交流變頻調速技術詳解

交流變頻調速是近幾十年來發(fā)展起來的新技術，以其卓越的調速性能、顯著的節(jié)電效果以及在國民經濟各領域的廣泛適用性，而被公認是一種最有前途的調速方式。

變頻技術

變頻技術是一門能夠將電信號的頻率,按照具體電路的要求，而進行變換的應用型技術。

其主要類型有以下幾種：??

交—直變頻技術（即整流技術）

直—直變頻技術（即斬波技術）

直—交變頻技術 （電子振蕩，電力逆變）

交—交變頻技術（即移相技術）?

變頻器

變頻器是將固定頻率的交流電變換成連續(xù)可調的交流電的裝置。英文簡稱VVVF ( Variable ? Voltage VariableFrequency），可以是交-直-交，也可以是交-交變頻技術。變頻器的控制對象是三相交流異步電機和三相交流同步電機。無論哪種形式都是電能不變化為其他形式的能量，而只是頻率的變化。

變頻器的問世，使電氣傳動發(fā)生了一場技術革命，使交流調速取代了直流調速。

變頻器工作原理

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，能實現對交流異步電機的軟起動、變頻調速、提高運轉精度、改變功率因數、過流/過壓/過載保護等功能。?

交流低壓交直交通用變頻器系統(tǒng)框圖

變頻器的結構主要有：

主電路(包括整流器、中間直流環(huán)節(jié)、逆變器)和控制電路組成。

整流器：將交流電變換成直流的電力電子裝置，其輸入電壓為正弦波，輸入電流非正弦，帶有豐富的諧波。

中間直流環(huán)節(jié)：中間直流儲能環(huán)節(jié)，在它和電動機之間進行無功功率的交換。逆變器：將直流電轉換成交流電的電力電子裝置，其輸出電壓為非正弦波，輸出電流近似正弦。

控制電路：常由運算電路、檢測電路、控制信號輸入/輸出電路和驅動電路組成。主要任務是完成對逆變器的開關控制、對整流器的電壓控制以及完成各種保護功能等，其控制方法可以采用模擬控制或數字控制。目前許多變頻器已經采用微機來進行全數字控制，采用盡可能簡單的硬件電路，靠軟件來完成各種功能。?

通過改變電源的頻率來達到改變電源電壓的目的，根據電機的實際需要來提供其所需要的電源電壓，進而達到節(jié)能、調速的目的。

變頻器的分類

1、按調制方式分

(1)PAM(脈幅調制)：在整流電路部分對輸出電壓幅值進行控制，而在逆變電路部分對輸出頻率進行控制的控制方式。

(2)PWM(脈寬調制) ：保持整流得到的直流電壓大小不變的條件下，在改變輸出頻率的同時，通過改變輸出脈沖的寬度，來達到改變等效輸出電壓的一種方式。

2、按工作原理分

（1）V/F控制：對變頻器的頻率和電壓同時進行調節(jié)?

（2）轉差頻率控制：為V/F控制的改進方式

（3）矢量控制：將交流電機的定子電流分解成磁場分量電流和轉矩分量電流并分別加以控制的方式

（4）直接轉矩控制：把轉矩作為控制量，直接控制轉矩，是繼矢量控制變頻調速技術之后的一種新型的交流變頻調速技術。?

3、按用途分

（1）通用變頻器：能與普通的籠式電動機配套使用，能適應各種不同性質的負載并具有多種可供選擇功能

（2）高性能專用變頻器：對控制要求較高的系統(tǒng)(電梯、風機水泵等)，大多采用矢量控制方式

（3）高頻變頻器：高速電動機配套使用?

4、按變換環(huán)節(jié)分?

（1）交-交變頻器：把頻率固定的交流電直接變換成頻率和電壓連續(xù)可調的交流電。無中間環(huán)節(jié)，效率高，但連續(xù)可調的頻率范圍窄。

（2）交-直-交變頻器：先把交流電變成直流電，再把交流電通過電力電子器件逆變成直流電。優(yōu)勢明顯，目前廣泛采用的方式。

5、按直流環(huán)節(jié)的儲能方式分

（1）電流型：中間環(huán)節(jié)采用大電感作為儲能環(huán)節(jié)，無功功率將由該電感來緩沖。再生電能直接回饋到電網。

（2）電壓型：中間環(huán)節(jié)采用大電容作為儲能環(huán)節(jié)，負載的無功功率將由它來緩沖。無功能量很難回饋到交流電網。?

