淺析變頻器在電機(jī)拖動(dòng)及其控制領(lǐng)域的應(yīng)用

玉門油田乍得有限責(zé)任公司 魏 冬

1 變頻器的作用、工作原理及基本功能

1.1 變頻器的作用

在新時(shí)代電氣自動(dòng)化技術(shù)以及其控制領(lǐng)域快速發(fā)展的新形勢(shì)下，變頻器的作用在電力系統(tǒng)發(fā)揮著更加重要的作用，其可實(shí)現(xiàn)工作頻率的轉(zhuǎn)換，將其轉(zhuǎn)換為各種頻率的交感電流。其作用主要集中在兩方面：直接作用是調(diào)節(jié)電機(jī)的電壓和頻率，從而可有效調(diào)節(jié)在一定范圍內(nèi)電機(jī)的運(yùn)行速度；間接作用往往應(yīng)用于節(jié)能節(jié)電上，從而進(jìn)一步促進(jìn)電力自動(dòng)化。節(jié)能節(jié)電具體表現(xiàn)在利用變頻器進(jìn)行調(diào)速，適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)泵類等的傳入流量，這樣做可從兩方面進(jìn)行，一是可達(dá)到電機(jī)的多個(gè)基本要求，另一方面就是降低電耗，從而達(dá)到節(jié)能環(huán)保目的。

變頻器工作原理較簡(jiǎn)單，只需通過主電路給各個(gè)次級(jí)的電路提供調(diào)壓后的電力，其應(yīng)用類型主要有變壓型變頻器和電流型變頻器。變壓型具體來說是將電壓源的直流交換為交流的變頻器，電流型是將電流源直流轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣鞯淖冾l器。變頻器的主要結(jié)構(gòu)是整流器、平波回路及逆變器三部分，其中整流器的作用在于實(shí)現(xiàn)工作頻率的轉(zhuǎn)換、將交流變直流，平波回路的作用是反映和控制在整流器和逆變器中的電壓波動(dòng)，而逆變器的作用是將直流功率轉(zhuǎn)化為交感功率[1]。具體來說，變頻器的作用就是實(shí)現(xiàn)電流以及電壓的轉(zhuǎn)化，從而保障電力資源的平穩(wěn)供應(yīng)。

1.2 變頻器的基本功能

變頻調(diào)速。變頻器可有效改變電動(dòng)機(jī)電源的頻率和幅值，進(jìn)一步改變交流電機(jī)的磁場(chǎng)運(yùn)轉(zhuǎn)周期，從而可有效控制電動(dòng)機(jī)設(shè)備的轉(zhuǎn)速，其主要功能在于可使電動(dòng)機(jī)零速啟動(dòng)，并可根據(jù)自身實(shí)際需求對(duì)運(yùn)行速度進(jìn)行調(diào)整，選擇不同的加速曲線進(jìn)行均勻加速，進(jìn)一步滿足不同用戶的實(shí)際需求[2]。

變頻節(jié)能。變頻器的節(jié)能作用集中在風(fēng)機(jī)以及水泵的應(yīng)用上。一般各種機(jī)械設(shè)備在運(yùn)行時(shí)為保障機(jī)械設(shè)備的應(yīng)用效果往往會(huì)預(yù)留出一些富余量，從而保障機(jī)械設(shè)備的安全生產(chǎn)。但這種預(yù)留量會(huì)在機(jī)械設(shè)備運(yùn)行過程中增加電機(jī)功率的損耗，從而出現(xiàn)不必要的浪費(fèi)現(xiàn)象。這時(shí)變頻器的重要性就得到了充分體現(xiàn)，其可有效調(diào)節(jié)變頻調(diào)速，從而降低泵機(jī)或風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而滿足實(shí)際的需求，避免出現(xiàn)資源浪費(fèi)現(xiàn)象，滿足新時(shí)期生產(chǎn)的實(shí)際需求，促進(jìn)相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

功率因素補(bǔ)償節(jié)能。電機(jī)的空功率運(yùn)行會(huì)帶來電機(jī)自身的巨大損耗，嚴(yán)重影響相關(guān)機(jī)械設(shè)備的平穩(wěn)運(yùn)行，變頻機(jī)可在其中發(fā)揮濾波電容的作用，有效地對(duì)電路內(nèi)部的無功損耗進(jìn)行補(bǔ)償，進(jìn)一步增加電網(wǎng)輸出的有功功率，從而在降低電力設(shè)備損耗的同時(shí)保證電力系統(tǒng)的平穩(wěn)供應(yīng)。

