淺談變頻器的原理及應用

韋升楊

（燕京啤酒（玉林）有限公司，廣西 玉林537000）

1 引 言

變頻器的產生，可以滿足現代化工業產生的需求，對于開創智能化生產時代具有重要的促進作用。變頻器能夠打破傳統電機定速運行的方式，使得電機無需做出任何過多改動情況下，即可根據生產工藝所需的轉速及扭矩調整輸出，以此達到降低電機能耗，提高生產系統運行效率的作用。現階段，變頻器已經在我國各領域得到廣泛應用，如機械制造交工、冶金、水電等，此外在小型機械中也得到了應用，如電梯、攪拌機及研磨機等設備，不僅為各企業創造豐富經濟利益，還解決企業制造生產及加工過程中所遇到的難題。

2 變頻器的原理分析

2.1 原理分析

變頻器通過內置電力半導體器件所產生的通斷作用，可將工頻電源轉變為另外一種頻率，結合變頻驅動技術達到控制交流電機運行電壓過程中的頻率及幅度，其主要功能見示意如圖1。

圖1 變頻器功能示意圖

變頻器的工作原理是將工作頻率交流電源通過內置設備轉換為頻率可調節性的電源設備，根據交流電機所涉及到的同步轉速公式：N=60f/p，其中N 為電機同步轉速，f 為電源頻率，P 為電機極對數。因此，只需要改變頻率便可控制電機的轉速。變頻器的原理主要根據此公式進行研發的電源變換設備，雖然變頻器的種類很多，但所有的工作原理基本相同，只有特別專用型的變頻器會根據設備的性質，研發具有制定特性的變頻器。如在常規變頻器設備基礎上，增加特定功能以滿足電機運行需求。

2.2 變頻器產品的主要類型及原理

（1）電流源型。電流源型的變頻器產品在直流部分通過電抗器存儲能量，目前技術主要以7.2kV輸出電壓為主，因此能夠滿足我國大部分群體對變頻器的要求。此類變頻器產品在輸入側的功率因素相對較低，所以電抗器極易出現發熱量高的現象，效率與電壓型變頻器相比較低。在設計方面為直流控制，因此輸出濾波較為麻煩，對電機的要求也會很高。雖然它具有可回饋能量的獨特優勢，但是電機運行時需要回饋能量的負載不是很多，因此逐漸在市場經濟中失去競爭力。

（2）單元串聯多電平型。此類變頻器產品主要通過多個低壓功率單元，以串聯形式實現高壓輸出，在輸入側運用降壓變壓器移相方式操作，以此降低電機運行過程中對電網的諧波污染。單元串聯多電平型變頻器的輸出測以多電平正弦PWM 技術，所以能夠使用任何電壓的普通電機。即便當某個單元出現故障事故時，它能夠自動化退出系統而其他單元則可繼續工作，避免因變頻器故障停機所造成損失，所以此類變頻器產品具有很強的市場競爭力。

（3）三電平型。鉗位電路是三電平型變頻器產品的主要工作方式，可以解決兩只功率器件所產生的串聯問題，使相電壓輸出具備三個電平。雖然此類型變頻器結構相對簡單，以電壓源型結構為主，但是能量回饋效果顯著。在國內變頻器市場領域內，此類變頻器產品最大技術難題便是電壓問題，因為需要考慮實用性特點，再結合產品結構進行設計后，最大輸出電壓一般在6kV 左右。為了增強此類變頻器產品的靈活性，只有改變電機電壓或在輸出側進行升壓操作，此弊端對應用推廣具有較大限制性。

3 變頻器的應用分析

3.1 充分考慮功率與電流因素

通常情況下，變頻器的過載能力弱于電機，若電機出現過載現象，那么首先損壞的大概率是變頻器，只有部分變頻器會具有完善的保護功能才能夠幸免于此。又如在應用變頻器時，選用的電機功率大于實際的機械負載功率，那么用戶極有可能會將機械功率調節以達到電機的功率，那么變頻器必須能夠勝任此項工作，即應用的變頻器功率必須要大于等于電機功率。有些特殊的電機額定電流值不會處于常規標準附近，如額定電壓低但額定電流偏大，此時所應用的變頻器額定電流應當大于等于電機的額定電流，因此變頻器在應用過程中必須要充分考慮到功率與電流的影響因素。

3.2 理清變頻器調速與機械變速之間的關系

變頻器在應用過程中，絕不可將機械變速調整為相同功率的變頻器變速，通過公式可知功率是扭矩與轉速的乘積。變頻器扭矩—轉速曲線如圖2 所示，當低于額定頻率時，機械會處于恒轉矩運行狀態，電機不可提高輸出轉矩，但當高于額定頻率時，轉速將會逐漸升高而轉矩出現下降。圖2 中的曲線3 一般為風機或水泵，曲線2 一般為傳送帶以恒轉矩負載運行，曲線2 與曲線3 在電機低或者額定頻率運行時，負載力矩并沒有增加，因此需要根據電機功率大小選擇合適的變頻器進行應用。曲線1 為恒功率負載，主要以機械機床為主，當轉速較低時轉矩會增加，但是當變頻器與電機低于額定功率時，通過的電流會被限制，因此不會增加力矩，當變頻器調低電機轉速會出現電機無法帶動負載的現象，只有當理清調速與變速之間的關系才能夠提高變頻器的應用效果。

圖2 不同負載下的機械特性

3.3 根據應用要求選擇合適型號

電頻器在應用過程中需要根據要求選擇合適型號，通常會考慮外界環境條件、電網電壓設置情況及機械負載大小與性質。若環境溫度相對較高，那么安裝至通風性能較差的機柜內將會極大縮短變頻器的使用壽命，內部電子器件當高于額定溫度后，性能將會顯著降低，因此環境溫度必須保持相對較低狀態，并且安裝完善的通風冷卻系統保障變頻器的穩定運行。此外，還可以選擇稍高容量等級的變頻器，以確保在額定運行時變頻器溫度會有所下降。

變頻器在應用過程中，必須保證電網電壓處于正常狀態，若出現極大波動將會有損變頻器的壽命，甚至會直接使變頻器報廢。如當380V 升至450V 時將會損壞變頻器，因此在應用時需要根據使用手冊確定變頻器的應用場合，并且對變頻器型號做出適當調整，以確保變頻器運行過程中的安全性及穩定性。有些高海拔地區在應用變頻器時，空氣密度相對較低因此散熱器難以達到預期的散熱效果，通常情況下在1000m 以上區域，隨著海拔增高必須對容量等級進行調整，以降低變頻器過熱反應。由此可見，需要加強對變頻器應用要求分析，以選擇合適型號的變頻器提高運行效果。

4 結 語

隨著我國電子技術快速發展，變頻器行業應當加強研究以適應發展需求，不斷優化變頻器的各項性能。因此，需要加強對變頻器工作原理及應用的研究，提高變頻器應用的針對性及有效性，以促進行業發展。