浅谈变频器的原理及应用

韦升杨

（燕京啤酒（玉林）有限公司，广西 玉林537000）

1 引 言

变频器的产生，可以满足现代化工业产生的需求，对于开创智能化生产时代具有重要的促进作用。变频器能够打破传统电机定速运行的方式，使得电机无需做出任何过多改动情况下，即可根据生产工艺所需的转速及扭矩调整输出，以此达到降低电机能耗，提高生产系统运行效率的作用。现阶段，变频器已经在我国各领域得到广泛应用，如机械制造交工、冶金、水电等，此外在小型机械中也得到了应用，如电梯、搅拌机及研磨机等设备，不仅为各企业创造丰富经济利益，还解决企业制造生产及加工过程中所遇到的难题。

2 变频器的原理分析

2.1 原理分析

变频器通过内置电力半导体器件所产生的通断作用，可将工频电源转变为另外一种频率，结合变频驱动技术达到控制交流电机运行电压过程中的频率及幅度，其主要功能见示意如图1。

图1 变频器功能示意图

变频器的工作原理是将工作频率交流电源通过内置设备转换为频率可调节性的电源设备，根据交流电机所涉及到的同步转速公式：N=60f/p，其中N 为电机同步转速，f 为电源频率，P 为电机极对数。因此，只需要改变频率便可控制电机的转速。变频器的原理主要根据此公式进行研发的电源变换设备，虽然变频器的种类很多，但所有的工作原理基本相同，只有特别专用型的变频器会根据设备的性质，研发具有制定特性的变频器。如在常规变频器设备基础上，增加特定功能以满足电机运行需求。

2.2 变频器产品的主要类型及原理

（1）电流源型。电流源型的变频器产品在直流部分通过电抗器存储能量，目前技术主要以7.2kV输出电压为主，因此能够满足我国大部分群体对变频器的要求。此类变频器产品在输入侧的功率因素相对较低，所以电抗器极易出现发热量高的现象，效率与电压型变频器相比较低。在设计方面为直流控制，因此输出滤波较为麻烦，对电机的要求也会很高。虽然它具有可回馈能量的独特优势，但是电机运行时需要回馈能量的负载不是很多，因此逐渐在市场经济中失去竞争力。

（2）单元串联多电平型。此类变频器产品主要通过多个低压功率单元，以串联形式实现高压输出，在输入侧运用降压变压器移相方式操作，以此降低电机运行过程中对电网的谐波污染。单元串联多电平型变频器的输出测以多电平正弦PWM 技术，所以能够使用任何电压的普通电机。即便当某个单元出现故障事故时，它能够自动化退出系统而其他单元则可继续工作，避免因变频器故障停机所造成损失，所以此类变频器产品具有很强的市场竞争力。

（3）三电平型。钳位电路是三电平型变频器产品的主要工作方式，可以解决两只功率器件所产生的串联问题，使相电压输出具备三个电平。虽然此类型变频器结构相对简单，以电压源型结构为主，但是能量回馈效果显著。在国内变频器市场领域内，此类变频器产品最大技术难题便是电压问题，因为需要考虑实用性特点，再结合产品结构进行设计后，最大输出电压一般在6kV 左右。为了增强此类变频器产品的灵活性，只有改变电机电压或在输出侧进行升压操作，此弊端对应用推广具有较大限制性。

3 变频器的应用分析

3.1 充分考虑功率与电流因素

通常情况下，变频器的过载能力弱于电机，若电机出现过载现象，那么首先损坏的大概率是变频器，只有部分变频器会具有完善的保护功能才能够幸免于此。又如在应用变频器时，选用的电机功率大于实际的机械负载功率，那么用户极有可能会将机械功率调节以达到电机的功率，那么变频器必须能够胜任此项工作，即应用的变频器功率必须要大于等于电机功率。有些特殊的电机额定电流值不会处于常规标准附近，如额定电压低但额定电流偏大，此时所应用的变频器额定电流应当大于等于电机的额定电流，因此变频器在应用过程中必须要充分考虑到功率与电流的影响因素。

3.2 理清变频器调速与机械变速之间的关系

变频器在应用过程中，绝不可将机械变速调整为相同功率的变频器变速，通过公式可知功率是扭矩与转速的乘积。变频器扭矩—转速曲线如图2 所示，当低于额定频率时，机械会处于恒转矩运行状态，电机不可提高输出转矩，但当高于额定频率时，转速将会逐渐升高而转矩出现下降。图2 中的曲线3 一般为风机或水泵，曲线2 一般为传送带以恒转矩负载运行，曲线2 与曲线3 在电机低或者额定频率运行时，负载力矩并没有增加，因此需要根据电机功率大小选择合适的变频器进行应用。曲线1 为恒功率负载，主要以机械机床为主，当转速较低时转矩会增加，但是当变频器与电机低于额定功率时，通过的电流会被限制，因此不会增加力矩，当变频器调低电机转速会出现电机无法带动负载的现象，只有当理清调速与变速之间的关系才能够提高变频器的应用效果。

图2 不同负载下的机械特性

3.3 根据应用要求选择合适型号

电频器在应用过程中需要根据要求选择合适型号，通常会考虑外界环境条件、电网电压设置情况及机械负载大小与性质。若环境温度相对较高，那么安装至通风性能较差的机柜内将会极大缩短变频器的使用寿命，内部电子器件当高于额定温度后，性能将会显著降低，因此环境温度必须保持相对较低状态，并且安装完善的通风冷却系统保障变频器的稳定运行。此外，还可以选择稍高容量等级的变频器，以确保在额定运行时变频器温度会有所下降。

变频器在应用过程中，必须保证电网电压处于正常状态，若出现极大波动将会有损变频器的寿命，甚至会直接使变频器报废。如当380V 升至450V 时将会损坏变频器，因此在应用时需要根据使用手册确定变频器的应用场合，并且对变频器型号做出适当调整，以确保变频器运行过程中的安全性及稳定性。有些高海拔地区在应用变频器时，空气密度相对较低因此散热器难以达到预期的散热效果，通常情况下在1000m 以上区域，随着海拔增高必须对容量等级进行调整，以降低变频器过热反应。由此可见，需要加强对变频器应用要求分析，以选择合适型号的变频器提高运行效果。

4 结 语

随着我国电子技术快速发展，变频器行业应当加强研究以适应发展需求，不断优化变频器的各项性能。因此，需要加强对变频器工作原理及应用的研究，提高变频器应用的针对性及有效性，以促进行业发展。