軟起動(dòng)功能。隨著技術(shù)水平的提升，異步電動(dòng)機(jī)在相關(guān)領(lǐng)域取得了較廣泛應(yīng)用，但這種電動(dòng)機(jī)的全壓?jiǎn)?dòng)會(huì)對(duì)電網(wǎng)造成嚴(yán)重沖擊，對(duì)電網(wǎng)的負(fù)荷量和容量具有較高要求。這種電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)電流會(huì)對(duì)線路內(nèi)部的設(shè)備及線路造成沖擊，從而使得相關(guān)設(shè)備容易受到損耗，嚴(yán)重影響設(shè)備的效率，這時(shí)就需充分利用變頻機(jī)的軟起動(dòng)功能，變頻設(shè)備的軟起動(dòng)功能可有效限制變壓器的電流，從而減輕電流對(duì)電網(wǎng)造成的沖擊。此外這種功能還可有效地?cái)U(kuò)容電容量，有效地延長(zhǎng)機(jī)械設(shè)備的實(shí)際使用壽命。

其他功能。除上述功能外，變頻器的作用還有過流保護(hù)、過壓保護(hù)、欠壓保護(hù)、過熱保護(hù)及瞬時(shí)保護(hù)的作用[3]，保障電網(wǎng)的平穩(wěn)供應(yīng)，促進(jìn)我國(guó)電網(wǎng)的發(fā)展，保障我國(guó)電力資源的平穩(wěn)供應(yīng)，促進(jìn)我國(guó)信息化時(shí)代經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。

2 變頻調(diào)速技術(shù)在電機(jī)拖動(dòng)中的應(yīng)用

電力資源的廣泛應(yīng)用和家用電器數(shù)量的顯著增加使得變頻調(diào)速技術(shù)得到廣泛應(yīng)用。當(dāng)前變頻調(diào)速技術(shù)已衍生出各種控制方式，如直接轉(zhuǎn)矩控制是一種利用變頻器控制三相馬達(dá)、從而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩的方式。直接轉(zhuǎn)矩控制往往是用轉(zhuǎn)矩為中心進(jìn)行綜合控制以及矢量控制。所謂矢量控制所指的是將磁鏈和轉(zhuǎn)矩解耦，從而可分別設(shè)計(jì)兩種不同的調(diào)節(jié)器，實(shí)現(xiàn)交流電流的高性能調(diào)速。當(dāng)前這兩種變頻技術(shù)是最為常見的，而在實(shí)際進(jìn)行生產(chǎn)時(shí)，這種變頻調(diào)速技術(shù)主要兩方面取得較廣泛的應(yīng)用：首先是利用這種變頻調(diào)速技術(shù)可有效發(fā)揮無功補(bǔ)償原理的作用，第二是設(shè)置變頻器負(fù)載的標(biāo)準(zhǔn)，從而保障安全生產(chǎn)，保障變頻器可安全有效發(fā)揮作用。

如對(duì)這兩個(gè)概念進(jìn)一步延伸，可從具體的概念入手。所謂的無功補(bǔ)償指的是在電網(wǎng)系統(tǒng)中安裝無功補(bǔ)償?shù)南鄳?yīng)設(shè)備，利用這種設(shè)備可減少電網(wǎng)電源向感性負(fù)荷的提供。這種模式下無功功率的傳輸依靠的是線路運(yùn)輸，從而降低由于無功功率運(yùn)輸對(duì)變壓器和線路造成的損耗。變頻器嚴(yán)格來說屬于半導(dǎo)體，具有半導(dǎo)體普遍的個(gè)性，即發(fā)熱時(shí)間較短，如發(fā)熱的熱量高于額定熱量將使電路運(yùn)行帶來問題，因此在變頻器應(yīng)用過程中須嚴(yán)格按照變頻器自身規(guī)定的負(fù)載條件以及標(biāo)準(zhǔn)。具體就變頻器在電機(jī)拖動(dòng)中的應(yīng)用進(jìn)行分析可延伸出以下概念：電機(jī)拖動(dòng)是一種現(xiàn)代機(jī)械的有效生產(chǎn)方式，具體工作原理是利用電動(dòng)機(jī)作為原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)生產(chǎn)機(jī)械進(jìn)行生產(chǎn)的方式。這種生產(chǎn)方式的組成主要有四個(gè)部分，即電動(dòng)機(jī)、工作機(jī)構(gòu)、控制設(shè)備以及電源。

此外，電機(jī)全壓?jiǎn)?dòng)時(shí)會(huì)使電路內(nèi)部的電流量顯著增加，而瞬間電流量的增加使得電機(jī)內(nèi)部受到了沖擊，會(huì)造成電機(jī)內(nèi)部元件的損耗及嚴(yán)重影響電機(jī)使用壽命。因此變頻器的作用就得到了有效發(fā)揮，可降低在電機(jī)啟動(dòng)瞬間的額定電流，使啟動(dòng)電流可實(shí)現(xiàn)從零開始然后上升到額定值的過程，并可利用變頻器對(duì)這個(gè)過程的速度進(jìn)行有效管控，進(jìn)一步減小電機(jī)啟動(dòng)時(shí)對(duì)電路造成的不良影響，避免了功率浪費(fèi)現(xiàn)象，大大延長(zhǎng)了電機(jī)使用壽命。

