率設(shè)置得越高其高次諧波分量越大，這和電纜的長度，電機(jī)發(fā)熱，電纜發(fā)熱和變頻器發(fā)熱等因素密切相關(guān)。

電機(jī)參數(shù)：變頻器在參數(shù)中設(shè)定電機(jī)的功率、電流、電壓、轉(zhuǎn)速和最大頻率，這些參數(shù)可從電機(jī)銘牌中直接獲得。

跳頻：在某個(gè)頻率點(diǎn)上，有可能會發(fā)生共振現(xiàn)象，尤其在整個(gè)裝置比較高時(shí)；在控制壓縮機(jī)時(shí)，要避免壓縮機(jī)的喘振點(diǎn)。

3 變頻器技術(shù)的發(fā)展

3.1 現(xiàn)狀

與發(fā)達(dá)國家相比，我國的變頻器技術(shù)相對較落后。20世紀(jì)80年代初，大連電機(jī)廠引進(jìn)日本東芝的變頻技術(shù)。日本三墾公司、富士電機(jī)公司的變頻器進(jìn)入中國，使我國的電機(jī)調(diào)速技術(shù)打破了直流調(diào)速的局面，開始了交流電機(jī)變頻調(diào)速時(shí)代。1996年，國家原機(jī)械部等四部委推薦國產(chǎn)29個(gè)廠33個(gè)規(guī)格的變頻器。但由于大部分本土企業(yè)受技術(shù)、資金和體制等方面制約，發(fā)展較慢，難以形成與國外品牌抗?fàn)幍木置妗?/p>

隨著變頻器產(chǎn)品在發(fā)達(dá)國家的廣泛應(yīng)用，20世紀(jì)80年代后期，以日本品牌為代表的外資品牌開始進(jìn)入中國大陸，成為中國變頻器行業(yè)的開端。經(jīng)過20多年的推廣和使用，變頻器已得到廣大企業(yè)用戶的認(rèn)可，外資品牌從三肯、富士兩個(gè)品牌發(fā)展到目前的40余個(gè)品牌，同時(shí)也涌現(xiàn)了近百個(gè)內(nèi)資品牌，品牌總數(shù)達(dá)到140多個(gè)。從整體看，雖然國產(chǎn)品牌的數(shù)量眾多，但絕大多數(shù)品牌的產(chǎn)銷規(guī)模較小，綜合競爭力較弱。21世紀(jì)以來，我國的變頻器行業(yè)有了較大的變化。眾多外資品牌在中國建廠，實(shí)施本地化經(jīng)營。原有內(nèi)資品牌的人員和資金不斷分離，成立了眾多企業(yè)，主要集中在沿海地區(qū)的廣東、浙江、山東、上海等地區(qū)。在國家宏觀政策的支持和鼓勵(lì)下，近幾年內(nèi)資品牌中出現(xiàn)了少數(shù)有行業(yè)優(yōu)勢的企業(yè)，其生產(chǎn)規(guī)模和產(chǎn)品綜合性能已有較大提高。雖然尚未具備與西門子、ABB等國際品牌展開全面競爭的實(shí)力，但與日本、臺灣、韓國等地品牌相比已在部分細(xì)分產(chǎn)品和市場上顯示出一定的競爭優(yōu)勢，市場份額逐步擴(kuò)大，使國內(nèi)變頻器市場的競爭格局有了較明顯的改觀。

3.2 國內(nèi)變頻器技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展前景

變頻運(yùn)行，使其耗電量實(shí)現(xiàn)隨負(fù)荷大小而變化，則可節(jié)約大量能源。

變頻運(yùn)行的方式很多，其中變頻調(diào)速優(yōu)于以往交流調(diào)速方式，目前變頻調(diào)速效益最高、性能最好、應(yīng)用最廣。在國外尤其是在日美德英等工業(yè)發(fā)達(dá)國家獲得了廣泛的應(yīng)用，是自動(dòng)化電力的發(fā)展方向,變頻調(diào)速已達(dá)到了交流電機(jī)的調(diào)速要求。但在許多條件下，為了保持在調(diào)速時(shí)電機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩不變，必須維持電機(jī)的磁通量恒定，因此，定子器是利用變頻調(diào)速技術(shù)開發(fā)的典型產(chǎn)品，兼有調(diào)頻調(diào)壓兩種功能。

由于采用了微處理器編程的正弦波調(diào)制,電流輸出波形近似于正弦波，故可用于驅(qū)動(dòng)普通型交流異步電機(jī)或變頻專用電機(jī)實(shí)現(xiàn)無級調(diào)速。

