变频器的原理及应用优选稿

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变频器的原理及应用

沈阳飞机工业（集团）有限公司

动力处

范晓黎

摘要

由于变频调速有显着的优点，具有无冲击启动和软停机的优良控制特性，可极大的延长机械设备的使用寿命，减少设备的维护量;随着新型电力电子器件和高性能微处理器的应用以及控制技术的发展，变频器的性能价格比越来越高、体积越来越小、运行可靠性越来越高，应用越来越广泛，选择合理的变频器对于设备的正常运行非常重要。

关键词：变频器、使用寿命、合理选择

一、变频器的原理

近年来，随着电力电子技术、微电子技术及大规模集成电路的发展，生产工艺的改进及功率半导体器件价格的降低，变频调速越来越被工业上所采用。

1变频器的工作原理

交流电动机的同步转速表达式为：

n＝60f(1－s)/p

N—异步电动机的转速；f—异步电动机的频率；S—电动机转差率；P—电动机极对数。

由式公式可知，转速n与频率f成正比，只要改变频率f即可改变电动机的转速，当频率f在0～50Hz的范围内变化时，电动机转速调节范围非常宽。变频器就是通过改变电动机电源频率实现速度调节的，是一种理想的高效率、高性能的调速手段。

所谓变频调速器——它将三相工频（50Hz）交流电源（或任意电源）变换成三相电压可调、频率可调的交流电源，有时又将变频调速器称为变压变频装置VVVF。主要用于交流电动机（异步机或同步机）转速的调节。一个交流电动机变频调速系统由变频调速器驱动

器、交流电动机和控制器三大部分组成。其中关键核心设备是变频调速器，由它来实现电动机电压和频率的平滑变化。

变频调速在调频范围、静态精度、动态品质、系统效率、完善的保护功能、容易实现自动控制和过程控制等诸方面是以往的调压调速、变极调速、串级调速、滑差调速和液力耦合器调速等无法比拟的。它是公认的交流电动机最理想最有前途的调速方案，代表今后电气传动的发展方向。

二、变频器结构和分类

变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置，能实现对交流异步电机的软起动、变频调速、提高运转精度、改变功率因数、过流/过压/过载保护等功能。

