變頻技術(shù)在職業(yè)教育中教學(xué)內(nèi)容如何選取

王暉

【摘要】隨著變頻器的廣泛應(yīng)用，職業(yè)教育中變頻技術(shù)被列入相關(guān)專業(yè)的必修課程。為滿足培養(yǎng)高技能應(yīng)用型人才的需求，文章結(jié)合多年變頻器的使用經(jīng)驗(yàn)和教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，闡述了職業(yè)教育中變頻器技術(shù)相關(guān)教學(xué)內(nèi)容應(yīng)該如何選取。

【關(guān)鍵詞】變頻器;職業(yè)教育;選取

近年來，變頻技術(shù)在各行各業(yè)的應(yīng)用越來越廣泛，而變頻器安裝、調(diào)試及維護(hù)這方面的技術(shù)人員比較匱乏。很多高職院校和應(yīng)用型本科院校的自動化類、電氣工程類和機(jī)電類專業(yè)都開設(shè)了變頻器原理及應(yīng)用這方面的課程。不同院校在教學(xué)內(nèi)容的選取上有所差異。有的院校理論方面知識內(nèi)容的選擇偏重，學(xué)生學(xué)完后還是不能很好地使用變頻器;有的院校采用教學(xué)做一體化的教學(xué)方式，注重實(shí)踐教學(xué)，訓(xùn)練學(xué)生對變頻器的接線和參數(shù)進(jìn)行設(shè)置的能力，而學(xué)生在學(xué)完變頻器如何選擇和變頻系統(tǒng)如何構(gòu)建方面的知識后還是很茫然。注重實(shí)踐教學(xué)的職業(yè)院校在變頻技術(shù)教學(xué)內(nèi)容的選取時(shí)一般會選取認(rèn)識變頻器的端子、變頻器功能參數(shù)預(yù)置、變頻器的安裝與維護(hù)和變頻器典型應(yīng)用實(shí)例等方面的內(nèi)容，而學(xué)生對變頻器分類和選型這些最基本的內(nèi)容往往容易忽略。下面筆者結(jié)合多年的變頻器應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)和教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，介紹變頻技術(shù)在職業(yè)教育中容易忽略的教學(xué)內(nèi)容該如何選取。

一、變頻器的發(fā)展和分類

在變頻器的應(yīng)用教學(xué)中，首先應(yīng)該選取變頻器發(fā)展和分類這方面的相關(guān)內(nèi)容，內(nèi)容選取應(yīng)結(jié)合實(shí)際。

（一）變頻器的發(fā)展

變頻器發(fā)展方面的內(nèi)容應(yīng)簡單介紹變頻器的由來，國內(nèi)外變頻器的生產(chǎn)廠家及品牌，如西門子、ABB、三菱、安川、臺達(dá)和匯川等。重點(diǎn)介紹市場對變頻技術(shù)的需求情況。目前市場對變頻器的應(yīng)用主要是節(jié)能、提高產(chǎn)品質(zhì)量和工藝水平、改善自動化系統(tǒng)三個(gè)方面的應(yīng)用，特別是交流異步電動機(jī)采用變頻技術(shù)改造后的節(jié)能效果非常顯著，變頻技術(shù)應(yīng)用也是落實(shí)國家節(jié)能減排的具體措施。交流變頻調(diào)速的調(diào)速性能又能和直流電機(jī)的調(diào)速效果相媲美，很多調(diào)速場合選用交流變頻調(diào)速來取代直流調(diào)速，大大降低了電機(jī)的使用成本和對環(huán)境的要求。另外，介紹變頻器未來的發(fā)展方向，一般是向智能、一體、專用和環(huán)保四個(gè)方面發(fā)展。

（二）變頻器的分類

很多教材用了很大篇幅講述變頻器按原理和控制方式來分類，實(shí)際上這些內(nèi)容用處不大，應(yīng)該重點(diǎn)介紹變頻器如何按用途分類。學(xué)生以后在使用變頻器時(shí)通常是根據(jù)實(shí)際的用途來選擇變頻器。變頻器按用途一般分為通用變頻器和專用變頻器兩大類，而通用變頻器各生產(chǎn)廠家基本按高性能和簡易型來分類。目前三菱740系列通用變頻器有矢量重負(fù)載型FR-A740、風(fēng)機(jī)水泵型FR-F740、經(jīng)濟(jì)通用型FR-E740和簡易型FR-D740四個(gè)系列的變頻器，F(xiàn)R-A740屬于高性能的一類，后面三種都可以看作簡易型變頻器。專用變頻器有高性能專用變頻器、高頻變頻器和高壓變頻器三類，如安川電梯專用變頻器L1000A系列可以實(shí)現(xiàn)高性能啟動轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償，使電梯乘坐更加舒適，屬于高性能專業(yè)變頻器。一般通用變頻器輸出頻率雖然已經(jīng)達(dá)到幾百赫茲，如果一些超精密機(jī)械需要異步電動機(jī)幾萬轉(zhuǎn)的高轉(zhuǎn)速時(shí)，可以選用輸出頻率幾千赫茲的高頻專用變頻器。高壓變頻器是專門用在高壓設(shè)備采用變頻器調(diào)速，我國利德華福高壓大功率變頻器在變頻器領(lǐng)域具有一定的影響力。

