變頻器的應(yīng)用研究

曹永東(陜西延長中煤榆林能源化工有限公司，陜西 榆林 718500)

0 引言

變頻器是目前用于電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)的主要工具。這一技術(shù)在西方發(fā)達(dá)國家已經(jīng)非常成熟。在西方發(fā)達(dá)國家已實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化，國內(nèi)變頻技術(shù)的使用也是吸收西方國家的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)。變頻調(diào)速實(shí)現(xiàn)了由機(jī)械調(diào)速到純電氣化的智能調(diào)速的跨越，這種調(diào)試設(shè)備不但降低了能源消耗，而且還保持了機(jī)械調(diào)速的性能。

1 變頻器的工作原理

所有變頻器的工作原理基本相同。其主要原理是三相交流電經(jīng)橋式整流變?yōu)橹绷麟?，通過限流電阻給電容充電飽和時(shí)，接觸器吸合，電阻被短接，然后直接充電到變頻器的額定電壓。變頻器的CPU當(dāng)接到啟動(dòng)信號時(shí)，發(fā)出觸發(fā)信號，使驅(qū)動(dòng)電路工作觸發(fā)IGBT，將直流電壓變成頻率可調(diào)的三相交流電，驅(qū)動(dòng)電機(jī)。

2 變頻器的分類

2.1 按直流環(huán)節(jié)的濾波形式分類

電壓源型變頻器。電壓源型變頻器是指直流環(huán)節(jié)的儲(chǔ)能元件是電容器的變頻器，原理圖如圖1所示。

圖1 電壓型變頻器

電流型變頻器。電流源型變頻器是指直流環(huán)節(jié)的儲(chǔ)能元件是電感線圈的變頻器，原理圖如圖2所示。

圖2 電流型變頻器

2.2 按控制方式分類

電壓頻率比控制變頻器。電壓頻率比控制是為了得到理想的轉(zhuǎn)矩—速度特性，基于在改變電源頻率進(jìn)行調(diào)速的同時(shí)，又要保證電動(dòng)機(jī)的磁通不變的思想而提出的，通用型變頻器基本上都采用這種控制方式。

轉(zhuǎn)差頻率控制變頻器。轉(zhuǎn)差頻率控制方式是對電壓頻率比控制的一種改進(jìn)，這種控制需要由安裝在電動(dòng)機(jī)上的速度傳感器檢測出電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，構(gòu)成速度閉環(huán)，速度調(diào)節(jié)器的輸出為轉(zhuǎn)差頻率，而變頻器的輸出頻率則由電動(dòng)機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速與所需轉(zhuǎn)差頻率之和決定。

矢量控制變頻器。矢量控制是一種高性能異步電動(dòng)機(jī)控制方式，是通過矢量坐標(biāo)電路控制電動(dòng)機(jī)定子電流的大小和相位，以便對電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流和轉(zhuǎn)矩電流分別進(jìn)行控制，進(jìn)而達(dá)到控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的目的。無速度傳感器的矢量控制是通過坐標(biāo)變換處理分別對勵(lì)磁電流和轉(zhuǎn)矩電流進(jìn)行控制，然后通過控制電動(dòng)機(jī)定子繞組上的電壓、電流辨識轉(zhuǎn)速以達(dá)到控制勵(lì)磁電流和轉(zhuǎn)矩電流的目的。這種控制方式調(diào)速范圍寬，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，工作可靠，操作方便，但計(jì)算比較復(fù)雜，一般需要專門的處理器來進(jìn)行計(jì)算。

直接轉(zhuǎn)矩控制變頻器。直接轉(zhuǎn)矩控制是繼矢量控制變頻調(diào)速技術(shù)之后的一種新型的交流變頻調(diào)速技術(shù)。它是利用空間電壓矢量PWM(SVPWM)通過磁鏈、轉(zhuǎn)矩的直接控制、確定逆變器的開關(guān)狀態(tài)來實(shí)現(xiàn)的。直接轉(zhuǎn)矩控制還可用于普通的PWM控制，實(shí)行開環(huán)或閉環(huán)控制。

2.3 按使用功能分類

恒轉(zhuǎn)矩變頻器。恒轉(zhuǎn)矩變頻器控制的對象具有恒轉(zhuǎn)矩特性，在轉(zhuǎn)速精度及動(dòng)態(tài)性能等方面要求一般不高，當(dāng)用變頻器實(shí)現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速時(shí)，必須加大電動(dòng)機(jī)和變頻器的容量，以提高低速轉(zhuǎn)矩。恒轉(zhuǎn)矩變頻器主要應(yīng)用于擠壓機(jī)、攪拌機(jī)、傳送帶、提升機(jī)等。

