淺談變頻器的原理及應(yīng)用

韋升楊

（燕京啤酒（玉林）有限公司，廣西 玉林537000）

1 引 言

變頻器的產(chǎn)生，可以滿足現(xiàn)代化工業(yè)產(chǎn)生的需求，對(duì)于開創(chuàng)智能化生產(chǎn)時(shí)代具有重要的促進(jìn)作用。變頻器能夠打破傳統(tǒng)電機(jī)定速運(yùn)行的方式，使得電機(jī)無(wú)需做出任何過(guò)多改動(dòng)情況下，即可根據(jù)生產(chǎn)工藝所需的轉(zhuǎn)速及扭矩調(diào)整輸出，以此達(dá)到降低電機(jī)能耗，提高生產(chǎn)系統(tǒng)運(yùn)行效率的作用?，F(xiàn)階段，變頻器已經(jīng)在我國(guó)各領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，如機(jī)械制造交工、冶金、水電等，此外在小型機(jī)械中也得到了應(yīng)用，如電梯、攪拌機(jī)及研磨機(jī)等設(shè)備，不僅為各企業(yè)創(chuàng)造豐富經(jīng)濟(jì)利益，還解決企業(yè)制造生產(chǎn)及加工過(guò)程中所遇到的難題。

2 變頻器的原理分析

2.1 原理分析

變頻器通過(guò)內(nèi)置電力半導(dǎo)體器件所產(chǎn)生的通斷作用，可將工頻電源轉(zhuǎn)變?yōu)榱硗庖环N頻率，結(jié)合變頻驅(qū)動(dòng)技術(shù)達(dá)到控制交流電機(jī)運(yùn)行電壓過(guò)程中的頻率及幅度，其主要功能見(jiàn)示意如圖1。

圖1 變頻器功能示意圖

變頻器的工作原理是將工作頻率交流電源通過(guò)內(nèi)置設(shè)備轉(zhuǎn)換為頻率可調(diào)節(jié)性的電源設(shè)備，根據(jù)交流電機(jī)所涉及到的同步轉(zhuǎn)速公式：N=60f/p，其中N 為電機(jī)同步轉(zhuǎn)速，f 為電源頻率，P 為電機(jī)極對(duì)數(shù)。因此，只需要改變頻率便可控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。變頻器的原理主要根據(jù)此公式進(jìn)行研發(fā)的電源變換設(shè)備，雖然變頻器的種類很多，但所有的工作原理基本相同，只有特別專用型的變頻器會(huì)根據(jù)設(shè)備的性質(zhì)，研發(fā)具有制定特性的變頻器。如在常規(guī)變頻器設(shè)備基礎(chǔ)上，增加特定功能以滿足電機(jī)運(yùn)行需求。

2.2 變頻器產(chǎn)品的主要類型及原理

（1）電流源型。電流源型的變頻器產(chǎn)品在直流部分通過(guò)電抗器存儲(chǔ)能量，目前技術(shù)主要以7.2kV輸出電壓為主，因此能夠滿足我國(guó)大部分群體對(duì)變頻器的要求。此類變頻器產(chǎn)品在輸入側(cè)的功率因素相對(duì)較低，所以電抗器極易出現(xiàn)發(fā)熱量高的現(xiàn)象，效率與電壓型變頻器相比較低。在設(shè)計(jì)方面為直流控制，因此輸出濾波較為麻煩，對(duì)電機(jī)的要求也會(huì)很高。雖然它具有可回饋能量的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，但是電機(jī)運(yùn)行時(shí)需要回饋能量的負(fù)載不是很多，因此逐漸在市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)中失去競(jìng)爭(zhēng)力。

（2）單元串聯(lián)多電平型。此類變頻器產(chǎn)品主要通過(guò)多個(gè)低壓功率單元，以串聯(lián)形式實(shí)現(xiàn)高壓輸出，在輸入側(cè)運(yùn)用降壓變壓器移相方式操作，以此降低電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中對(duì)電網(wǎng)的諧波污染。單元串聯(lián)多電平型變頻器的輸出測(cè)以多電平正弦PWM 技術(shù)，所以能夠使用任何電壓的普通電機(jī)。即便當(dāng)某個(gè)單元出現(xiàn)故障事故時(shí)，它能夠自動(dòng)化退出系統(tǒng)而其他單元?jiǎng)t可繼續(xù)工作，避免因變頻器故障停機(jī)所造成損失，所以此類變頻器產(chǎn)品具有很強(qiáng)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

（3）三電平型。鉗位電路是三電平型變頻器產(chǎn)品的主要工作方式，可以解決兩只功率器件所產(chǎn)生的串聯(lián)問(wèn)題，使相電壓輸出具備三個(gè)電平。雖然此類型變頻器結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，以電壓源型結(jié)構(gòu)為主，但是能量回饋效果顯著。在國(guó)內(nèi)變頻器市場(chǎng)領(lǐng)域內(nèi)，此類變頻器產(chǎn)品最大技術(shù)難題便是電壓?jiǎn)栴}，因?yàn)樾枰紤]實(shí)用性特點(diǎn)，再結(jié)合產(chǎn)品結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)后，最大輸出電壓一般在6kV 左右。為了增強(qiáng)此類變頻器產(chǎn)品的靈活性，只有改變電機(jī)電壓或在輸出側(cè)進(jìn)行升壓操作，此弊端對(duì)應(yīng)用推廣具有較大限制性。

