淺析變頻器的發展和應用

霍會英

(唐山開灤廣匯設備制造有限公司,河北唐山 063026)

淺析變頻器的發展和應用

霍會英

(唐山開灤廣匯設備制造有限公司,河北唐山 063026)

變頻器也可以稱為電動機變頻調速器,它是一種靜止的頻率變換器。它把電力網頻率恒定的交流電,變成可調頻率的交流電,供普通的交流異步電動機做電源用。其最主要的特點是具有高效率的驅動性能和良好的控制特性。本文主要介紹了變頻器的發展、分類、原理、安裝等幾個方面的內容。

變頻器 變頻電機 變頻調速 諧波治理

變頻器是利用交流電動機的同步轉速隨電機定子電壓頻率變化而變化的特性而實現電動機調速運行的裝置。

1 變頻器的發展

變頻器最早的形式是,用旋轉變頻發電機組作為可變頻率的電源,供給交流電動機,主要對異步電動機進行調速。隨著電力半導體的發展靜止式變頻電源成為了變頻器的主要形式。目前應用的變頻器主要是靜止式的變頻器。

2 變頻器的分類

變頻器問世的時間雖然較短,但其種類頗多,一般有以下幾種分類。

2.1 按變換頻率的方法分類

(1)“交-直-交”變頻器。這種變頻器是先把50Hz的交流電流經過整流變換成直流,在經濾波后將較平滑的直流電逆變成頻率可調的交流電。根據濾波器件的不同,變頻器又分為電容濾波和電感濾波兩種形式。電容濾波的直流回路的電壓波形比較平直,輸出阻抗小,電壓也不易突變,相當于直流恒壓源,所以稱之為電壓型變頻器;電感濾波形式直流回路的電流波形比較平直,輸出阻抗很大,電流也不易突變,相當于直流恒流源,所以稱之為電流型變頻器。

(2)“交-交”變頻器。所謂“交-交”變頻器一般是由三相反并聯晶閘管組成的可逆橋式,采用電網自然換相原理,組成的變頻器。它具有過載能力強、效率高、輸出波形好等優點;但也具有輸出頻率低,造成電網功率因數低、旁頻諧波影響大等缺點。交-交變頻器可驅動同步電動機,也可驅動異步電動機。

2.2 按電壓等級分類

(1)低壓型變頻器。這類變頻器的單相電壓為:220～240V、三相電壓為:380～460V。容量范圍大約為:0.5～500kW左右。因此,這類變頻器又稱作為中、小容量變頻器。

(2)高壓大容量變頻器。它有兩種形式:一種采用升降壓變壓器形式的,稱之為:“高-低-高”式變頻器,也稱為間接高壓變頻器;另一種采用大容量晶閘管或晶閘管功率元件串聯結構,無輸入、輸出變壓器,也稱為直接高壓變頻器。

2.3 按改變輸出電壓或電流波形分類

(1)PAM。這是Pulse Amplitude Modulation的縮寫,是一種改變電壓源的電壓Ed或電流源的電流Id的幅值,進行輸出控制的方式。因此,在逆變器部分只控制頻率,在變流器部分控制輸出的電壓或電流。

(2)PWM。這是Pulse Width Modulation的縮寫。這種方式在輸出波形的半個周期中能產生多個脈沖,并使各脈沖的等值電壓為正弦波狀,輸出電壓或電流波形平滑,而且低次諧波較少。在晶閘管逆變器中,由于其換相時間需要一百至數白微秒(μs),開關頻率低,難以實現PWM控制,故通常采用PAM方式。PWM方式常用于可自行關斷晶閘管和GTO晶閘管逆變器,用來對頻率和輸出電壓進行控制調整。因此,在PWM方式中,直流環節可以是固定電壓(或電流)的直流,整流部分通常采用電力大功率整流二極管整流。

3 變頻器工作原理

變頻器主要用于電動機的調速控制,并降低啟動電流。為了產生可變的電壓和頻率,該設備首先要把電源的交流電變換為直流電,這個過程叫整流。把直流電(DC)變換為交流電的裝置,其科學術語為逆變器。一般逆變器是把直流電源逆變為一定的固定頻率和一定電壓的逆變電源。對于逆變為頻率可調、電壓可調的逆變器我們稱為變頻器。變頻器輸出的波形是模擬正弦波,主要是用在三相異步電動機調速,又叫變頻調速器。

4 諧波干擾和治理

4.1 諧波干擾

在變頻過程中,電路中會產生大量諧波,供電電壓品質下降。影響接在同一配電系統的其它用電設備、儀器及計算機的正常工作。諧波產生主要有以下途徑。

(1)整流部分。變頻器的整流部分接有大電容。因而在輕載時網側電流為尖峰脈沖,電流畸變較大,對電網造成諧波污染,網側功率因數較低。

(2)逆變部分。變頻器的逆變部分輸出的電壓為脈寬調制波,除基波外含有大量高次諧波,其輸出到電動機的電流畸變較大,含有高次諧波。

4.2 諧波的消除方法

(1)主動方面,使變頻器本身不產生或少產生諧波。如:在調制上采用較高的調制頻率、目標函數、多重化整流技術,如:在整流器上采用多相(12相或24相整流技術、PWM整流技術及有源功率因數校正電路APFC(Active Power Factor Correction)。

(2)被動方面,采取措施,減少變頻器產生的各次諧波對電網及其它設備的干擾。如:加裝進相和出相交流電抗器、加裝射頻噪聲濾波器及加裝浪涌吸收電路。

5 變頻器的安裝

變頻器在工作時會不斷的產生熱量,因此對環境溫度、濕度有一定的要求。變頻器所在環境溫度越高,腐蝕性氣體濃度越大,器壽命就越短。在安裝時要求有良好的通風條件,要求環境中不能有過多的腐蝕性氣體和灰塵。在高海拔地區使用變頻器時,變頻器中的平波電容器的內外壓力不平衡,將可能導致變頻器中電容爆裂;在不加裝特殊的情況下,一些元件也會誤動作。變頻器最好安裝在室內,不要受陽光的直接照射。在野外安裝變頻器時,要加裝防雨水、冰雹、防高溫低溫的設計。在寒冷地區安裝時,要考慮加熱裝置。在潮濕環境中使用時,可增加除濕器。在安裝空間上,要保證周圍留有15cm的距離,要求有通常的氣流通道,一遍更好的散熱。

6 結語

電機的變頻調速方式,使機械的自動化程度和生產效率大為提高。變頻器以其優越的性能和顯著的效果越來越多的應用的各行各業中。

[1]陳伯時.電力拖動自動控制系統.北京:機械工業,1990.

[2]鮑斯.電力電子學與交流傳動.西安:西安交通大學出版社:1990.

[3]黃俊.半導體交流技術.北京:機械工業出版社:1986.

[4]吳中智等.變頻器應用手冊.北京:機械工業出版社:1995.