變頻器技術分析及在工業生產中的應用

佛山南海技師學院 馮啟恩

1.引言

變頻器是應用變頻技術與微電子技術，通過改變電機工作電源頻率方式來控制交流電動機的電力控制設備。其主要工作原理，就是通過改變電源頻率，來達到改變電壓的目的，以提供電機實際所需要的電源電壓，從而實現節能、調速等目的，并實現如過流、過壓、過載保護等保護功能。變頻技術是在交流電機無級調速的需要下所誕生的，其真正實用經是在20世紀80年代中后期，而我國開始應用變頻器則是在20世紀80年代末，由于變頻器優異的性能和節電效果，一經使用便得到了迅速的發展，尤其是在國民經濟和人民生活對電氣自動化要求不斷提高，社會節能環保意識不斷加強的情況下，變頻器的應用領域更是越來越為廣泛。近年來，隨著計算機技術、電子技術以及自動化控制技術的發展，變頻器技術更是取得了巨大的進步，性能得到了不斷的完善于。下面，本文在分析變頻器技術的基礎上，就其在工業生產中的應用進行淺要的介紹。

2.變頻器技術類型

變頻器的技術類型主要有整流技術、斬波技術、逆變技術、移相技術四種。整流技術是通過整流元件來實現電能頻率的轉換；斬波技術是通過電力電子器件的通斷來改變電能脈沖頻度和寬度的技術；逆變技術是通過功率開關將直流電改變為可變頻率和電壓的交流電的技術；移相技術是利用電力電器元件的通斷，來實現開關、調壓、調光、調速的技術。

3.變頻器工作原理

3.1 變頻器硬件結構

變頻器實際上是利用電力半導體器件的通斷作用，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壓調頻電源的電力變換構件，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為交流，其直流回路的濾波由電容實現；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現。

通常來說，變頻器的主電路由整流器、平波回路和逆變器三個部分構成。整流器將工頻電源變為直流功率，目前多采用二極管來作為變流器，也有采用兩組晶體管變流器構成可逆變流器，以使現功率方向可逆再生運轉的情況；平流回路是在是為了抑制電壓波動，吸收脈動電壓的電感和電容，部分裝置容量小，電源和主電路構成器件有余量的變頻器通常省去電感，采用較簡單的平波回路；逆變器是將直流功率變為要求頻率的交流功率的構件，其作用與整流器相反。除了主電路外，還有為異步電動機供電提供控制信號的控制電路，控制電路有頻率、電壓運算電路，有電壓、電流檢測電路，有電動機速度檢測電路，有放大控制信號的驅動電路，還有保護逆變器和電動機的保護電路。

3.2 變頻器技術功能作用

變頻器技術的功能作用主要包括變頻節能、功率因數補償節能、軟啟動節能幾個方面。變頻節能主要應用于風機、水泵等方面，在實際應用中，由于考慮到設備生產的可靠性，通常在設計機械設備的配用動力驅動時，都會預留一定的富余量，但電機很少在滿負荷下運行，多余的力矩增加必然造成功率消耗浪費電能，采用變頻器技術當風機、水泵流量要求減小時，可以降低水泵或風機的轉速，使其在保證流量需求的情況下降低功耗。

功率因數補償節能主要是為考慮無功功率的影響，無功功率會增加線損和使設備發熱，同時還會影響電網有功功率，使大量的無功電能消耗于電路之中，降低了設備的使用效率和電力的使用效能，造成巨大的浪費。采用變頻器技術，變頻器內部濾波電容能有效的減少無功損耗，提高電網的有功軾率，提高設備和電力的使用效能。

軟啟動節能由是基于電機硬啟動對電網的沖擊和電網容量的要求所考慮的，由于電機硬啟動時會對電網造成嚴重的沖擊，交且向電網提出過高的容量要求，硬啟動時所產生的強電流和震動對設備損害極大，對設備、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，可以利用變頻器的軟啟動功能來減輕對電網的沖擊，延長設備的使用壽命，減少設備故障。

