變頻器簡介及應用方面的研究

【摘 要】如今能源愈發送到人們的重視，各個方向都在向節能方向發展，最熟悉的便是**品牌的變頻空調，其主要元件是變頻器，將50Hz市電轉換成30Hz～130Hz，電壓的可調到142V～270V。當空調處于不同狀態時變頻器自動調節至其所需的頻率、電壓、電流使能量合理應用。變頻器的應用使得節能率提高了20%～30%，接著來簡談變頻器，并對其應用技術發展進行初步探究。

【關鍵詞】變頻器；變頻調速；工作方式；應用技術特點

1.變頻器的工作原理概述

變頻器的結構一般可分為整流過程、中間直流環節、逆變電路和控制電路四個主要部分。其工作主要是應用如二極管，晶閘管等半導體元件，通過控制其通斷將某一特定頻率的電源變換為另一頻率的電能控制裝置。

具體說來，就是將三相或單項交流電轉換成直流電，然后把將變換后的直流電轉換成可控的單項或三相交流電，最后根據需求改變頻率、電壓來控制交流電源的輸出。由于變頻器兼有對過電流、過電壓、過負載保護等功能。常常被應用于交流異步電機的軟起動、變頻調速、提高電動機運轉的精度、改變功率因數[1]。

2.變頻器的分類分析

2.1按照主電路的工作方式分

（1）電壓型：將直流電源轉換成交流電源。結構上，脈沖數量比較高，同時電平數也較多能夠保證較好的波形，無均壓的問題；電容是其主要直流回路濾波元件。

（2）電流型：將直流電流源轉換成交流電源。其脈沖和電平件數都低，波形較前者差，但器件較少，可靠性高。其直流回路的主要濾波元件是電感。

2.2按照開關力式可分

（1）高載頻脈沖寬度調制：一種特殊的運行控制方式，對逆變電路部分控制，同時又可以控制所要輸出的電壓或電流的頻率和幅值。變頻器能將高次諧波引起的一些不良影響減少，轉矩波小，而且其制作成本低，控制電路也相對簡單的優點，但是其其缺點是當載波的頻率不恰當時會產生電動機運轉噪聲。

（2）脈沖振幅調制：是一種對輸出電壓電流和頻率進行控制的控制方式，只是對電壓和電流幅值的控制在整流電路部分完成，對輸出頻率控制在逆變電路部分完成。變頻器在進行調速驅動時運轉噪聲小，且效率較高等。但是，要完成對電壓電流，還有頻率的控制，就需要對整流電路和逆變電路進行控制，所以其控制電路是復雜的。此外，這種控制方式也有電功機在進行低速運轉時波動較大的缺點。

2.3按照工作原理可分

（1）電壓頻率控制變頻器：從名稱可以看出它是一種對輸出電壓和頻率進行控制的簡單變頻器。特點是制造成本低的優點，但是精度低的缺點。

（2）轉差頻率控制變頻器：在一定程度上控制輸出轉矩的變頻器，又對速度傳感器的速度閉環進行控制。優點是在負載發熱具有較大變化時仍能達到較高的速度精度，但是其通用性不是很好。

（3）矢量控制變頻器：分別對異步電動機的勵磁電流和轉矩電流（二者是由定子電流轉化得來的）控制的變頻器.以實現異步電動機控制系統的高性能的運作，在調速范圍上也可以同直流電機媲美，也可以使電機直接產生轉矩。當然越是精密的其控制電路就會相對繁瑣。

2.4按照用途又可以分很多種，如通用、高頻、高性能專用等等不同類型，在此不做詳細的說明

3.在電動機中變頻器的應用設計特點

3.1結構設計

這里主要就是考慮到在非正弦電源特性上，包括變頻電機的絕緣結構、噪聲大小及振動的程度、冷卻技術手段等方面造成的影響。應注意相應的問題，并采取正確的方法處理，總結如下：

