變頻器的應用與選擇

□ 尹世耀

一、變頻器控制原理

變頻器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。我們現在使用的變頻器主要采用交—直—交方式(VVVF變頻或矢量控制變頻)，先把工頻交流電源通過整流器轉換成直流電源，然后再把直流電源轉換成頻率、電壓均可控制的交流電源以供給電動機。

各生產廠家生產的通用變頻器，其主電路結構和控制電路并不完全相同，但基本的構造原理和主電路連接方式以及控制電路的基本功能都大同小異。通用變頻器的內部電路主要分為四個部分:一是整流部分，把交流電壓變為直流電壓。二是逆變部分，把直流電又轉換成三相交流電，這種逆變電路一般是利用功率開關元件按照控制電路的驅動、輸出脈沖寬度被調制的pwm波，或者正弦脈寬調制spwm波，當這種波形的電壓加到負載上時，由于負載電感作用，使電流連續化，變成接近正弦形波的電流波形。三是中間直流環節，由于逆變器的負載為異步電動機，屬于感性負載。無論電機處于電動或發電制動狀態，其功率因素總不會為1。因此在中間直流環節和電動機之間總會有無功功率的交換。這種無功能量要靠中間直流的儲能元件(電容器或電抗器)來緩沖。所以又常稱中間直流環節為中間直流儲能環節。四是控制電路，是用來產生輸出逆變橋所需要的各驅動信號，這些信號是受外部指令決定的，有頻率、頻率上升下降速率、外部通斷控制以及變頻器內部各種各樣的保護和反饋信號的綜合控制等。控制的方法可以采用模擬控制或數字控制。高性能的變頻器面目已經采用微型計算機進行全數字控制。采用盡可能簡單的硬件電路，主要靠軟件來完成工能，由于軟件的靈活性，數字控制方式常可以完成模擬控制難以完成的功能。

二、變頻器的額定值和技術指標

(一)輸入側的額定值。中、小容量通用變頻器輸入側的額定值主要指電壓和相數。在我國，輸入電壓的額定值(指線電壓)有3相380V、3相220V(主要是進口變頻器)和單相220V(主要用于家用電容小容量變頻器)三種。此外，輸入側電源電壓的頻率一般規定為工頻50Hz或60Hz。

(二)輸出側的額定值。一是輸出電壓UN。由于變頻器在變頻的同時也要變壓，所以輸出電壓的額定值是指輸出電壓中的最大值。二是輸出電流IN。指允許長時間輸出的最大電流，是用戶在選擇變頻器時的主要依據。

(三)輸出容量。以變頻器輸出的視在功率(KVA)表示，是指額定輸出電流與電壓的三相視在功率。

(四)瞬時過載能力。過載能力是以過電流與變頻器的額定電流之比的百分數(%)表示的反復使用時必須等待變頻器和電機降到100%負荷時的溫度以下。

(五)變頻器的防護等級。IP(INTERNATIONALPROTECTION)防護等級系統是由IEC(INTERNATIONALELECTROTECHNICALCOMMISSION)所起草。將電器依其防塵防濕氣之特性加以分級。這里所指的外物含工具，人的手指等均不可接觸到電器內之帶電部分，以免觸電。IP防護等級由兩個數字組成，第1個數字表示電器離塵、防止外物侵入的等級，即對外來固體物體的防護;第2個數字表示電器防濕氣、防水侵入的密閉程度，數字越大表示其防護等級越高，也即對水的防護。

三、變頻器的選擇

通用變頻器的選擇，包括變頻器類型的選擇和容量的選擇。選擇變頻器規格時應注意根據要求采用合適的選擇方式和計算公式，根據工程實際情況確定具體調速方案，包括逆變器與電機的對應關系、整流器與逆變器的對應關系(是否采用成組驅動)、制動部分的結構方式及配置規模、采用哪種控制方式等等。在選用變頻器時，用戶通常都要查看該型號變頻器的產品資料，每一個品牌的變頻器都有多種規格型號供選擇，一般通用變頻器的技術數據分為型號及定貨號、額定輸入/輸出參數、控制方式等，其中包括一些控制精度、控制參數、顯示模式參數、保護特性參數及環境參數等五大類。