3.3 變頻器控制方式

變頻器作用實際上就是將直流電逆變為不同頻率的交流電，或者將交流電變成直流電再逆變為不同頻率的交流電，或者將直流電變為交流電再變為直流電。不過總的來說，變頻器所改變的只是頻率，而非電能。回顧變頻器技術的發展，其控制方式有正弦脈寬調制控制方式、電壓空間矢量控制方式、矢量控制方式、直接轉矩控制方式、矩陣交-交控制方式。目前應用較為廣泛的是正弦脈寬調制控制方式和直接轉矩控制方式，不過這兩種控制方式都有一些缺點，而矩陣式交-交控制方式系統功率密度大，造價低，將轉矩直接作為被控制量來考慮，很好的彌補了傳統控制方式的缺陷，雖然目前尚不成熟，但有著極為闊的應用前景。

4.變頻器的分類

4.1 按變換結構分類

從變換結構的不同來變頻器可以分為交-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整流器變為直流，再通過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，這類變頻器實際上只有一個變換環節，因此也稱為直接式變頻器。

4.2 按直流電源性質分類

根據中間直流環節直流電源性質的不同，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節所采用的儲能元件是電容，由于負載無功功率由電容緩沖，因此直流電壓較為平衡，電源內阻較小相當于電壓源，因此稱為電壓型變頻器，電壓型變頻器多應用于負載電壓變化較大的情況。電流型變頻器中間直流環節采用的儲能元件為電感，由于負載無功功率由電感來緩沖，扼制了電流的變化使電壓接近于正弦波，其內阻較大，因此稱為電流型變頻器，電流型變頻器能降低負載電流頻繁急劇的變化，多應用于負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、轉差頻率控制變頻器、矢量控制變頻器；按照開關方式分為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；按國際區域分為國產變頻器和歐美變頻器；按電壓等級分為高壓變頻器、中壓變頻器、低壓變頻器等。

5.變頻器技術在工業生產中的應用

理論上講，變頻器技術可以應用于所有具有電動機的設備上，在工業生產中的應用，主要包括以下幾個方面：

5.1 工業機械設備泵類負載中的應用

變頻器技術在工業機械設備泵類負載中的應用，主要是利用了變頻器的調速技術，通過改變電動機定子頻率進而改變電動機的轉速，從而改變泵類負載的工況，使其流量和揚程等滿足生產需求的變化。當工業生產機械設備泵類負載波動較大時，采用變頻器技術控制變頻器輸出，可以使泵類負載滿足生產工藝的需求，獲取最佳節能產果，同時提高生產工藝，實現生產自動化，并延長設備的使用壽命，提高產品質量，提高生產效率，為企業創造更好的經濟效益和社會效益。

5.2 工業生產調備風機負載上的應用

工業生產中風機通常應用于鍋爐系統、烘干系統、冷卻系統、通風系統中，為了滿足生產工藝和運行工況的需要，要對風速、膛壓、風量、溫度等進行控制，傳統控制方法通常是調節風門、擋板開度。但是，采用這種控制方法，不管生產工藝和工況如何，風機都在全速運轉，不僅不能精確的滿足生產工藝和運行工況的要求，還會造成能源浪費和設備耗損，增加強生產成本，縮短設備使用壽命。比如煉鋼廠、化纖生產企業、水泥制造廠，都需要應用到風機，采用調節風門來調節風量大小的方法，電機一直處于滿負荷運行的狀態，但風門開度通常在50%-80%之間，造成極大的浪費。變頻器技術應用于風機負載中，其無級調速成能力可以滿足更大的調速成范圍，且更為可靠，縱護容易，能更好的滿足生產工藝和工況的要求。

5.3 變頻器技術的節能應用

最初采用變頻器的目的實際上是為了控制速度，但發展到現在，變頻器的應用目的更多是為了節能。節能和環保是21世紀的主題，是事關人類社會可持續發展的重要內容。長期以來，由于生產工藝和設備等方面的原因，我國工業生產能源利用率極低，這在能源日益緊張的情況下，成為制約我國工業迅速發展的主要問題之一。據統計，我國電網負載中動力負載占了60%左右，而90%是異步電動機，電動機所耗費的電能在整個工業用電中的比例高達70%。在工業生產中應用變頻器技術，能夠極大的提高電機轉速控制精度，獲取電機最佳能耗。

6.結束語

變頻器技術在工業生產中的應用，有效的提高了生產工藝和生產效率，并降低了生產能耗，降低了設備磨損，能為企業帶來更大的經濟效益和社會效益。當前，變頻器技術正向智能化、精密化、高效化方向發展，這給工業生產帶來了更大的契機，在不久的將來，變頻器技術必將進一步推動工業生產的迅速發展，被更為深入的應用于工業生產各個領域。

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