电力电子技术在变频器中的应用

徐莉

摘 要

随着时代的进步，要求工业企业在生产的同时，要注意能耗的降低，这不仅仅是成本的下降，也是对社会资源的合理利用和减排的要求。目前进行节能的重要手段之一，就是利用电力电子中的变频技术对电能进行处理。利用该技术，可使交流电机高效运行，达到节电效果。

【关键词】电力电子技术 变频器 节能

电力电子技术是研究利用电力电子器件实现电能变换和控制的电路，简单地说其作用就是能优化电能，把粗电变成负载需要的精电。具有高效、节能、省材的特点，是实现弱电控制强电的桥梁。电力电子电路有 AC —DC（交流—直流）、 DC — DC（交流—交流）、 DC — AC（直流—交流）、AC — AC（直流—直流）四种类型，可以进行变流、能量变换。电力电子技术的应用之一就是变频调速。变频器主要用于电机调速，应用后其节能效果显著，并大大减少了对原材料的消耗。

1 电机调速的方法

由电机调速基本公式：n = 60 f （1-s）/ P

n：转子转速

f：电机供电频率

s：（n0-n）/n0转差率

P：电机极对数

可知电机的调速方式有三种：

1.1 改变P，即变极调速

通过改变定子绕组的接线方式来改变笼型电动机定子极对数来达到调速目的。由于定子绕组的磁极对数只能成对的改变，所以转速也只能整倍数来调节。

1.2 改变s，即变转差率调速

改变电源电压和转子绕组的电阻，可以实现改变转差率调速。但减小电源电压会使最大转矩下降很多，可能使电机无法启动；而且电机转子串入附加电阻，转差功率会以发热的形式消耗在电阻上，这种方法鼠笼型电动机难以应用，一般用于绕线型转子串电阻。

以上两种方法都属于有级调速。

1.3 改变f，即变频调速

这种调速可以增大或减小转速，使调速的平滑性、稳定性以及经济性都很好，属于无级调速。应用比较普遍，本文主要介绍该种调速方式。

要实现变频调速，必须有频率可调的交流电源，但电力系统却只能提供固定频率的交流电源，因此需要一套变频装置来完成变频的任务。变频器是一种控制交流电机的装置，它将频率固定（通常为工频50HZ）的交流电（三相的或单相的）交换成频率连续可调的三相交流电源。变频器的接线如下图所示，变频器的输入端（R，S，T）接至频率固定的三相交流电源，输出端（U，V，W）输出的是频率在一定范围内连续可调的三相交流电，接至电机。其外部接线情况如图1所示。

VVVF：改变电压、改变频率（Variable Voltage and Variable Frequency）

2 变频器的工作原理

变频器的分类有很多种，按变换环节分可以分为交直交变频器和交交变频器。本文主要介绍此种分类方式

2.1 交-直-交变频器

交-直-交变频器是先将工频交流电源通过整流器变换成直流，再通过逆变器变换成可控频率和电压的交流，其主电路如图2所示。

2.1.1 交-直变换部分

（1）VD1～VD6组成三相整流桥，能将交流电源转换成直流电源。在中小容量变频器中，整流器件采用的是不可控整流二极管或二极管模块，而功率较大的变频器一般用可控硅。

（2）CF1、CF2为滤波电容器。由于整流出的直流电中含有交流分量，并且当负载变化时，直流电也会发生波动，为了使直流电压保持平衡，设置了滤波电容器。

（3）限流电阻RL和开关SL。当变频器刚接入电源的瞬间冲击电流比较大，限流电阻RL可以削弱该冲击电流，将电容CF的充电电流限制在一定范围内。

但限流电阻RL常接在电路中会影响到直流电压，同时增大电路的损耗，所以当CF充电到一定电压，令短路开关SL接通，将RL短路。一些变频器使用晶闸管代替（如虚线所示）。

（4）电源指示灯HL。除用作通电指示外，HL也具有提示保护的作用。当变频器切断电源后，由于CF的容量较大，导致CF的电压高，如果不放完电，会对人身安全构成威胁，因此要求灯灭后才能进行拆线等操作。