變頻器的選型原則?

考慮變頻器運行的經濟性和安全性，變頻器選型保留適當的余量是必要的。要準確選型，必須要把握以下幾個原則：?

1、充分了解控制對象性能要求。一般來講如對啟動轉矩、調速精度、調速范圍要求較高的場合則需考慮選用矢量變頻器，否則選用通用變頻器即可。

2、了解負載特性，如是通用場合，則需確定變頻器是G型還是P型。

3、了解所用電機主要銘牌參數：額定電壓、額定電流。

4、確定負載可能出現的最大電流，以此電流作為待選變頻器的額定電流。如果該電流小于適配電機額定電流，則按適配電機選擇對應變頻器，考慮成本因素。以下情況要考慮容量放大一檔：

? ?長期高溫大負荷??????

? ?異?；蚬收贤C會出現災難性后果的現場

? ?目標負載波動大???????

? ?現場電網長期偏低而負載接近額定

? ?繞線電機、同步電機或多極電機（6極以上）

5、充分了解各變頻器支持的選配件是正確選配的基礎。對于變頻器的選配件選配，必須要把握以下幾個原則：

（1）以下情況要選用交流輸入電抗器、直流電抗器：民用場合，如：賓館中央空調、電機功率大于55KW以上；電網品質惡劣或容量偏小的場合；如不選用可能會造成干擾、三相電流偏差大，變頻器頻繁炸機

（2）以下情況要選用交流輸出電抗器：變頻器到電機線路超過100米（一般原則）

（3）以下情況一般要選用制動單元和制動電阻：提升負載；頻繁快速加減速；大慣量（自由停車需要1min以上，恒速運行電流小于加速電流的設備）

變頻技術的節(jié)能作用?

1、???變頻節(jié)能：???

為了保證生產的可靠性，各種生產機械在設計配用動力驅動時，都留有一定的富余量。電機不能在滿負荷下運行，除達到動力驅動要求外，多余的力矩增加了有功功率的消耗，造成電能的浪費，在壓力偏高時，可降低電機的運行速度，使其在恒壓的同時節(jié)約電能。????

當電機轉速從 N1 變到 N2時，其電機軸功率 （P）的變化關系如下：?? P2／P1 = （N2/N1）3 ，由此可見降低電機轉速可得到立方級的節(jié)能效果。?

2、???動態(tài)調整節(jié)能：?????

迅速適應負載變動，供給最大效率電壓。變頻調速器在軟件上設有5000次/秒的測控輸出功能，始終保持電機的輸出高效率運行。?

3、???通過變頻自身的V/F功能節(jié)電：?????

在保證電機輸出力矩的情況下，可自動調節(jié)V/F曲線。減少電機的輸出力矩，降低輸入電流，達到節(jié)能狀態(tài)。?

4、???變頻自帶軟啟動節(jié)能：?????

在電機全壓啟動時，由于電機的啟動力矩需要，要從電網吸收 7 倍的電機額定電流，而大的啟動電流即浪費電力，對電網的電壓波動損害也很大，增加了線損和變損。采用軟啟動后，啟動電流可從0 -- 電機額定電流，減少了啟動電流對電網的沖擊，節(jié)約了電費，也減少了啟動慣性對設備的大慣量的轉速沖擊，延長了設備的使用壽命。

5、???提高功率因數節(jié)能：?????

電動機由定子繞組和轉子繞組通過電磁作用而產生力矩。繞組由于其感抗作用。對電網而言，阻抗特性呈感性，電機在運行時吸收大量的無功功率，造成功率因數很低。? ?

采用變頻節(jié)能調速器后，由于其性能已變?yōu)椋????