平方轉(zhuǎn)矩變頻器。平方轉(zhuǎn)矩變頻器控制的對象，在過載能力方面要求較低，由于負(fù)載轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的平方成正比，所以低速運(yùn)行時(shí)負(fù)載較輕，并有節(jié)能的效果。平方轉(zhuǎn)矩變頻器主要應(yīng)用于風(fēng)機(jī)、泵類。

2.4 按輸出電壓調(diào)制方式分類

PAM方式。PAM方式的特點(diǎn)是變頻器在改變輸出頻率的同時(shí)也改變了電壓的振幅值。在變頻器中，逆變器負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)輸出頻率，而輸出電壓的調(diào)節(jié)則由相控整流器或直流斬波器通過調(diào)節(jié)直流電壓Ud去實(shí)現(xiàn)。采用相控整流器調(diào)壓時(shí)供電電源的功率因數(shù)隨調(diào)節(jié)深度的增加而變小。采用直流斬波器調(diào)壓時(shí)，供電電源的功率因數(shù)在不考慮諧波影響時(shí)，功率因數(shù)可以達(dá)到1。

PWM方式。PWM方式的特點(diǎn)是變頻器在改變輸出頻率的同時(shí)也改變了電壓的脈沖占空比。PWM只需控制逆變電路便可實(shí)現(xiàn)。通過改變脈沖寬度來改變輸出電壓幅值，通過改變調(diào)制周期可以控制其輸出頻率。這種方式大大減少了負(fù)載電流中的高次諧波。

2.5 按主開關(guān)器件分類

IGBT變頻器。由于IGBT開關(guān)頻率高，可構(gòu)成靜音式變頻器，使電動(dòng)機(jī)的噪聲降到接近正常工頻供電時(shí)的水平。電流波形更加正弦化，減小了電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，且低速轉(zhuǎn)矩大。用于矢量控制時(shí)，響應(yīng)更快。比同容量的BJT變頻器體積小，重量輕。

SCR變頻器。SCR變頻器屬于電壓源型，具有不選擇負(fù)載的通用性，在不超過變頻器容量條件下，可以多電動(dòng)機(jī)并聯(lián)運(yùn)行。在確保換流能力足夠的條件下，過負(fù)載能力較強(qiáng)。多重化連接時(shí)，既可以改善波形又可以實(shí)現(xiàn)大容量化。

BJT變頻器。與SCR變頻器相比，BJT變頻器不需要換流電路，體積小、重量輕、開關(guān)效率高，適用于高頻變頻和PWM變頻，適用于矢量控制，響應(yīng)較快。

GTO變頻器。與BJT變頻器相比，GTO變頻器的電壓、電流等級高，適合于高壓、大容量應(yīng)用場合。與SCR變頻器相比，開關(guān)頻率高，可進(jìn)行PWM控制，低速特性有很大提高，與SCR變頻器相比，其還具有主回路簡單，體積小，重量輕和效率高的特點(diǎn)。

3 變頻器的選型

3.1 根據(jù)負(fù)載的要求選擇變頻器

恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載。變頻器的容量一般根據(jù)電動(dòng)機(jī)的容量來進(jìn)行選擇，一般按照電動(dòng)機(jī)功率的1.1～1.5倍來選擇。

平方轉(zhuǎn)矩負(fù)載。平方轉(zhuǎn)矩負(fù)載一般對變頻器轉(zhuǎn)速精度沒有什么太高要求，因此在選型時(shí)可選用普通型變頻器，通常以性價(jià)比為主要原則，無需選用矢量控制等高精度控制的變頻器。

恒功率負(fù)載。當(dāng)電動(dòng)機(jī)達(dá)到特定速度段時(shí)，按恒轉(zhuǎn)矩運(yùn)行；超過特定速度時(shí)，按恒功率運(yùn)行。恒功率運(yùn)轉(zhuǎn)主要應(yīng)用于卷揚(yáng)機(jī)、機(jī)床主軸。

3.2 根據(jù)相關(guān)參數(shù)選擇變頻器

最大瞬間電流。變頻器容量選擇的基本原則是：在生產(chǎn)工藝所要求的各種工況下能長期運(yùn)行，最大負(fù)載電流不能超過變頻器的額定電流，大多數(shù)變頻器都規(guī)定為額定電流的150%、1 min[1]。