2.1变频器的结构

（1）主要由主电路(包括整流器、中间直流环节、逆变器)和控制电路组成。

整流器：将交流电变换成直流的电力电子装置，其输入电压为正弦波，输入电流非正弦，带有丰富的谐波

中间直流环节：中间直流储能环节，在它和电动机之间进行无功功率的交换。

逆变器：将直流电转换成交流电的电力电子装置，其输出电压为非正弦波，输出电流近似正弦

控制电路：常由运算电路、检测电路、控制信号输入/输出电路和驱动电路组成。主要任务是完成对逆变器的开关控制、对整流器的电压控制以及完成各种

保护功能等，其控制方法可以采用模拟控制或数字控制。目前许多变频

器已经采用微机来进行全数字控制，采用尽可能简单的硬件电路，靠软

件来完成各种功能。

通过改变电源的频率来达到改变电源电压的目的，根据电机的实际需要来提供其所需要的电源电压，进而达到节能、调速的目的。

2.2变频器的分类

1、按调制方式分

(1)PAM(脉幅调制)在整流电路部分对输出电压幅值进行控制，而在逆变电路部分对输出频率进行控制的控制方式。

(2)PWM(脉宽调制)保持整流得到的直流电压大小不变的条件下，在改变输出频率的同时，通过改变输出脉冲的宽度，来达到改变等效输出电压的一种方式。

2、按工作原理分

（1）V/F控制对变频器的频率和电压同时进行调节

（2）矢量控制将交流电机的定子电流分解成磁场分量电流和转矩分量电流并分别加以控制的方式

（3）直接转矩控制把转矩作为控制量，直接控制转矩，是继矢量控制变频调速技术之后的一种新型的交流变频调速技术。

3、按用途分

（1）通用变频器能与普通的笼式电动机配套使用，能适应各种不同性质的负载并具有多种可供选择功能。

（2）高性能专用变频器对控制要求较高的系统(电梯、风机水泵等)，大多采用矢量控制方式。

（3）高频变频器高速电动机配套使用

4、按变换环节分

（1）交-交变频器把频率固定的交流电直接变换成频率和电压连续可调的交流电。无中间环节，效率高，但连续可调的频率范围窄。

（2）交-直-交变频器先把交流电变成直流电，再把交流电通过电力电子器件逆变成直流电。优势明显，目前广泛采用的方式

5、按直流环节的储能方式分

（1）电流型中间环节采用大电感作为储能环节，无功功率将由该电感来缓冲。再生电能直接回馈到电网。

（2）电压型中间环节采用大电容作为储能环节，负载的无功功率将由它来缓冲。无功能量很难回馈到交流电网。

三、变频器选型原则

考虑变频器运行的经济性和安全性，变频器选型保留适当的余量是必要的。要准确选型，必须要把握以下几个原则：

（1）充分了解控制对象性能要求。一般来讲如对启动转矩、调速精度、调速范围要求较高的场合则需考虑选用矢量变频器，否则选用通用变频器即可

（2）了解负载特性，如是通用场合，则需确定变频器是G型还是P型

（3）了解所用电机主要铭牌参数：额定电压、额定电流。

（4）确定负载可能出现的最大电流，以此电流作为待选变频器的额定电流。如果该电流小于适配电机额定电流，则按适配电机选择对应变频器，考虑成本因素

（5）以下情况要考虑容量放大一档：

1、长期高温大负荷

2、异常或故障停机会出现灾难性后果的现场

3、目标负载波动大

4、现场电网长期偏低而负载接近额定

5、绕线电机、同步电机或多极电机（6极以上）

充分了解各变频器支持的选配件是正确选配的基础。对于变频器的选配件选配，必须要把握以下几个原则：

1、以下情况要选用交流输入电抗器、直流电抗器

（1）民用场合，如：宾馆中央空调、电机功率大于55KW以上

（2）电网品质恶劣或容量偏小的场合

（3）如不选用可能会造成干扰、三相电流偏差大，变频器频繁炸机

2、以下情况要选用交流输出电抗器

变频器到电机线路超过100米（一般原则）

3、以下情况一般要选用制动单元和制动电阻

（1）提升负载

（2）频繁快速加减速

（3）大惯量（自由停车需要1min以上，恒速运行电流小于加速电流的设备）

四、变频器在实际应用中

（1）变频器在风机中的应用

风机主要对应的是锅炉的鼓引风机，我们锅炉是链条炉，链条炉主要的控制对象是有炉排转速度、鼓风机调节、引风机调节、锅炉水位调节。主要是这些调节参数，其中风的控制对锅炉的燃烧效率，至关重要，以前风机调节使用的风门配合电动执行器调节，缺点是结构复杂，浪费能源。变频器的优点是：风机调节系统结构简单、对电机的保护全面、节约能源。总的降低运行维护成本。

（2）变频器在水泵中的应用

水泵主要对应的是恒压供水系统，已经在民用、工业中得到广泛的应用，优点是可以减少人员的劳动强度，根据水压的变化自动的调节水泵负载电机的工作，提升或降低负载。属于闭环控制系统。当水量需求量变大的时候增加频率，增加供水量。当需求量变小的时候降低频率，减少供水量。实现闭环系统的自动调节。可以达到节能的效果，还可以延长机械设备的使用寿命。降低运行和维护费用，节约成本。

结论：变频器调速相对于其他调速方式有明显的优点，可以对电机更加全面的保护，由于使用变频器调试的系统机械结构简单，所以机械损耗和故障也很少，可以说只要根据负载的情况选择合适的变频器就可以构造一个稳定、经济、合理的电机调速系统。

参考文献：[1]王廷才.变频器原理及应用[M].机械工业出版社，2005. [2]张选正，张金远.变频器应用经验[M].国电力出版社，2006. [3]吴忠智，吴加林.变频器应用手册[M]，机械工业出版社，2007.