變頻器技術(shù)分析及在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用

佛山南海技師學(xué)院 馮啟恩

1.引言

變頻器是應(yīng)用變頻技術(shù)與微電子技術(shù)，通過(guò)改變電機(jī)工作電源頻率方式來(lái)控制交流電動(dòng)機(jī)的電力控制設(shè)備。其主要工作原理，就是通過(guò)改變電源頻率，來(lái)達(dá)到改變電壓的目的，以提供電機(jī)實(shí)際所需要的電源電壓，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能、調(diào)速等目的，并實(shí)現(xiàn)如過(guò)流、過(guò)壓、過(guò)載保護(hù)等保護(hù)功能。變頻技術(shù)是在交流電機(jī)無(wú)級(jí)調(diào)速的需要下所誕生的，其真正實(shí)用經(jīng)是在20世紀(jì)80年代中后期，而我國(guó)開(kāi)始應(yīng)用變頻器則是在20世紀(jì)80年代末，由于變頻器優(yōu)異的性能和節(jié)電效果，一經(jīng)使用便得到了迅速的發(fā)展，尤其是在國(guó)民經(jīng)濟(jì)和人民生活對(duì)電氣自動(dòng)化要求不斷提高，社會(huì)節(jié)能環(huán)保意識(shí)不斷加強(qiáng)的情況下，變頻器的應(yīng)用領(lǐng)域更是越來(lái)越為廣泛。近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、電子技術(shù)以及自動(dòng)化控制技術(shù)的發(fā)展，變頻器技術(shù)更是取得了巨大的進(jìn)步，性能得到了不斷的完善于。下面，本文在分析變頻器技術(shù)的基礎(chǔ)上，就其在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用進(jìn)行淺要的介紹。

2.變頻器技術(shù)類型

變頻器的技術(shù)類型主要有整流技術(shù)、斬波技術(shù)、逆變技術(shù)、移相技術(shù)四種。整流技術(shù)是通過(guò)整流元件來(lái)實(shí)現(xiàn)電能頻率的轉(zhuǎn)換；斬波技術(shù)是通過(guò)電力電子器件的通斷來(lái)改變電能脈沖頻度和寬度的技術(shù)；逆變技術(shù)是通過(guò)功率開(kāi)關(guān)將直流電改變?yōu)榭勺冾l率和電壓的交流電的技術(shù)；移相技術(shù)是利用電力電器元件的通斷，來(lái)實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)、調(diào)壓、調(diào)光、調(diào)速的技術(shù)。

3.變頻器工作原理

3.1 變頻器硬件結(jié)構(gòu)

變頻器實(shí)際上是利用電力半導(dǎo)體器件的通斷作用，將工頻電源變換為另一頻率的電能控制裝置。變頻器的主電影路是調(diào)壓調(diào)頻電源的電力變換構(gòu)件，一般可分為電壓型和電流型兩兩種，電壓型是將電壓源直流變?yōu)榻涣鳎渲绷骰芈返臑V波由電容實(shí)現(xiàn)；電流型則是將電流源的直流變換為交流，其直流回路的濾波則由電感實(shí)現(xiàn)。

通常來(lái)說(shuō)，變頻器的主電路由整流器、平波回路和逆變器三個(gè)部分構(gòu)成。整流器將工頻電源變?yōu)橹绷鞴β剩壳岸嗖捎枚O管來(lái)作為變流器，也有采用兩組晶體管變流器構(gòu)成可逆變流器，以使現(xiàn)功率方向可逆再生運(yùn)轉(zhuǎn)的情況；平流回路是在是為了抑制電壓波動(dòng)，吸收脈動(dòng)電壓的電感和電容，部分裝置容量小，電源和主電路構(gòu)成器件有余量的變頻器通常省去電感，采用較簡(jiǎn)單的平波回路；逆變器是將直流功率變?yōu)橐箢l率的交流功率的構(gòu)件，其作用與整流器相反。除了主電路外，還有為異步電動(dòng)機(jī)供電提供控制信號(hào)的控制電路，控制電路有頻率、電壓運(yùn)算電路，有電壓、電流檢測(cè)電路，有電動(dòng)機(jī)速度檢測(cè)電路，有放大控制信號(hào)的驅(qū)動(dòng)電路，還有保護(hù)逆變器和電動(dòng)機(jī)的保護(hù)電路。