3 變頻器的應(yīng)用分析

3.1 充分考慮功率與電流因素

通常情況下，變頻器的過(guò)載能力弱于電機(jī)，若電機(jī)出現(xiàn)過(guò)載現(xiàn)象，那么首先損壞的大概率是變頻器，只有部分變頻器會(huì)具有完善的保護(hù)功能才能夠幸免于此。又如在應(yīng)用變頻器時(shí)，選用的電機(jī)功率大于實(shí)際的機(jī)械負(fù)載功率，那么用戶極有可能會(huì)將機(jī)械功率調(diào)節(jié)以達(dá)到電機(jī)的功率，那么變頻器必須能夠勝任此項(xiàng)工作，即應(yīng)用的變頻器功率必須要大于等于電機(jī)功率。有些特殊的電機(jī)額定電流值不會(huì)處于常規(guī)標(biāo)準(zhǔn)附近，如額定電壓低但額定電流偏大，此時(shí)所應(yīng)用的變頻器額定電流應(yīng)當(dāng)大于等于電機(jī)的額定電流，因此變頻器在應(yīng)用過(guò)程中必須要充分考慮到功率與電流的影響因素。

3.2 理清變頻器調(diào)速與機(jī)械變速之間的關(guān)系

變頻器在應(yīng)用過(guò)程中，絕不可將機(jī)械變速調(diào)整為相同功率的變頻器變速，通過(guò)公式可知功率是扭矩與轉(zhuǎn)速的乘積。變頻器扭矩—轉(zhuǎn)速曲線如圖2 所示，當(dāng)?shù)陀陬~定頻率時(shí)，機(jī)械會(huì)處于恒轉(zhuǎn)矩運(yùn)行狀態(tài)，電機(jī)不可提高輸出轉(zhuǎn)矩，但當(dāng)高于額定頻率時(shí)，轉(zhuǎn)速將會(huì)逐漸升高而轉(zhuǎn)矩出現(xiàn)下降。圖2 中的曲線3 一般為風(fēng)機(jī)或水泵，曲線2 一般為傳送帶以恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載運(yùn)行，曲線2 與曲線3 在電機(jī)低或者額定頻率運(yùn)行時(shí)，負(fù)載力矩并沒(méi)有增加，因此需要根據(jù)電機(jī)功率大小選擇合適的變頻器進(jìn)行應(yīng)用。曲線1 為恒功率負(fù)載，主要以機(jī)械機(jī)床為主，當(dāng)轉(zhuǎn)速較低時(shí)轉(zhuǎn)矩會(huì)增加，但是當(dāng)變頻器與電機(jī)低于額定功率時(shí)，通過(guò)的電流會(huì)被限制，因此不會(huì)增加力矩，當(dāng)變頻器調(diào)低電機(jī)轉(zhuǎn)速會(huì)出現(xiàn)電機(jī)無(wú)法帶動(dòng)負(fù)載的現(xiàn)象，只有當(dāng)理清調(diào)速與變速之間的關(guān)系才能夠提高變頻器的應(yīng)用效果。

圖2 不同負(fù)載下的機(jī)械特性

3.3 根據(jù)應(yīng)用要求選擇合適型號(hào)

電頻器在應(yīng)用過(guò)程中需要根據(jù)要求選擇合適型號(hào)，通常會(huì)考慮外界環(huán)境條件、電網(wǎng)電壓設(shè)置情況及機(jī)械負(fù)載大小與性質(zhì)。若環(huán)境溫度相對(duì)較高，那么安裝至通風(fēng)性能較差的機(jī)柜內(nèi)將會(huì)極大縮短變頻器的使用壽命，內(nèi)部電子器件當(dāng)高于額定溫度后，性能將會(huì)顯著降低，因此環(huán)境溫度必須保持相對(duì)較低狀態(tài)，并且安裝完善的通風(fēng)冷卻系統(tǒng)保障變頻器的穩(wěn)定運(yùn)行。此外，還可以選擇稍高容量等級(jí)的變頻器，以確保在額定運(yùn)行時(shí)變頻器溫度會(huì)有所下降。

變頻器在應(yīng)用過(guò)程中，必須保證電網(wǎng)電壓處于正常狀態(tài)，若出現(xiàn)極大波動(dòng)將會(huì)有損變頻器的壽命，甚至?xí)苯邮棺冾l器報(bào)廢。如當(dāng)380V 升至450V 時(shí)將會(huì)損壞變頻器，因此在應(yīng)用時(shí)需要根據(jù)使用手冊(cè)確定變頻器的應(yīng)用場(chǎng)合，并且對(duì)變頻器型號(hào)做出適當(dāng)調(diào)整，以確保變頻器運(yùn)行過(guò)程中的安全性及穩(wěn)定性。有些高海拔地區(qū)在應(yīng)用變頻器時(shí)，空氣密度相對(duì)較低因此散熱器難以達(dá)到預(yù)期的散熱效果，通常情況下在1000m 以上區(qū)域，隨著海拔增高必須對(duì)容量等級(jí)進(jìn)行調(diào)整，以降低變頻器過(guò)熱反應(yīng)。由此可見(jiàn)，需要加強(qiáng)對(duì)變頻器應(yīng)用要求分析，以選擇合適型號(hào)的變頻器提高運(yùn)行效果。

4 結(jié) 語(yǔ)

隨著我國(guó)電子技術(shù)快速發(fā)展，變頻器行業(yè)應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)研究以適應(yīng)發(fā)展需求，不斷優(yōu)化變頻器的各項(xiàng)性能。因此，需要加強(qiáng)對(duì)變頻器工作原理及應(yīng)用的研究，提高變頻器應(yīng)用的針對(duì)性及有效性，以促進(jìn)行業(yè)發(fā)展。