变频技术在职业教育中教学内容如何选取

王晖

【摘要】随着变频器的广泛应用，职业教育中变频技术被列入相关专业的必修课程。为满足培养高技能应用型人才的需求，文章结合多年变频器的使用经验和教学经验，阐述了职业教育中变频器技术相关教学内容应该如何选取。

【关键词】变频器;职业教育;选取

近年来，变频技术在各行各业的应用越来越广泛，而变频器安装、调试及维护这方面的技术人员比较匮乏。很多高职院校和应用型本科院校的自动化类、电气工程类和机电类专业都开设了变频器原理及应用这方面的课程。不同院校在教学内容的选取上有所差异。有的院校理论方面知识内容的选择偏重，学生学完后还是不能很好地使用变频器;有的院校采用教学做一体化的教学方式，注重实践教学，训练学生对变频器的接线和参数进行设置的能力，而学生在学完变频器如何选择和变频系统如何构建方面的知识后还是很茫然。注重实践教学的职业院校在变频技术教学内容的选取时一般会选取认识变频器的端子、变频器功能参数预置、变频器的安装与维护和变频器典型应用实例等方面的内容，而学生对变频器分类和选型这些最基本的内容往往容易忽略。下面笔者结合多年的变频器应用经验和教学经验，介绍变频技术在职业教育中容易忽略的教学内容该如何选取。

一、变频器的发展和分类

在变频器的应用教学中，首先应该选取变频器发展和分类这方面的相关内容，内容选取应结合实际。

（一）变频器的发展

变频器发展方面的内容应简单介绍变频器的由来，国内外变频器的生产厂家及品牌，如西门子、ABB、三菱、安川、台达和汇川等。重点介绍市场对变频技术的需求情况。目前市场对变频器的应用主要是节能、提高产品质量和工艺水平、改善自动化系统三个方面的应用，特别是交流异步电动机采用变频技术改造后的节能效果非常显著，变频技术应用也是落实国家节能减排的具体措施。交流变频调速的调速性能又能和直流电机的调速效果相媲美，很多调速场合选用交流变频调速来取代直流调速，大大降低了电机的使用成本和对环境的要求。另外，介绍变频器未来的发展方向，一般是向智能、一体、专用和环保四个方面发展。

（二）变频器的分类

很多教材用了很大篇幅讲述变频器按原理和控制方式来分类，实际上这些内容用处不大，应该重点介绍变频器如何按用途分类。学生以后在使用变频器时通常是根据实际的用途来选择变频器。变频器按用途一般分为通用变频器和专用变频器两大类，而通用变频器各生产厂家基本按高性能和简易型来分类。目前三菱740系列通用变频器有矢量重负载型FR-A740、风机水泵型FR-F740、经济通用型FR-E740和简易型FR-D740四个系列的变频器，FR-A740属于高性能的一类，后面三种都可以看作简易型变频器。专用变频器有高性能专用变频器、高频变频器和高压变频器三类，如安川电梯专用变频器L1000A系列可以实现高性能启动转矩补偿，使电梯乘坐更加舒适，属于高性能专业变频器。一般通用变频器输出频率虽然已经达到几百赫兹，如果一些超精密机械需要异步电动机几万转的高转速时，可以选用输出频率几千赫兹的高频专用变频器。高压变频器是专门用在高压设备采用变频器调速，我国利德华福高压大功率变频器在变频器领域具有一定的影响力。

二、变频器的选型

变频器的应用应从变频器的选型开始，选好变频器再根据控制要求选择合适的外部器件，构成变频调速系统。变频器的选型表面看似简单，在教学内容选取中也容易被忽略，达不到职业教育的目标。

（一）变频器类型的选择

应该根据变频器的用途先确定适合的类型，可以某一品牌变频器为例来介绍如何选择。如以三菱变频器为例，如果系统是对调速性能要求比较高的场合则选择FR-A740矢量重负载型，如果是一个风机或水泵的变频调速则选FR-F740风机水泵型。变频器类型的选择主要是为了选择一个性价比最高的变频器。如果系统是高压系统，一般是要选择高压变频器;如果没有合适的高压变频器，也可以用降压变压器和升压变压器通过“高-低-高”的形式用低压变频器来完成变频调速;如果系统需要高频运行，通用变频器输出频率达不到要求，则选用专用的高频变频器。