3.2 變頻器技術(shù)功能作用

變頻器技術(shù)的功能作用主要包括變頻節(jié)能、功率因數(shù)補(bǔ)償節(jié)能、軟啟動(dòng)節(jié)能幾個(gè)方面。變頻節(jié)能主要應(yīng)用于風(fēng)機(jī)、水泵等方面，在實(shí)際應(yīng)用中，由于考慮到設(shè)備生產(chǎn)的可靠性，通常在設(shè)計(jì)機(jī)械設(shè)備的配用動(dòng)力驅(qū)動(dòng)時(shí)，都會(huì)預(yù)留一定的富余量，但電機(jī)很少在滿負(fù)荷下運(yùn)行，多余的力矩增加必然造成功率消耗浪費(fèi)電能，采用變頻器技術(shù)當(dāng)風(fēng)機(jī)、水泵流量要求減小時(shí)，可以降低水泵或風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，使其在保證流量需求的情況下降低功耗。

功率因數(shù)補(bǔ)償節(jié)能主要是為考慮無(wú)功功率的影響，無(wú)功功率會(huì)增加線損和使設(shè)備發(fā)熱，同時(shí)還會(huì)影響電網(wǎng)有功功率，使大量的無(wú)功電能消耗于電路之中，降低了設(shè)備的使用效率和電力的使用效能，造成巨大的浪費(fèi)。采用變頻器技術(shù)，變頻器內(nèi)部濾波電容能有效的減少無(wú)功損耗，提高電網(wǎng)的有功軾率，提高設(shè)備和電力的使用效能。

軟啟動(dòng)節(jié)能由是基于電機(jī)硬啟動(dòng)對(duì)電網(wǎng)的沖擊和電網(wǎng)容量的要求所考慮的，由于電機(jī)硬啟動(dòng)時(shí)會(huì)對(duì)電網(wǎng)造成嚴(yán)重的沖擊，交且向電網(wǎng)提出過(guò)高的容量要求，硬啟動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的強(qiáng)電流和震動(dòng)對(duì)設(shè)備損害極大，對(duì)設(shè)備、線路等的可靠性和使用壽命造成不良影響。采用變頻器技術(shù)，可以利用變頻器的軟啟動(dòng)功能來(lái)減輕對(duì)電網(wǎng)的沖擊，延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命，減少設(shè)備故障。

3.3 變頻器控制方式

變頻器作用實(shí)際上就是將直流電逆變?yōu)椴煌l率的交流電，或者將交流電變成直流電再逆變?yōu)椴煌l率的交流電，或者將直流電變?yōu)榻涣麟娫僮優(yōu)橹绷麟姟２贿^(guò)總的來(lái)說(shuō)，變頻器所改變的只是頻率，而非電能。回顧變頻器技術(shù)的發(fā)展，其控制方式有正弦脈寬調(diào)制控制方式、電壓空間矢量控制方式、矢量控制方式、直接轉(zhuǎn)矩控制方式、矩陣交-交控制方式。目前應(yīng)用較為廣泛的是正弦脈寬調(diào)制控制方式和直接轉(zhuǎn)矩控制方式，不過(guò)這兩種控制方式都有一些缺點(diǎn)，而矩陣式交-交控制方式系統(tǒng)功率密度大，造價(jià)低，將轉(zhuǎn)矩直接作為被控制量來(lái)考慮，很好的彌補(bǔ)了傳統(tǒng)控制方式的缺陷，雖然目前尚不成熟，但有著極為闊的應(yīng)用前景。

