变频器应用研究

晁亚东　杜奇超　晁代坤

[摘 要] 文章简述变频器工作原理及相关性能，对变频器应用中的注意事项以及如何根据负载的性质来选用变频器进行论述。

[关键词] 变频器；负载性质

[作者简介] 晁亚东，河南安阳钢铁公司销售公司设备科助理工程师，研究方向：冶金自动化，河南 安阳，455004；杜奇超，河南安阳钢铁公司第一炼轧厂电气科高级工程师，研究方向：冶金自动化，河南 安阳，455004；晁代坤，河南安阳钢铁公司技术中心工程师，研究方向：冶金自动化，河南 安阳，455004

[中图分类号] TM43 [文献标识码] A [文章编号] 1007-7723（2013）03-0019-0002

异步电动机是现代化生产的主要传动设备，对于在工业应用中占比例很高的风机泵类负载来说，其轴功率基本恒定不变，通常情况下要通过安装在流体管路上的机械挡板或控制阀的开口度来实现相应介质的流量压力调节，这样一来就会出现电机的输出功率虽然很大，但是实际的介质流量却很小，将带来较大的不合理用能，经济效果极差。随着20世纪80年代德国人发明的矢量控制技术的日益完善及其在变频调速领域的成功应用，采用变频调速技术对传统运行的恒速三相异步电动机进行控制改进就成了许多行业合理用能、降低生产成本、提高设备运转效率的技术手段。

一、电机调速原理

三相异步电机的转速公式：n=60 f（1-s）/p （1） 式中 n——电机的转速； f——电源频率； s——电动机转差率； p——电动机极对数。 由式（1）可知，要改变转速n有三种方式：变极调速，只能实现有级调速，电机结构比较复杂，只有需要简单调速的场合才应用；变转差率调速，这一方法对于绕线异步电机，比较合适，因为可以通过电机转子的滑环接入适当的电动势，从而实现在一定范围内的速度调节；变频率调速，因转速n与电源频率f成正比，不同的频率f即对应不同的转速，频率f在一定范围改变时，电动机就能获得相应范围转速变化。

二、变频调速

变频调速技术就是通过一套特殊的装置改变工频（我国为50Hz）电源的频率，而这一变频电源加在电机定子绕组后，在定转子间的气隙中就能产生转速可变的旋转磁场，通过电磁感应，在转子回路出现感应电流，这一电流与旋转磁场相互作用，产生可变的转矩，从而实现对电机的速度调节，这个特殊装置就是变频器。变频器在结构上分为：交—直—交型、交—交型。交—交型变频器通常用在低速大容量的传动系统，而对于中小容量且高速的传动系统一般采用交—直—交型的通用变频器。交—直—交型变频器的工作原理是将50Hz交流电通过大功率的二极管整流器转换成直流电，该直流电加在由大电容或大电感组成的直流环节上起到滤波、直流储能和缓冲无功的作用，通过了中间环节的稳恒直流电，再供给大功率开关管IGBT组成的逆变桥式电路，这一逆变电路就能把稳恒直流电变换成为电压频率可以变化的交流电，加载到电动机定子绕组。

三、变频器的选择

1. 变频器类型选择根据功能不同变频器可分为三种类型：普通功能型U/f控制变频器、具有转矩控制功能的高功能型U/f控制变频器、矢量控制高性能变频器，要根据负载的要求来进行合理选择。

（1）风机、泵类负载，低速下负载转矩较小，通常可以选择普通功能型。

（2）恒转矩类负载，对于传送带、提升机、搅拌机等为了实现宽范围的转速调节，往往需要增加变频器输出电压来提高深幅调速时的电机驱动转矩，具有转矩提升能力的变频器就能取得理想的控制效果，大部分厂家提供的通用型高性能变频器都具备低频转矩提升和机械性能上的“挖土机”特性，传动系统鲁棒性好等特点，从实际运行效果看，这种变频器的性价比还是相当令人满意的。

（3）对于轧钢、造纸这一类对动态性能要求较高的负载，原来多采用直流传动，当前，矢量控制型变频器已经通用化，加之笼型电动机具有坚固耐用、维护量小、价格便宜等优点，对于要求控制精度高、动态响应快的负载，采用矢量控制高性能型通用变频器是一种很好的控制方案。

2. 变频器外围设备选择选用外围设备通常是为了改善变频器的应用性能，对整个传动链的执行器和负载进行保护，同时减小变频电源的高次谐波对电网和其他电气设备的影响。

（1）电源变压器电源变压器用于将高压电源变换到通用变频器所需的电压等级，比如200V量级 400V量级，变压器容量的参考值通常取变频器额定容量的130%左右。

（2）受电侧负荷开关用于变频器主回路交流电的接通和关断，当系统出现过流短路和三相不平衡时能瞬时切断电源，将事故限制在较小的范围。大多数况下采用自动空气开关，当对保护时间有严格要求的场合需要采用快速熔断器进行保护。

（3）电磁接触器用于电源的开闭，在变频器保护动作时切断电源。对于电网停电后复电，可以防止自动再投入，以保护人身和设备安全。

（4）交流电抗器用于输入的交流电抗器主要抑制变频器输入侧的谐波电流，提高整个电气系统的实际功率因数，通常以采用为好。 输出电抗器用于改善变频器输出电流的波形，减少电动机的噪声，一般情况下采用。

（5）制动单元及电阻用于吸收负载制动时产生的电能，对于行车提升机等位能性负载下放时，实现再生发电运行，可以做到能源的合理利用。

四、结 语

随着变频器的控制功能的日益完善，相信今后变频器在现代化生产中必将发挥越来越重要的作用，会得到更加广泛的应用。