變頻器工作原理及其應用

張柱

摘 要：電動機作為電能應用的最常見設備，廣泛應用于人類生產的各個領域。變頻技術是當前電動機控制主流技術，具有十分廣闊的發展前景。文章圍繞變頻調速相關內容進行探討，闡述了變頻調速的原理和特點，對變頻調速在日常生產中的應用情況進行了簡要介紹。

關鍵詞：變頻技術；調速；節能

引言

自十九世紀第一臺電動機發明以來，已經過去了近200年。在這長達兩個世紀的漫長時間里，形形色色、各種各樣的電動機進入人們的視線，作為人們對于電能應用的一個主要分支，在人類社會生產和生活領域發揮著重大作用。就調速性能而言，電動機大體上經歷了三個階段，即直流電機、異步電機和變頻交流電機。從時間上看，一直到20世紀70年代前直流電機都占據著電動機的統治地位。直流電動機調速性能具有調速范圍廣、穩定性好、過載能力強的優點。但生產工藝復雜，后期維護成本高，使用時限較短等問題給直流電機應用造成很大負面影響。特別是電動機本身的換向器及電刷使用壽命嚴重不足，是直流電機的最大缺陷。針對這個問題，人們開發出了異步電動機，電動機換向器和電刷的問題基本解決，但異步電機使用交流電，調速性能差是其主要缺點。第三個階段是變頻技術的出現。應用變頻技術的交流電動機可以較為妥善的解決異步電動機的調速問題，從而逐步取代直流調速成為拖動調速的主流技術。所謂變頻技術，顧名思義是指通過對交流電的頻率進行調整，從而達到控制交流電機控制的方法。應用變頻原理，使用電力半導體器件通過對電路的通斷控制實現對工頻電源頻率的改變的設備就是變頻器。日常工作中，變頻器的作用主要是將固定電壓和頻率的交流電源轉變為可變電壓和頻率的交流電源。

1 變頻調速技術概述

變頻器在拖動系統中的最大作用就是電動機調速，對電動機運轉方式予以控制以實現預設目標。需要注意的是，穩定運轉是電動機系統的基礎前提，調速與否或使用何種調速方式都不能違背這個前提。為此，必須保證系統在因故發生擾動時能夠在允許時間內進行必要程度的自我恢復，消除擾動帶來的不利影響。具體來說，當系統受到擾動時，電動機可以通過其本身電氣參數的改變來保障系統應有的負載特性，而不能依賴于外加電氣參數的調整。因為電動機機械特性是電動機自身電氣參數綜合作用的結果，當這些電氣參數發生變化時，電動機機械特性也隨之發生改變，從而形成新的機械特性曲線。而新的機械特性曲線與電動機負載特性曲線相交所產生的交點所顯示的就是系統重新達到穩定的狀況。這就是變頻器驅動電動機實現調速的基本原理。雖然可以通過調整電動機自身參數來改變電動機機械特性，但受系統轉動慣量的影響，電動機轉速的變化是個漸進的過程，盡管這個過程也許很短。正常情況下，外界給予電動機系統的參數發生變化時，電動機電磁轉矩同步發生改變，打破了原有轉矩平衡，系統合轉矩重新形成。新的合轉矩給予系統一個加速或減速的效果。在其作用下，系統重新達到平衡，形成新的穩定狀態。這個加速或減速過程就稱為調速過程。實際工作中，極對數、轉差率和頻率是最常用來實現電動調速的參數。其中，極對數和轉差率調速法具有轉差損耗大，效率低的缺點，使用條件較為苛刻，適用范圍較小。變頻調速是通過改變定子電源頻率來改變同步頻率實現電機調速的。盡管在調速過程中轉差率可以控制在一定范圍內，但單純依賴電動機頻率的調節無法保障變頻特性。從異步電機公式中我們可以看到，電動機頻率和磁通量的乘積大體上和外加電壓成正比例關系，在外加電壓一定的情況下，如果磁通量上升，則頻率下降，反之則頻率上升。當頻率下降到一定程度時，磁通量會達到飽和狀態，使得勵磁電流增大，有效功率在總功率中的比例下降，大量電能轉為熱能，電動機鐵芯和線圈溫度迅速升高，給電動機的正常安全運轉帶來威脅。為防止上述問題發生，在降低頻率的同時也要降低電壓，實現頻率與電壓協調控制。另外，有些情況下的調速需要磁通量恒定，這時就需要調整電壓和頻率，所以變頻調速也就稱之為可變頻率可變電壓調速（VVVF）。

2 變頻調速技術的特點

變頻調速是當前電機調速的主流發展方向，具有調速平滑性好、效率高的特點。當電機轉速較低時，變頻調速可以在保障電機穩定運行的基礎上實現較大范圍的調速，調速精度較高。使用變頻調速，可以有效控制起動電流，不但可以將電機起動時對電網的沖擊降到最低，而且有助于節約電能。從設備角度講，變頻電機體積較小，安裝、調試和后續維護、維修簡單易行，有利于實現過程自動化。缺點是成本高，必須配有專用的變頻電源，且在恒轉矩調速時，低速段電動機的過載能力十分有限。

3 變頻調速技術應用情況分析

3.1 使用變頻調速技術，可以大幅度節約能源

通過不同電機在相同情況下的對比分析可知，風機、泵類等電力設備在使用變頻技術后節約的能源最為突出，一般可以比使用前節約20%到60%的電能。之所以效果如此明顯，主要是風機、水泵類設備的負載功耗與轉速的三次方成正比的原因。一旦轉速下降，電機功耗就會大幅降低。而傳統的擋板或閥門進行流量調節時，對于耗用功率的影響并不大。

3.2 使用變頻調速技術，可以實現電機運行的高效控制

一是實現電機正轉、反轉的控制。通過對變頻器內部逆變管開關順序的簡單調節，就可以轉變輸出方向，從而有效避免轉換操作不當給電機設備帶來的損壞。二是實現電機加速、減速的控制。通常情況下，變頻器調速系統啟動時頻率較低，能夠根據需要自由設定加速或減速時間，有利于加速或減速過程的平滑，將啟動電流控制在一定范圍內。

3.3 使用變頻調速技術，有助于產品質量和加工工藝水平的提高

除了上述提及的泵、風機等設備外，變頻技術還可以用于控制傳送、卷繞、起重、擠壓、機床等多種機械設備。使用變頻技術后，設備的工作狀態大為改善，不僅有利于延長使用壽命，而且有助于降低設備控制的難度和復雜性，對于提高生產質量水平也是非常有利的。

4 結束語

變頻調速技術目前已經廣泛應用于我國工農業生產等各個領域，在節能降耗方面發揮了極為顯著的作用。科技水平的不斷提高，推動了變頻調速技術的發展。特別是新型大功率半導體器件的出現，更是給變頻調速技術注入了巨大的發展活力。大功率、高電壓是當前變頻調速技術的主流發展趨勢，與之配套的精確控制和動態特性也隨之完善。隨著我國經濟體制改革的深入推進，電力產業正迎來一個更加廣闊的發展空間。電機企業要牢牢抓住這個寶貴契機，加大新產品、新技術的研發力度，提高自主開發水平，縮減我國變頻調速技術和世界先進水平的差距，為我國工業的進一步發展提供有力的支持。

參考文獻

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