4.變頻器的分類

4.1 按變換結(jié)構(gòu)分類

從變換結(jié)構(gòu)的不同來(lái)變頻器可以分為交-直-交變頻器和交-交變頻器兩大類，交-直-交變頻器是將交流經(jīng)整流器變?yōu)橹绷鳎偻ㄟ^(guò)逆變器將直流變換為可控頻率和電壓的交流的變頻器，也稱間接式變頻器；交-交變頻器是則是直接將工頻交流變換為頻率和電壓可變的交流的變頻器，這類變頻器實(shí)際上只有一個(gè)變換環(huán)節(jié)，因此也稱為直接式變頻器。

4.2 按直流電源性質(zhì)分類

根據(jù)中間直流環(huán)節(jié)直流電源性質(zhì)的不同，變頻器可分為電壓型變頻器和電流型變頻器。電壓型變頻器中間直流環(huán)節(jié)所采用的儲(chǔ)能元件是電容，由于負(fù)載無(wú)功功率由電容緩沖，因此直流電壓較為平衡，電源內(nèi)阻較小相當(dāng)于電壓源，因此稱為電壓型變頻器，電壓型變頻器多應(yīng)用于負(fù)載電壓變化較大的情況。電流型變頻器中間直流環(huán)節(jié)采用的儲(chǔ)能元件為電感，由于負(fù)載無(wú)功功率由電感來(lái)緩沖，扼制了電流的變化使電壓接近于正弦波，其內(nèi)阻較大，因此稱為電流型變頻器，電流型變頻器能降低負(fù)載電流頻繁急劇的變化，多應(yīng)用于負(fù)載電流變化較大的情況。

4.3 其它分類方法

除了以上兩種常用分類方法外，變頻器還可以按照工作原理分為V/F控制變頻器、轉(zhuǎn)差頻率控制變頻器、矢量控制變頻器；按照開(kāi)關(guān)方式分為PAM控制變頻器、PWM控制變頻器、高載頻PWM控制變頻器；按用途分為通用變頻器、高性能專用變頻器、高頻變頻器、單相變頻器、三相變頻器；按國(guó)際區(qū)域分為國(guó)產(chǎn)變頻器和歐美變頻器；按電壓等級(jí)分為高壓變頻器、中壓變頻器、低壓變頻器等。

5.變頻器技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用

理論上講，變頻器技術(shù)可以應(yīng)用于所有具有電動(dòng)機(jī)的設(shè)備上，在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用，主要包括以下幾個(gè)方面：

5.1 工業(yè)機(jī)械設(shè)備泵類負(fù)載中的應(yīng)用

變頻器技術(shù)在工業(yè)機(jī)械設(shè)備泵類負(fù)載中的應(yīng)用，主要是利用了變頻器的調(diào)速技術(shù)，通過(guò)改變電動(dòng)機(jī)定子頻率進(jìn)而改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而改變泵類負(fù)載的工況，使其流量和揚(yáng)程等滿足生產(chǎn)需求的變化。當(dāng)工業(yè)生產(chǎn)機(jī)械設(shè)備泵類負(fù)載波動(dòng)較大時(shí)，采用變頻器技術(shù)控制變頻器輸出，可以使泵類負(fù)載滿足生產(chǎn)工藝的需求，獲取最佳節(jié)能產(chǎn)果，同時(shí)提高生產(chǎn)工藝，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)自動(dòng)化，并延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命，提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，為企業(yè)創(chuàng)造更好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