（二）技术参数选择

变频器类型确定后就需要选择变频器的技术参数，变频器的技术参数一般有输入/输出电压、额定电流、额定容量和额定功率（适配电动机功率）等。在选择变频器的时候首先要选择的参数是输入电压。对于通用的低压变频器，厂家一般提供200V级和400V级两种系列规格。通常200V系列输入电源电压是单相220V，容量比较小，适合单相电源功率较小的电机变频调速系统;400V级系列输入电源电压是三相380V，容量从小到大应用范围比较广。电压选好后，要选择变频器的容量，这是变频器选择的关键，容量选大了会造成成本的浪费，选小了系统不能正常工作甚至会损坏变频器。在变频器厂家的产品系列规格表里面，可以查到有额定容量和额定功率两个参数。额定容量可以看作变频器带负载能力，额定功率是适配的电动机功率。通常情况下根据电动机的功率对照变频器的额定功率选择一个相同等级的即可，一般变频器的功率系列和交流异步电动机的系列是一一对应的。需要强调的是，如果电动机名牌标注的额定电流大于变频器的额定电流，那么选择变频器时就要选择比电机功率大一等级的变频器。如果系统的负载比较重，电机容易出现短时过载或者短时大转矩这种情况，也需要变频器容量比电机容量大一等级。从理论上讲，如果电动机负载很小，也就是电动机实际工作的電流远远小于电机额定电流时，可以选择变频器的容量比电动机的容量小，但只能比电机容量小一个等级。实际使用时为了变频器的安全可靠，很少采用这种选择方法，还是按变频器容量与电动机一致即可。

三、变频器外部器件的选择

变频器选好之后，根据系统主电路再选择一些外部器件，有些器件是必选的，有些是可选的。

（一） 必选器件的选择

断路器和接触器是变频调速系统中必选的器件。断路器在系统中除了起到电源引入、隔离电源的作用外，还起到保护系统的作用。选择断路器时，如果系统是一个单纯的变频调速系统，因为变频器仅可以短时承受1.5倍额定电流的过载能力，则选择断路器的额定电流大于等于变频器额定电流的1.3～1.4倍即可;如果系统有变频/工频切换功能，则断路器的容量应根据电动机的额定电流来选，一般是电动机额定电流2.5倍以上。接触器的选择，有些教材是按照变频器输入侧、变频器输出侧和工频运行三种情况分别选择，实际使用时根据电动机的功率，满足电动机的起停要求即可，不需要分三种情况分别选择。例如一台7.5KW的水泵， 其额定电流大约15A，如果没有变频/工频切换功能，选择断路器时则可以根据电动机的额定电流的1.4倍选用，因此选用额定电流为20A的断路器即可;如果水泵控制要求需要变频/工频切换功能，则根据电动机的额定电流的2.5倍选用额定电流为40A的断路器。两种情况的差别还是比较大的。接触器只需考虑电动机的额定电流。例如选用CJ10-20这一型号的接触器即可，也就是接触器主触点额定电流选用20A，线圈电压则根据控制电路实际电压来确定。

（二）可选器件的选择

变频调速系统电路中除了必选的器件，还有一些选配器件，如输入输出侧的交流电抗器、电源滤波器、直流电抗器、制动电阻和制动单元。首先介绍这些器件在什么情况下要选择。交流电抗器、直流电抗器和滤波器通常是为了减少干扰或提高功率因数时选择，根据电动机或变频器的容量来选择即可。重点介绍在什么情况下需要选择。如输入侧的交流电抗器选用条件通常有五种：①电源容量超过变频器容量的10倍以上;②电源中有晶闸管变流器负载或调节功率因数的电容器;③三相电源电压不平衡度超过3%;④输入电流高次谐波使变频器功率因数降低到0.75以下;⑤变频器的功率超过30KW。这五个条件满足其中一个时，变频器输入侧就必须选用交流电抗器。如一台功率55KW的电动机功率已经超过30KW了，满足上述第五个条件，那么就要选用交流电抗器了。因为变频器容量为55KW，可以直接选用交流电抗器的型号ALC-55，不需要考虑所需电抗器的电感量是多少（ALC-55交流电抗器电感量是0.18mH）。另外，应重点介绍制动电阻和制动单元的选择。首先，制动电阻和制动单元在什么情况下要选择。像电梯或精密机床这些对制动有要求的调速系统就需要选择，风机和水泵这种自由停机的调速系统就不需要选择。一般变频器容量在18.5KW以下的只配制动电阻即可，变频器容量在18.5KW以上的既要配制动电阻又要配制动单元。在选择制动电阻时，既要选择制动电阻的阻值，又要选择制动电阻的功率。很多教材的教学内容会提供计算公式，实际选择的时候计算公式中的系数学生很难把握，计算出来的结果往往会差别较大，因此不建议用计算的方法。可以根据电动机容量对照变频器厂家提供的制动电阻的参数表来进行选择即可。参数表里面提供的电阻功率是个理论值，如15KW电动机通过查表需要选配50Ω/4KW的电阻，而功率4KW的电阻市场上不容易买到，选用时可以用4个200Ω/1KW电阻并联来替代，这种选配方法需要学生掌握。制动单元的选择比较容易，只要根据变频器容量选配变频器厂家的制动单元即可。

四、结束语

变频器的应用技术在职业教育内容选取上应注重结合具体的变频器和实际使用的场合，从变频器的分类入手，正确选择一个合适的变频器和外部器件，从而更好地学习变频器的安裝调试和维护等相关内容，使学生真正能够具备变频技术的应用能力，满足职业教育培养高技能应用型人才的教学要求。

【参考文献】

[1]王延才.变频器原理及应用[M].北京：机械工业出版社，2015.