二、變頻器的選型

變頻器的應(yīng)用應(yīng)從變頻器的選型開始，選好變頻器再根據(jù)控制要求選擇合適的外部器件，構(gòu)成變頻調(diào)速系統(tǒng)。變頻器的選型表面看似簡單，在教學(xué)內(nèi)容選取中也容易被忽略，達(dá)不到職業(yè)教育的目標(biāo)。

（一）變頻器類型的選擇

應(yīng)該根據(jù)變頻器的用途先確定適合的類型，可以某一品牌變頻器為例來介紹如何選擇。如以三菱變頻器為例，如果系統(tǒng)是對調(diào)速性能要求比較高的場合則選擇FR-A740矢量重負(fù)載型，如果是一個(gè)風(fēng)機(jī)或水泵的變頻調(diào)速則選FR-F740風(fēng)機(jī)水泵型。變頻器類型的選擇主要是為了選擇一個(gè)性價(jià)比最高的變頻器。如果系統(tǒng)是高壓系統(tǒng)，一般是要選擇高壓變頻器;如果沒有合適的高壓變頻器，也可以用降壓變壓器和升壓變壓器通過“高-低-高”的形式用低壓變頻器來完成變頻調(diào)速;如果系統(tǒng)需要高頻運(yùn)行，通用變頻器輸出頻率達(dá)不到要求，則選用專用的高頻變頻器。

（二）技術(shù)參數(shù)選擇

變頻器類型確定后就需要選擇變頻器的技術(shù)參數(shù)，變頻器的技術(shù)參數(shù)一般有輸入/輸出電壓、額定電流、額定容量和額定功率（適配電動機(jī)功率）等。在選擇變頻器的時(shí)候首先要選擇的參數(shù)是輸入電壓。對于通用的低壓變頻器，廠家一般提供200V級和400V級兩種系列規(guī)格。通常200V系列輸入電源電壓是單相220V，容量比較小，適合單相電源功率較小的電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng);400V級系列輸入電源電壓是三相380V，容量從小到大應(yīng)用范圍比較廣。電壓選好后，要選擇變頻器的容量，這是變頻器選擇的關(guān)鍵，容量選大了會造成成本的浪費(fèi)，選小了系統(tǒng)不能正常工作甚至?xí)p壞變頻器。在變頻器廠家的產(chǎn)品系列規(guī)格表里面，可以查到有額定容量和額定功率兩個(gè)參數(shù)。額定容量可以看作變頻器帶負(fù)載能力，額定功率是適配的電動機(jī)功率。通常情況下根據(jù)電動機(jī)的功率對照變頻器的額定功率選擇一個(gè)相同等級的即可，一般變頻器的功率系列和交流異步電動機(jī)的系列是一一對應(yīng)的。需要強(qiáng)調(diào)的是，如果電動機(jī)名牌標(biāo)注的額定電流大于變頻器的額定電流，那么選擇變頻器時(shí)就要選擇比電機(jī)功率大一等級的變頻器。如果系統(tǒng)的負(fù)載比較重，電機(jī)容易出現(xiàn)短時(shí)過載或者短時(shí)大轉(zhuǎn)矩這種情況，也需要變頻器容量比電機(jī)容量大一等級。從理論上講，如果電動機(jī)負(fù)載很小，也就是電動機(jī)實(shí)際工作的電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于電機(jī)額定電流時(shí)，可以選擇變頻器的容量比電動機(jī)的容量小，但只能比電機(jī)容量小一個(gè)等級。實(shí)際使用時(shí)為了變頻器的安全可靠，很少采用這種選擇方法，還是按變頻器容量與電動機(jī)一致即可。