AC－－ DC －－AC，在整流濾波后，負載特性發(fā)生了變化。變頻調速器對電網的阻抗特性呈阻性，功率因數很高，減少了無功損耗??

根據負載轉速的變化要求，通過改變電動機工作電源頻率達到改變電機轉速的目的，以獲得合理的電機運行工況。在不同的轉速情況下，均保持較高的運行效率，不僅降低了電能消耗，同時能改善啟動性能，保護電機及負載設備免受瞬時啟動的沖擊，延長其工作壽命，還提高電動機和負載設備的工作精確度，實踐證明，變頻技術用于風機、泵類設備驅動控制場合取得了顯著的節(jié)電效果，普遍節(jié)電達到30-50%。?

變頻技術發(fā)展現狀

目前最新前沿變頻技術，分別涉及低電磁噪音、靜音化、專用化、系統(tǒng)化、網絡化、“易于使用”的模式、參數趨勢圖形、內置式應用軟件、分布式應用、參數自調整、功能設置軟件化等技術。

1、低電磁噪音、靜音化

新型通用變頻器除了采用高頻載波方式的正弦波SPWM調制實現靜音化外，還在通用變頻器輸入側加交流電抗器或有源功率因數校正電路APFC，而在逆變電路中采取Soft-PWM控制技術等，以改善輸入電流波形、降低電網諧波，在抗干擾和抑制高次諧波方面符合EMC國際標準，實現所謂的清潔電能的變換。

2、專用化

為更好地發(fā)揮變頻調速控制技術的獨特功能，并盡可能滿足現場控制的需要，派生了許多專用機型。如風機水泵空調專用型、起重機專用型、恒壓供水專用型、數控機床專用型、紡織機械專用型、同步傳送機專用型、挖沙船專用型、拉絲機專用型和空壓機專用型等專業(yè)應用領域的專用機型。

3、系統(tǒng)化

除了發(fā)展單機的數字化、智能化、多功能化外，還向集成化、系統(tǒng)化方向發(fā)展。這些技術的完成可以使變頻器、伺服裝置、控制器及通訊裝置等集成配置，甚至自動化和驅動系統(tǒng)、通訊和數據管理系統(tǒng)都可以像驅動裝置通常嵌入“全集成自動化”系統(tǒng)那樣進行，目的是為用戶提供最佳的系統(tǒng)功能。

4、網絡化

可提供多種兼容的通信接口，支持多種不同的通信協(xié)議，內裝RS485接口，可由個人計算機向通用變頻器輸入運行命令和設定功能碼數據等。

5、“易于使用”的模式

機內固化的“調試指南”會引導你一步一步地填入調試表格，無需記住任何參數，充分體現了易操作性。

6、參數趨勢圖形

參數趨勢圖可適時地顯示各信號的現時運行狀態(tài)，用戶在調試過程中，可隨時監(jiān)控和記錄運行參數。

7、內置式應用軟件

可以內置多種應用軟件，有的品牌可提供多達130余種的應用軟件，以滿足現場過程控制的需要，如PID控制軟件、張力控制軟件、速度級鏈、速度跟隨、電流平衡、變頻器功能設置軟件、通訊軟件等。

8、分布式應用

現代自動化工程趨于分布式方案，這就要求智能化設備必須是模塊化、分布化，并且能與現代機器設備集成。這樣不僅會在生產、機器設備調試和維護方面帶來成本優(yōu)勢，而且為設備擴展帶來高靈活性。

9、參數自調整

用戶只要設定數據組編碼，而不必逐項設置，通用變頻器會將運行參數自動調整到最佳狀態(tài)。

10、功能設置軟件化

功能可以在WINDOWS環(huán)境下設置并下裝，并可以進行數據通訊。

變頻調速這一技術正越來越廣泛的深入到行業(yè)中。它的節(jié)能、省力、易于構成自控系統(tǒng)的顯著優(yōu)勢應用變頻調速技術也是改造挖潛、增加效益的一條有效途徑。尤其是在高能耗、低產出的設備較多的企業(yè)，采用變頻調速裝置將使企業(yè)獲得巨大的經濟利益。

審核編輯：劉清