2.1.2 能耗电路部分

（1）制动电阻RB。变频器在频率下降的过程中处于再生制动状态，回馈的电能将存贮在电容CF中，使直流电压不断上升，甚至达到十分危险的程度。RB的作用就是将这部分回馈能量消耗掉。

（2）制动单元VB。由全控型晶闸管及其驱动电路构成，为放电电流IB流经RB提供通路。

2.1.3 直-交变换部分

（1）VD1～VD6组成逆变桥，把整流的直流电逆变为交流电。这是变频器的核心部分。

（2）续流二极管VD7～VD12。

阻感负载时需提供无功功率。为了给交流侧向直流侧反馈的无功能量提供通道（即续流过程），逆变桥各臂需要并联反馈二极管。

2.2 交-交变频器

交-交变频电路，也称周波变流器，它把电网频率的交流电变成可调频率的交流电的变流电路，属于直接变频电路。广泛用于大功率交流电动机调速传动系统，接下来以三相输入单相输出的交-交变频电路为例，说明其工作原理：

三相输入单相输出的交-交变频电路由电路由具有相同特征的两组晶闸管整流电路反并联构成，将其中一组称为正组整流器，另外一组称为反组整流器。只要交替地以低于电源频率切换正、反组整流器的工作状态，即可在负载端获得交变的输出电压。其工作原理为：正组工作时，负载电流i0为正；反组工作时，i0为负。只要交替地以一定频率切换正、反组整流器的工作状态，即可在负载端获得交变的输出电压。其输出波形如图4所示。

改变切换频率，就可改变输出频率f0；改变变流电路的控制角α，就可以改变交流输出电压幅值。

2.3 交-直-交与交-交变频器之比较

2.3.1 交-直-交变频器

其结构简单，输出频率变化范围大，功率因数高，谐波易于消除，可使用各种新型大功率器件

2.3.2 交-交变频器

其过载能力强，效率高输出波形好，但输出频率低，使用功率器件多，输入无功功率大，高次谐波对电网影响大。

3 变频器的应用实例

3.1 软启动

异步电动机在全压启动时，其启动电流可达到额定电流的4～7倍，这会对电源形成冲击，引起电网电压的波动；此外，由于启动过程过于快速，也会对机械负载形成冲击，缩短机械传动部分的使用寿命。使用变频器后，由于其输出频率可以从很低频率开始，频率上升的快慢可以任意设定，电机起动电流被限制在额定电流附近，消除启动过程对电机和机械负载的冲击，这种启动特性十分优越。

3.2 风机水泵调速

普通风机和水泵调节风量和流量是靠挡板和阀门进行调节，电机全速运行除浪费大量电能外还造成环境污染及管道压力损失等问题。改用交流电机变频调速装置来调节风量和流量，在压力不变的情况下可节电20%～30%

3.3 空调系统

空调用电一般占城市用电量的30%左右，一般工作在部分负荷下，而压缩机只有在满负荷情况下才能达到最佳效率，所以能耗很大。采用变频调速技术控制压缩机，使之能根据不同情况的负荷对房间自动的调节。这种制冷/制热系统非常高效、节能，比传统不变速空调可节能 15%～ 20%。

4 结论

采用电力电子技术可以改造传统的工业设备，特别是变频调速技术自诞生以来就在诸多领域得到了广泛的应用。利用变频器，改变电机的电源频率来对交流电机的转速进行调节。使系统始终处于一种节能状态下运行，可以节约大量的能源，减少环境污染，更好的适应了生产需要。

参考文献

[1]王兆安，刘进军编.电力电子技术（第五版）[M].北京：机械工业出版社，2009.

[2]马小亮编.大功率交交变频调速及矢量控制技术（第二版）[M].北京：机械工业出版社，1996.

[3]刘政.采用变频调速技术进行恒压供水研究及在我厂的实际应用[J].节能技术，1999（02）.

[4]佟纯厚编.电力电子学[M].南京：东南大学出版社，2000.

[5]程勤.PWM变频调速风机的技术分析与应用[J].节能，1998.