輸出頻率。變頻器的最高輸出頻率一般有50 Hz、60 Hz、120 Hz、240 Hz或更高。一般 50 Hz/60 Hz 變頻器適合大容量的通用型變頻器。超出工頻的變頻器多為小容量變頻器，由于輸出電壓不變，工頻以上變頻器輸出頻率多為為恒功率特性。

輸出電壓。變頻器輸出電壓可按電動(dòng)機(jī)額定電壓選定。按國家標(biāo)準(zhǔn)，輸出電壓可分成220 V系列和400 V系列兩種。

加減速時(shí)間。變頻器加減速時(shí)間是指變頻器達(dá)到目標(biāo)轉(zhuǎn)速或減至最低轉(zhuǎn)速時(shí)所用的時(shí)間，變頻器加減速時(shí)間的長短和輸出電流相關(guān)。一般情況下，變頻器在加減速過程中，變頻器的輸出電流應(yīng)在130%～150%。因此，在變頻器的加減速過程中變頻器的輸出轉(zhuǎn)矩會(huì)增大。

電壓頻率比。電壓頻率比U/f作為變頻器獨(dú)特的輸出特性，表示對于輸出頻率改變的輸出電壓的變化特性，選擇的變頻器具有合適的電壓/頻率比，可以高效率地利用電動(dòng)機(jī)。如控制泵和風(fēng)機(jī)的電壓/頻率比可以節(jié)能[2]。

調(diào)速范圍。根據(jù)系統(tǒng)的要求，選擇的變頻器必須能覆蓋所需要的速度范圍的控制。因此，變頻器的選擇，要根據(jù)實(shí)際情況，做到既能滿足用戶要求，又能保證變頻器整體選擇的經(jīng)濟(jì)性。

4 變頻器的安裝調(diào)試和日常維護(hù)

4.1 變頻器的安裝環(huán)境

運(yùn)行溫度。變頻器的核心部件是整流和逆變，由于整流器和逆變器都是大功率的半導(dǎo)體元件，在工作過程中發(fā)熱量極大。為了保證變頻器的穩(wěn)定運(yùn)行，變頻器運(yùn)行環(huán)境溫度一般要控制在30 ℃以下。如果安裝在控制柜中時(shí)，須在控制柜的頂部安裝強(qiáng)制散熱風(fēng)扇，如果安裝在室內(nèi)通風(fēng)不良的場所，須增加空調(diào)散熱。變頻器安裝場所溫度變化不能太大，否則變頻器內(nèi)部容易出現(xiàn)凝露現(xiàn)象，導(dǎo)致內(nèi)部絕緣下降，甚至?xí)l(fā)短路事故[3]。

腐蝕性氣體。變頻器使用環(huán)境如果存在腐蝕性氣體，會(huì)使變頻器內(nèi)部的電路板和連接線受到腐蝕，從而造成控制電路短路、絕緣老化、變頻器非正常停機(jī)等故障。

機(jī)械振動(dòng)和沖擊。變頻器的安裝場所如果長期存在機(jī)械振動(dòng)或容易受到機(jī)械撞擊時(shí)，會(huì)引起變頻器內(nèi)部接線松動(dòng)，電氣接觸不良。因此高變頻器一般要安裝在遠(yuǎn)離振動(dòng)源的地方，且要提高外殼機(jī)械強(qiáng)度，同時(shí)還應(yīng)采取加裝抗震橡皮墊等防護(hù)措施。

電磁干擾。變頻器在工作中由于整流和逆變的原因，會(huì)產(chǎn)生很多的高次諧波，這些高次諧波會(huì)對周圍的其他電氣設(shè)備造成一定的干擾。因此，變頻器安裝時(shí)應(yīng)采用有效的抗干擾措施，如采用金屬外殼、設(shè)備可靠接地、加裝輸出電抗器、采用專用屏蔽電纜等，確保干擾電壓控制在合理范圍內(nèi)。如果干擾電壓處理不好，往往會(huì)發(fā)生表計(jì)讀數(shù)不準(zhǔn)、指示燈莫名亮、控制單元失靈或損壞等故障。

4.2 變頻器距離電機(jī)的電纜長度選擇和輻射方法

一般情況下變頻器距離電機(jī)長度越短越好。這樣可有效減少電纜的對地電容。動(dòng)力電纜一般選用變頻專用的六芯屏蔽電纜，控制電纜一般選用雙屏蔽的計(jì)算機(jī)控制電纜。電機(jī)電纜應(yīng)獨(dú)立于其他電纜敷設(shè)，電纜長度最長一般不超過500m。避免電機(jī)電纜與其他電纜長距離平行敷設(shè)。變頻器的控制電纜和電源電纜在敷設(shè)過程中盡量避免發(fā)生交叉，若果必須要交叉，則交叉角最好為 90°角左右。變頻器的動(dòng)力電纜和控制電纜要分開敷設(shè)，如果一定要在一趟電纜橋架里，那必須在橋架中間加裝金屬隔板。