5.2 工業(yè)生產(chǎn)調(diào)備風(fēng)機(jī)負(fù)載上的應(yīng)用

工業(yè)生產(chǎn)中風(fēng)機(jī)通常應(yīng)用于鍋爐系統(tǒng)、烘干系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)中，為了滿足生產(chǎn)工藝和運(yùn)行工況的需要，要對(duì)風(fēng)速、膛壓、風(fēng)量、溫度等進(jìn)行控制，傳統(tǒng)控制方法通常是調(diào)節(jié)風(fēng)門、擋板開(kāi)度。但是，采用這種控制方法，不管生產(chǎn)工藝和工況如何，風(fēng)機(jī)都在全速運(yùn)轉(zhuǎn)，不僅不能精確的滿足生產(chǎn)工藝和運(yùn)行工況的要求，還會(huì)造成能源浪費(fèi)和設(shè)備耗損，增加強(qiáng)生產(chǎn)成本，縮短設(shè)備使用壽命。比如煉鋼廠、化纖生產(chǎn)企業(yè)、水泥制造廠，都需要應(yīng)用到風(fēng)機(jī)，采用調(diào)節(jié)風(fēng)門來(lái)調(diào)節(jié)風(fēng)量大小的方法，電機(jī)一直處于滿負(fù)荷運(yùn)行的狀態(tài)，但風(fēng)門開(kāi)度通常在50%-80%之間，造成極大的浪費(fèi)。變頻器技術(shù)應(yīng)用于風(fēng)機(jī)負(fù)載中，其無(wú)級(jí)調(diào)速成能力可以滿足更大的調(diào)速成范圍，且更為可靠，縱護(hù)容易，能更好的滿足生產(chǎn)工藝和工況的要求。

5.3 變頻器技術(shù)的節(jié)能應(yīng)用

最初采用變頻器的目的實(shí)際上是為了控制速度，但發(fā)展到現(xiàn)在，變頻器的應(yīng)用目的更多是為了節(jié)能。節(jié)能和環(huán)保是21世紀(jì)的主題，是事關(guān)人類社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的重要內(nèi)容。長(zhǎng)期以來(lái)，由于生產(chǎn)工藝和設(shè)備等方面的原因，我國(guó)工業(yè)生產(chǎn)能源利用率極低，這在能源日益緊張的情況下，成為制約我國(guó)工業(yè)迅速發(fā)展的主要問(wèn)題之一。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)電網(wǎng)負(fù)載中動(dòng)力負(fù)載占了60%左右，而90%是異步電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)所耗費(fèi)的電能在整個(gè)工業(yè)用電中的比例高達(dá)70%。在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用變頻器技術(shù)，能夠極大的提高電機(jī)轉(zhuǎn)速控制精度，獲取電機(jī)最佳能耗。

6.結(jié)束語(yǔ)

變頻器技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用，有效的提高了生產(chǎn)工藝和生產(chǎn)效率，并降低了生產(chǎn)能耗，降低了設(shè)備磨損，能為企業(yè)帶來(lái)更大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。當(dāng)前，變頻器技術(shù)正向智能化、精密化、高效化方向發(fā)展，這給工業(yè)生產(chǎn)帶來(lái)了更大的契機(jī)，在不久的將來(lái)，變頻器技術(shù)必將進(jìn)一步推動(dòng)工業(yè)生產(chǎn)的迅速發(fā)展，被更為深入的應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)各個(gè)領(lǐng)域。

[1]車寶珠.變頻器在工業(yè)應(yīng)用中的常見(jiàn)問(wèn)題及解決方案[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào),2008(05).

[2]鐘文裕,瘳媛敏.變頻器在工廠恒壓供水系統(tǒng)中的典型應(yīng)用[J].變頻器世界,2010(01).

[3]許朝山,龔仲華.現(xiàn)代變頻器的技術(shù)特點(diǎn)與發(fā)展方向[J].制造技術(shù)與機(jī)床,2010(01).

[4]楊禮春.降低機(jī)房負(fù)載的幾點(diǎn)措施[J].中國(guó)金融電腦,2010(02).

[5]阿地力別克.變頻器在工業(yè)水泵中的應(yīng)用[J].新疆有色金屬,2012(01).