（1）絕緣等級問題：處理辦法是對電機外殼增強地絕緣和轉子線圈匝間的絕緣強度，尤其是各部分絕緣結構上，器耐沖擊電壓的程度。

（2）電機的噪聲及振動問題：注意各部件之間連接緊密程度，以防止產生共振現象，同時既要考慮到電動機結構的剛性問題，有要盡量提高電機本身的固有頻率。

（3）冷卻方式：一般采用強迫通風冷卻系統（可跟據要求適當調整風扇功率）可會好的降低其不利的影響。

3.2電磁的設計

當電動機對非正弦波電源的適應能力增強時，其過載能力和啟動性能有很好的改善，這里就從此處作簡要分析：

（1）降低基波銅耗：主要方式是降低定子和轉子的電阻，銅耗的減小也一定程度上你不了高次諧波對銅耗的增加。

（2）抑制電流中產生的高次諧波問題：通常需事先在整個調速范圍內調整電動機的漏抗大小及阻抗合理匹配，適當調節電動機的感抗大小。

（3）主磁路一般被做成不飽和狀態：在低頻時，變頻器的輸出電壓的提高可以促使相應的輸出轉矩提高，同時產生的高次諧波將導致磁路飽和的程度加深。

4.變頻器的應用技術

4.1在風機類上使用

之前風機的輸出功率是不變的只是通過調節擋風板來調節風量，這樣浪費了大量的電能，當變頻器的使用淘汰了擋風板，根據鍋爐的需要調節風機轉速。以65噸的重壓鍋爐為例每年大約可以節電67萬度，鍋爐燃燒率也有明顯提高。

4.2在卷揚機上的使用

卷揚機工作時要求其啟動和制動快速平穩，加速減速均勻，之前通過改變轉子電阻方式這種方式可靠性差，效率低。我們可以利用變頻器的特殊特性，變革裝置技術以解決這些類問題。

4.3在電梯中的應用

電梯是載人工具，會頻繁的進行啟動停止，加速減速，而且其必須要具備一定的安全可靠性，變頻器的使用就增加了電梯的安全可靠性，和舒適性。

4.4變頻器還在特殊電源類負載上、印染機類負載上、卷煙機類負載上有廣泛應用

總結上述應用均可以歸到變頻器在電機上的應用，那么變頻器的使用與之前的串聯電阻或直流電機相比有哪些優點呢？

傳統的電機是通過串電阻調速，但當低速運行時，其電機的機械特性很軟，且靜差率相對較高，平滑性很差，影響正常運行的效率。而且電阻上消耗的的轉差功率相對較高，不利于節能。

應用變頻器的電機較之有很大的優勢。即可高效的電動機工作效率，又由于它機械特性較硬，相對較高的精度，調速范圍廣等優點因而得到廣泛的應用。主要過程是通過改變定子電源的頻率，對同步轉速的進行調節，好處是整個調速過程無附加損耗的影響。

通常以固定的電壓、頻率設計的異步電動機，無法完全滿足變頻調速的標準。如電動機絕緣強度問題；其溫度的升高和應用效率的問題；諧波電磁噪聲與震動問題；電機的多次啟動和制動能力問題；低速轉動時的冷卻問題，這些問題的出現一方面降低了電機的工作效率，另一方面增加了能源的浪費，也縮短了電機的使用年限。為了克服三相異步電機串聯電阻調速系統的以上缺點，采用變頻器，可以實現全頻率（0Hz～50Hz）范圍內的恒轉矩控制。采用變頻調速技術改造風機傳動系統，將變頻調速需改為鼠籠式運行，由于是繞線式異步電機，轉子繞組不必外接電組。當電刷與集電環之間因接觸不良發生故障時，會與集電環相接的三根線之間用導線短接，將電刷舉起[2]。若需要保留原繞線式異步電動機轉子串電阻，僅需根據要求增設一個高壓接觸的調速裝置。在處于正常運行狀態時，短接轉子與集電環相接的三根線，接觸器被吸合。在臨時檢修，或短時或長時間退出運行的時候，將斷開接觸器，便使電機恢復到原繞線式異步電動機（即轉子串聯電阻）的調速方式，進而實現三相異步電動機在變頻調速控制上的運用。

5.結束語

以上介紹的是變頻器的優點，當然每一樣東西都不是十全十美的，變頻器也有一些缺點如電機聲音較市電時尖銳；造價高，維護要求高等.克服這些缺點將會是以后變頻器的發展方向，相信會在不久將來進一步完善，變頻器的使用也會越發廣泛，給國家節能做出巨大貢獻。

【參考文獻】

[1]宋銀賓.電機拖動基礎[M].北京：冶金工業出版社，2003.

[2]徐曉峰.電機及拖動[M].北京：高等教育出版社，2009.