在眾多調(diào)速技術(shù)中，變頻器之所以受人矚目，是因?yàn)樗芨鶕?jù)負(fù)載的變化使電機(jī)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)平滑的增速或減速，調(diào)速特性基本保持了異步電機(jī)固有轉(zhuǎn)差率小的特點(diǎn)，且能無級調(diào)速，是異步電機(jī)最理想的調(diào)速方法，尤其適用于水泵和風(fēng)機(jī)與傳統(tǒng)的門檔板調(diào)節(jié)相比，節(jié)電率較高。從單機(jī)傳動(dòng)到多機(jī)協(xié)調(diào)聯(lián)動(dòng)，從紡織印染到交通運(yùn)輸，從飼料和食品加工到鋼鐵冶練等使用電機(jī)的場合，由于變頻器的使用，把調(diào)速效率和精度提高到前所未有的水平。變頻調(diào)速是通過改變定子供電頻率來達(dá)到電機(jī)調(diào)速的目的。由于異步電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速與輸入電源應(yīng)用于精密加工設(shè)備自動(dòng)生產(chǎn)線機(jī)器人等高新領(lǐng)域，靜止可控交流、直流調(diào)速成為調(diào)速系統(tǒng)中的主力軍。但由于直流電機(jī)造價(jià)高，需時(shí)常清理，維修不便，工礦交流電需變成直流供電等原因，促進(jìn)了交流調(diào)速技術(shù)得以廣泛應(yīng)用。變頻器特別適用于流量要求不穩(wěn)定，變化范圍較大需經(jīng)常調(diào)節(jié)的場合，由于其改造技術(shù)簡便，運(yùn)行及維修費(fèi)少，故經(jīng)濟(jì)效益可觀。

隨著工業(yè)自動(dòng)化程度的不斷提高和能源全球性短缺趨勢的加劇，變頻器越來越廣泛地應(yīng)用在機(jī)械、紡織、化工、造紙、冶金和食品等各個(gè)行業(yè)及風(fēng)機(jī)水泵等設(shè)備的節(jié)能場合，取得了明顯的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。除日本之外，美英德法意等工業(yè)發(fā)達(dá)國家目前也都己形成了較完整的變頻器技術(shù)產(chǎn)業(yè)體系。這些高精度、多功能、智能化的產(chǎn)品進(jìn)一步擴(kuò)大了變頻器的應(yīng)用領(lǐng)域。

國外變頻器產(chǎn)業(yè)的興起和發(fā)展也引起了中國有關(guān)部門的關(guān)注。國家能源部原電子部對這項(xiàng)高節(jié)電、高效率能大幅度改善工藝性能的新技術(shù)極為重視。

1987年成立了國家功率電子技術(shù)發(fā)展規(guī)劃組，制定開發(fā)以變頻器為主的變頻調(diào)速發(fā)展規(guī)劃。同年，國務(wù)院和國家經(jīng)委在有關(guān)文件中強(qiáng)調(diào)應(yīng)將交流電機(jī)的調(diào)速節(jié)電作為重點(diǎn)措施推廣。原電子工業(yè)部在規(guī)劃中將以變頻器時(shí)代的節(jié)能電子技術(shù)列為發(fā)展重點(diǎn)之一，希望通過對中國現(xiàn)有100余家科研生產(chǎn)單位在從事變頻器技術(shù)的研宄與產(chǎn)品生產(chǎn)，個(gè)別生產(chǎn)廠家從日美等國引進(jìn)了較為先進(jìn)的變頻器生產(chǎn)線。與國外相比，中國變頻器產(chǎn)業(yè)的發(fā)展還不盡人意，仍存在許多問題和困難，集中體現(xiàn)在變頻器的技術(shù)水平，如功率等級在150kW以下的相關(guān)配套產(chǎn)業(yè)，所用功率電子器件和半導(dǎo)體器件的制造業(yè)基礎(chǔ)薄弱等。然而，從市場來看，變頻器的應(yīng)用在各個(gè)領(lǐng)域己逐漸展開，市場潛力極大。如果現(xiàn)在尚不壯大國內(nèi)變頻器產(chǎn)業(yè)，則中國勢必會失去在這個(gè)領(lǐng)域的發(fā)展良機(jī)，正趨上升的國內(nèi)市場需求也勢必被國外產(chǎn)品所占據(jù)。目前我國用于購置變頻器的費(fèi)用雖高達(dá)數(shù)億元，但真正用于購買國產(chǎn)變頻器的費(fèi)用偏少，這無疑值得中國變頻器行業(yè)的經(jīng)營者深思。