變頻調速技術的原理及應用

翟弘毅,路林吉

(上海交通大學自動化系,201114）

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變頻調速技術的原理及應用

翟弘毅,路林吉

(上海交通大學自動化系,201114）

摘要：在交流電動機轉速控制的控制上，變頻技術是最可靠、最理想、控制效果最明顯、節能效果最明顯而且最有發展前景的控制技術。本文從以理論為依據，結合變頻技術在電動機實際運行中的控制效果。對變頻器的調速原理、節能原理；變頻器的主要功能；變頻器的控制方式等方面的內容進行闡述，表明變頻技術的優點和發展前景。

關鍵詞：變頻；電機；調速與節能

0　前言

上世紀80年代引進變頻技術以來，我國在電動機速動控制和節能等方面優勢明顯，其功率因數高、調速性能好、能夠軟啟動，是延長設備使用壽命的重要保障。變頻技術是現在交流電動機調速手段中最節能、最理想的手段。

1　變頻器速度調節原理

1.1變頻器調速原理

異步電動機的調速方法分三種：①可以改變電動機的極對數來使其轉速變化，但是這種調速的方法存在級差，不可用來實現無極調速，不能使用在水泵、火電廠風機等輔助機械的轉速調整。②通過改變轉速差率來實現改變異步電機轉速，可以實現無極調速，但只能應用在容量比較小的電擊上，存在整體效率低下、故障率高的缺陷，不適合用在大容量電動機的速度調節上。③通過改變定子頻率進行異步電機轉速的調節，也就是變頻器使用的調速方法。

1.2變頻器的節能原理

變頻調速節能、提高功率因數節能、軟啟節能是變頻器的節能原理。

1.2.1變頻調速節能法

如果設備容量過大就會產生浪費工頻運行的情況，通過變頻調速的手段，降低設備的運行速度可以產生非常顯著的節能效果。下文，使用風機泵類負載來簡述變頻節能的原理。

風機泵類負載能夠對流體的流量進行控制，風機水泵的容量通常很大，需要以工藝為依據進行控制：一種是通過控制閥門開度進行控制，該方法雖然能夠節約一些輸入功率，但進行閥門控制時會浪費能量。另一種是利用調節速度的方法進行流量控制，能很好地滿足節能的目的。實踐中，存在多種調速手段，變頻調速的手段有最好的節能效果。

1.2.2提高功率因數節能法

案例2：某大學針對某項政策的態度調查，隨機抽取300名該校不同身份的被調查者，了解其對該政策的觀點，調查結果如表2所示。

有些時候不必要對電機進行調速，這時提高功率因數就成為變頻器節能效果的主要表現，它能減少線路功率的消耗。SPWM正弦脈寬調制型變頻器的主電路主要包括：整流器、中間平行波環節、逆變器以及能耗制動回路4個主要部分構成。通過計算，SPWM正弦脈寬調制型變頻在電網側的功率因數幾乎是1，但普通電機的自然功率因數在0.76與0.85之間。在電機中采用變頻器作為拖動電源時，電機的功率因數能達到0.95到0.98之間，減少電機從電網吸收的無功功率，減少線路的有功功率和無功功率的耗損，且這個形式的耗損是不能通過在低壓配電室并聯電容的方法來補償。

1.2.3軟啟動節能法

電機全壓啟動、星-三角降壓啟動和自耦變壓器減壓啟動時，啟動的電流能達到4到6倍的額定電流。啟動電流如此之大，會造成電機本身大量的銅損，并會增加電路功率的耗損，引發線路電壓的波動、沖擊機械設備與電網。因此在設計供電系統時須增加變壓器的容量，來阻止過大的啟動電流對設備造成的損害。

2　變頻器的常用功能

2.1升速功能

電動機頻率提高的越慢，代表著升速時間越長，電機在啟動的時候的轉差就越小、動態轉矩越小，實際效果就是造成啟動電流的減小。電動機的升速越大，說明頻路提高的快，在拖動系統慣性大的情況下，電動機轉子的速度無法跟上同步轉速，造成了轉差與動態轉矩的加大，使升速電流大于規定的數值。升速本質上是電動機從一個運行穩態達到另外一個運行穩態的過程，當這個過程進行時，一般不開展生產活動，升速的過程應控制不過流，且越快越好。變頻機能夠預先設置電動機的升速方式，控制不同階段加速度。

2.2過載保護功能

之所以要對電動機進行過載保護，是為避免電動機過熱損壞。變頻器通過依據電動機的溫度不超過額定值的原則進行電動機的保護。變頻器全部安裝電子熱保護設備，電動機處在不同頻率中有不同保護效果，頻率越低時持續運行的限制時間就越短。

3　變頻器的控制防止

3.1控制方式

一是控制運行方式，指對電動機運行狀態的控制，例如提速、降速、正傳、反轉等。控制的方式有鍵盤控制、接口控制、外端子控制等。二是控制電機特性的方式，指控制電動機的機械特性，使其滿足電動機各種負荷需求的方式，包含無反饋矢量控制方式、V/ F控制方式、有無反饋矢量控制方式等。

3.2運行控制

3.2.1鍵盤控制

使用安裝在變頻控制器面板上面的鍵盤進行控制，能夠控制起動、停止、提速、降速、點動、復位等運行方式。

3.2.2外接端子控制

使用外部接入輸入端子的方式進行變頻器的運行控制，端子中包含正轉控制端、反轉控制段、點動控制段、復位控制端以及可編程多功能控制端等端子。其中可編程控制段的功能需通過編程模式預設，能實現多擋轉速控制、多擋升速時間控制、外部故障信號輸入等方式。

3.3電動機特性的控制方式

3.3.1V/F控制方式

V/F控制方式值得是，電動機在低頻運行時，改變電壓與頻率的比值來控制電動機的轉矩，來使符合得到滿足。每種變頻器都有許多條不同補償程度的V/F線可供使用者按照需求進行選擇。

3.3.2矢量控制方式

矢量控制的方法的原理較為復雜，但是其被提出是有著革命性意義的，在實踐過程中會發現這種控制方式嚴重受到電動機參數的制約，實際操作時的效果很難達到預想的狀態。

4　結語

變頻技術在交流電動機控制方面的應用有很大優勢，能夠有效、方便控制電動機的啟動和運行，且還能起到環保節能、延長電動機使用壽命的作用，既可使電動機在節能最優的狀態運行，又能提升對電動機的控制精度。變頻技術是現代電氣化工業生產中理想的控制手段，通過技術創新將得到更好使用效果。

參考文獻

謝健.變頻器的節能原理及在浮法玻璃生產線中的應用[J] .國外建技,2007,28(4):

The principle of variable frequency speed regulation technology and application

Zhai Hongyi,Lu Linji
(Department of Automation，Shanghai Jiao Tong University,201114)

Abstract：On the control of ac motor speed control,variable frequency technology is the most reliable and ideal energy saving effect,the control effect is most obvious.This paper based on theory,combined with frequency conversion technology in actual operation of the motor control effect.The frequency converter speed control principle,the energy saving principle; The main function of the frequency converter;Inverter control mode,etc,elaborates the content,shows a bit of frequency conversion technology and development prospects.

Keywords：frequency conversion;The motor;Speed regulation and energy saving