4.3 變頻器配置

變頻器的配置一般有輸入電抗器、整流器、濾波器、逆變器、出線電抗器。輸入電抗器的主要功能是為了阻止變頻器在工作過程中產(chǎn)生的諧波通過電源電纜返送到電網(wǎng)中，造成電網(wǎng)諧波含量增加，電能質(zhì)量下降，影響到電網(wǎng)中的其他用電設(shè)備，輸入電抗器的配置一般根據(jù)變頻器的容量大小來選擇；整流器和逆變器是變頻器的主要功率器件，其作用是通過整流和逆變來改變電源的電壓和頻率。濾波器和輸出電抗器的主要作用是降低輸出電流中的高次諧波含量，一般大容量和長輸出線路的變頻器都應(yīng)該安裝濾波器或輸出電抗器。變頻器的主要保護(hù)功能有斷裂、過負(fù)荷、過力矩、欠電壓等，但變頻器的缺相保護(hù)功能一般不太完美，通?？梢院蛿嗦菲鞯谋Ｗo(hù)功能配合使用。

4.4 變頻器的接地

良好的接地是保證變頻器穩(wěn)定運(yùn)行的必要前提，變頻器的接地要求主要有以下幾方面：一是變頻器的接地電阻不能超過規(guī)范要求，通常不要超過4 Ω，接電線應(yīng)牢固可靠；二是變頻器接地線的橫截面積一般要大于4 mm2，接地線的長度一般不超過不宜超過5 m。且不得與其他電氣設(shè)備的接地互相串接。變頻器控制電纜的屏蔽層須一端接地，另一端懸空。

5 變頻器技術(shù)發(fā)展趨勢

隨著科技的進(jìn)步，微機(jī)控制和人工智能技術(shù)大量的應(yīng)用到工業(yè)生產(chǎn)中，因此未來變頻器的技術(shù)必然會(huì)向微機(jī)自動(dòng)控制和人工智能方向發(fā)展，具體發(fā)展方向如下：采用微機(jī)編碼功能實(shí)現(xiàn)多元化的功能設(shè)置，如：整流和逆變啟動(dòng)、頻率設(shè)置、運(yùn)行方式切換、加減速時(shí)間設(shè)置、轉(zhuǎn)矩設(shè)置、制動(dòng)方式選擇等。利用微機(jī)計(jì)算確定整流、逆變開關(guān)元件的開通和關(guān)斷時(shí)間，使逆變器按輸出標(biāo)準(zhǔn)的正弦波電壓[4]。

通過外部傳感器、內(nèi)部接口電路、微機(jī)計(jì)算機(jī)形成閉環(huán)的調(diào)速控制系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)根據(jù)壓力、流量等外部物理量的變化進(jìn)行自動(dòng)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，結(jié)合變頻器自身完善的保護(hù)功能，從而形成完整的閉環(huán)自動(dòng)控制系統(tǒng)。

變頻器向智能化發(fā)展，利用人工智能技術(shù)實(shí)現(xiàn)在線自診斷和人機(jī)對話，構(gòu)建故障診斷系統(tǒng)，建立強(qiáng)大的數(shù)據(jù)庫，對每一種故障現(xiàn)象進(jìn)行存儲(chǔ)和分析比對，達(dá)到快速準(zhǔn)確診斷故障的目的，而且能在故障發(fā)生前提前預(yù)測發(fā)生故障的可能性，針對性的進(jìn)行預(yù)防性維修。同時(shí)還可以建立變頻器全壽命周期模型，根據(jù)變頻器的不同使用階段自動(dòng)提醒應(yīng)該采取的維護(hù)措施。另外還可以建立變頻器的遠(yuǎn)程維護(hù)專用軟件，與手機(jī)進(jìn)行綁定，通過手機(jī)隨時(shí)觀察變頻器的各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)[4]。

6 結(jié)語

綜上所述，在變頻器的實(shí)際應(yīng)用過程中必須結(jié)合負(fù)載類型、工作環(huán)境、使用要求等選擇合適的變頻器；在安裝調(diào)試過程中要按照變頻器安裝及調(diào)試手冊進(jìn)行安裝；在實(shí)際運(yùn)行維護(hù)過程中嚴(yán)格按照使用說明合理進(jìn)行運(yùn)行維護(hù)，才能確保變頻器的高效穩(wěn)定運(yùn)行。