根據控制功能將通用變頻器分為三種類型。普通功能型U/F控制變頻器，具有轉矩控制功能的高性能型U/F控制變頻器和矢量控制高性能變頻器。

變頻器的選擇要根據負載的要求進行。負載的分類，人們在實踐中常將生產機械分為三種類型:恒轉矩負載、恒功率負載和風機、水泵負載。風機、泵類負載:在各種風機、水泵、油泵中，隨葉輪的轉動，空氣或液體在一定的速度范圍內所產生的阻力大致與速度n的2次方成正比。隨著轉速的減小，轉矩按轉速的2次方減小。這種負載所需的功率與速度的3次方成正比。恒轉矩類負載:例如擠壓機、攪拌器、傳送帶、廠內運輸電車、起重機的平移機構等。恒功率負載:機床主軸和軋機、造紙機塑料薄膜生產線中的卷取機、開卷機等要求的轉矩，大體轉速成反比，這就是所謂的恒功率負載。風機、泵類負載，低速下負載轉矩較小，通常可以選擇普通功能型。

為了實現恒轉矩的調速常采用加大電動機和變頻器的容量的辦法，以提高低速轉矩，如果采用具有轉矩控制功能的高功能型變頻器以實現恒轉矩負載的調速運行，轉矩負載下的傳動電動機，如果采用通用標準電動機，和工頻電源比較，損耗將有所增加，低速耐冷卻時效果變差，電機溫升將增加。因此低速時應降低電機的負載力矩。電機高速運行時(60Hz以上)電動勢平衡及軸承特性等改變，所以考慮低速下的強迫通風冷卻。新設備投產，可以考慮專為變頻調速設計的加強了絕緣等級并考慮了低速強迫通風的變頻專用電動機。

輕載電動機時變頻器的選擇，電動機的實際負載比電動機的額定輸出功率小時，多認為可選擇與實際負載相稱的變頻器容量，但是對于通用變頻器，即使實際負載小，使用比按電機額定功率選擇的變頻器容量小的變頻器并不理想，這主要是由于以下原因:一是電機在空載時也流過額定電流的30%～50%的勵磁電流。二是起動時流過的起動電流與電動機施加的電壓、頻率相對應，而與負載轉矩無關，如果變頻器容量小，此電流超過過流容量，則往往不能起動。三是電機容量大，則以變頻器容量為基準的電機漏抗百分比變小，變頻器輸出電流的脈動增大，因而過流保護容量動作，往往不能運轉。四是電機用通用變頻器起動時，其起動轉矩同用工頻電源起動相比多數變小，根據負載的起動轉矩特性，有時不能起動。另外，在低速運轉區的轉矩有比額定轉矩減小的傾向，用選定的變頻器和電機不能滿足負載所要求的起動轉矩和低速區轉矩時，變頻器和電機的容量還需要再加大。

四、結語

綜上所述，變頻器的正確選擇對于控制系統的正常運行是非常關鍵的。選擇變頻器時必須要充分了解變頻器所驅動的負載特性。在設計、安裝、使用變頻器時一定要遵從變頻器使用說明書的指導并且結合自身設計系統容量的需求大小，才可以做到避免小馬拉大車或變頻器容量上的浪費。

［1］吳啟紅主編．變頻器、可編程控制器及觸摸屏綜合應用技術實操指導書［M］．北京:機械工業出版社，2007

［2］韓安榮．通用變頻器及其應用［M］．北京:機械工業出版社，2000，第2 版

［3］孟曉芳，李策，王鈺等編．西門子系列變頻器及其工程應用［M］．北京:機械工業出版社，2008

［4］王廷才主編．變頻器原理及應用［M］．北京:機械工業出版社，2005