變頻器的應(yīng)用絕非十分完美，最顯著的問題是如何建立準(zhǔn)確的磁通觀測(cè)器及速度觀測(cè)器。這兩種設(shè)備的使用需建立比較精確的數(shù)據(jù)模型，而建立模型的前提在于預(yù)知電機(jī)定子和轉(zhuǎn)子的電阻、電感、鐵心飽和系數(shù)等諸多較關(guān)鍵參數(shù)，這對(duì)于變頻器的有效應(yīng)用帶來較大困難?，F(xiàn)階段使用的變頻器一般配備相應(yīng)的自動(dòng)調(diào)整功能，從而可自動(dòng)對(duì)相關(guān)系數(shù)進(jìn)行核對(duì)及校準(zhǔn)，保障實(shí)際應(yīng)用的效果。

自動(dòng)調(diào)整功能實(shí)際上涉及各個(gè)環(huán)節(jié)，其相關(guān)功能組成包括長(zhǎng)線調(diào)整功能、停止型調(diào)整功能、空載旋轉(zhuǎn)型調(diào)整功能與帶負(fù)載在線自動(dòng)調(diào)整功能等多種。長(zhǎng)線調(diào)整用于電樞連接線與定子的測(cè)試與設(shè)定；停止型調(diào)整可通過計(jì)算電力在靜態(tài)勵(lì)磁情況下的電壓和電流的實(shí)際情況，從而有效的獲得一些基本參數(shù)，保障后續(xù)工作的進(jìn)行；旋轉(zhuǎn)型調(diào)整可利用不同轉(zhuǎn)速下設(shè)備的運(yùn)行情況，根據(jù)電壓電流等參數(shù)的變化規(guī)律取得比較準(zhǔn)確的參數(shù)；在線自動(dòng)調(diào)整功能可完成更多參數(shù)的測(cè)定，包括電路內(nèi)部的負(fù)載慣量，從而制定出更加精確的模型，進(jìn)一步保障后續(xù)工作的順利進(jìn)行[4]。變頻器主要的應(yīng)用在于保障整個(gè)系統(tǒng)的平穩(wěn)運(yùn)行，因此具有較廣的應(yīng)用前景。

3 變頻器在電機(jī)拖動(dòng)以及控制領(lǐng)域的認(rèn)知誤區(qū)

變頻器在機(jī)械設(shè)備中應(yīng)用較廣，但這種設(shè)備自身存在復(fù)雜性，使不少人在使用變頻機(jī)進(jìn)行工作時(shí)無法準(zhǔn)確掌握其實(shí)質(zhì)應(yīng)用的效果，嚴(yán)重影響其實(shí)際應(yīng)用的效果。在應(yīng)用變頻器時(shí)，由于其技術(shù)的復(fù)雜性及控制方式的多樣性很容易陷入誤區(qū)之中，不少工作人員覺得只要電力中應(yīng)用變頻器便可有效節(jié)省電力資源。但根據(jù)物理學(xué)原理中的能量守恒定律可知，能量是不能隨意消失或出現(xiàn)的，只能根據(jù)相應(yīng)的能量守恒定律實(shí)現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)換，從一種能量轉(zhuǎn)換為另一種形式，由此可見變頻器并非萬能，它有屬于自己的實(shí)際應(yīng)用范圍，無法在各個(gè)領(lǐng)域都全面發(fā)揮作用。因此在應(yīng)用變頻器進(jìn)行工作時(shí)，一定要嚴(yán)格按照其應(yīng)用范圍和使用方法進(jìn)行，從而進(jìn)一步保障變頻器應(yīng)用的效果，使其作用可以完全發(fā)揮。

綜上，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和技術(shù)水平的提升，電力資源在日常生活及生產(chǎn)中發(fā)揮著更加重要的作用。變頻器以及其相關(guān)的技術(shù)在電機(jī)拖動(dòng)技術(shù)以及控制領(lǐng)域具有較好的應(yīng)用前景，但在實(shí)際應(yīng)用過程中難免會(huì)由于變頻器自身的特殊性和復(fù)雜性使得相關(guān)部門在使用時(shí)很容易陷入誤區(qū)，因此需要不斷對(duì)技術(shù)進(jìn)行更新，實(shí)現(xiàn)變頻技術(shù)的有效應(yīng)用。