三、變頻器外部器件的選擇

變頻器選好之后，根據(jù)系統(tǒng)主電路再選擇一些外部器件，有些器件是必選的，有些是可選的。

（一） 必選器件的選擇

斷路器和接觸器是變頻調(diào)速系統(tǒng)中必選的器件。斷路器在系統(tǒng)中除了起到電源引入、隔離電源的作用外，還起到保護(hù)系統(tǒng)的作用。選擇斷路器時(shí)，如果系統(tǒng)是一個(gè)單純的變頻調(diào)速系統(tǒng)，因?yàn)樽冾l器僅可以短時(shí)承受1.5倍額定電流的過載能力，則選擇斷路器的額定電流大于等于變頻器額定電流的1.3～1.4倍即可;如果系統(tǒng)有變頻/工頻切換功能，則斷路器的容量應(yīng)根據(jù)電動機(jī)的額定電流來選，一般是電動機(jī)額定電流2.5倍以上。接觸器的選擇，有些教材是按照變頻器輸入側(cè)、變頻器輸出側(cè)和工頻運(yùn)行三種情況分別選擇，實(shí)際使用時(shí)根據(jù)電動機(jī)的功率，滿足電動機(jī)的起停要求即可，不需要分三種情況分別選擇。例如一臺7.5KW的水泵， 其額定電流大約15A，如果沒有變頻/工頻切換功能，選擇斷路器時(shí)則可以根據(jù)電動機(jī)的額定電流的1.4倍選用，因此選用額定電流為20A的斷路器即可;如果水泵控制要求需要變頻/工頻切換功能，則根據(jù)電動機(jī)的額定電流的2.5倍選用額定電流為40A的斷路器。兩種情況的差別還是比較大的。接觸器只需考慮電動機(jī)的額定電流。例如選用CJ10-20這一型號的接觸器即可，也就是接觸器主觸點(diǎn)額定電流選用20A，線圈電壓則根據(jù)控制電路實(shí)際電壓來確定。

（二）可選器件的選擇

變頻調(diào)速系統(tǒng)電路中除了必選的器件，還有一些選配器件，如輸入輸出側(cè)的交流電抗器、電源濾波器、直流電抗器、制動電阻和制動單元。首先介紹這些器件在什么情況下要選擇。交流電抗器、直流電抗器和濾波器通常是為了減少干擾或提高功率因數(shù)時(shí)選擇，根據(jù)電動機(jī)或變頻器的容量來選擇即可。重點(diǎn)介紹在什么情況下需要選擇。如輸入側(cè)的交流電抗器選用條件通常有五種：①電源容量超過變頻器容量的10倍以上;②電源中有晶閘管變流器負(fù)載或調(diào)節(jié)功率因數(shù)的電容器;③三相電源電壓不平衡度超過3%;④輸入電流高次諧波使變頻器功率因數(shù)降低到0.75以下;⑤變頻器的功率超過30KW。這五個(gè)條件滿足其中一個(gè)時(shí)，變頻器輸入側(cè)就必須選用交流電抗器。如一臺功率55KW的電動機(jī)功率已經(jīng)超過30KW了，滿足上述第五個(gè)條件，那么就要選用交流電抗器了。因?yàn)樽冾l器容量為55KW，可以直接選用交流電抗器的型號ALC-55，不需要考慮所需電抗器的電感量是多少（ALC-55交流電抗器電感量是0.18mH）。另外，應(yīng)重點(diǎn)介紹制動電阻和制動單元的選擇。首先，制動電阻和制動單元在什么情況下要選擇。像電梯或精密機(jī)床這些對制動有要求的調(diào)速系統(tǒng)就需要選擇，風(fēng)機(jī)和水泵這種自由停機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)就不需要選擇。一般變頻器容量在18.5KW以下的只配制動電阻即可，變頻器容量在18.5KW以上的既要配制動電阻又要配制動單元。在選擇制動電阻時(shí)，既要選擇制動電阻的阻值，又要選擇制動電阻的功率。很多教材的教學(xué)內(nèi)容會提供計(jì)算公式，實(shí)際選擇的時(shí)候計(jì)算公式中的系數(shù)學(xué)生很難把握，計(jì)算出來的結(jié)果往往會差別較大，因此不建議用計(jì)算的方法?？梢愿鶕?jù)電動機(jī)容量對照變頻器廠家提供的制動電阻的參數(shù)表來進(jìn)行選擇即可。參數(shù)表里面提供的電阻功率是個(gè)理論值，如15KW電動機(jī)通過查表需要選配50Ω/4KW的電阻，而功率4KW的電阻市場上不容易買到，選用時(shí)可以用4個(gè)200Ω/1KW電阻并聯(lián)來替代，這種選配方法需要學(xué)生掌握。制動單元的選擇比較容易，只要根據(jù)變頻器容量選配變頻器廠家的制動單元即可。

四、結(jié)束語

變頻器的應(yīng)用技術(shù)在職業(yè)教育內(nèi)容選取上應(yīng)注重結(jié)合具體的變頻器和實(shí)際使用的場合，從變頻器的分類入手，正確選擇一個(gè)合適的變頻器和外部器件，從而更好地學(xué)習(xí)變頻器的安裝調(diào)試和維護(hù)等相關(guān)內(nèi)容，使學(xué)生真正能夠具備變頻技術(shù)的應(yīng)用能力，滿足職業(yè)教育培養(yǎng)高技能應(yīng)用型人才的教學(xué)要求。

【參考文獻(xiàn)】

[1]王延才.變頻器原理及應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2015.