变频器的工作原理及应用

变频器的工作原理及应用浅析
【摘要】经过20世纪70年代中期的第二次石油危机之后和电子技术的发展，交流高速系统的变频器技术得到了高速的发展，异步电动机的调速就是建立在变频技术之上的成熟技术，在生产实践中得到越来越广泛的应用。

【关键词】变频器；直流电机；异步电动机；调速
引言
变频器（variable-frequency drive，vfd）是应用变频技术与微电子技术，通过改变电机工作电源频率方式来控制交流电动机的电力控制设备。

变频器靠内部igbt（绝缘栅双极型晶体管）的开断来调整输出电源的电压和频率，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，另外，变频器还有很多的保护功能，如过流、过压、过载保护等等。

随着工业自动化程度的不断提高，变频器得到了非常广泛的应用。

1.变频器的工作原理
1.1 变频器的结构：
变频器主要由整流（交流变直流）、滤波、逆变（直流变交流）、制动单元、驱动单元、检测单元微处理单元等组成。

1.2变频器的电压波形变化
1.3变频器的控制对象——三相异步电动机
三相异步电动机主要由定子、转子、转轴组成，当在定子绕组
上加上三相交流电压时，将会产生一个旋转磁场，该旋转磁场的速度由加在定子绕组上的三相交流电压的频率所决定。

位于该磁场中的转子绕组，将切割旋转磁场的磁力线，根据电磁感应原理，在转子绕组中将产生感应电动势和感应电流，感应电流与旋转磁场的磁通互相作用而产生电磁力，即转矩、转子及转轴将沿着与旋转磁场相同的方向旋转。

任意改变三相定子绕组的两个电压相位，即可使磁场旋转的方向发生改变，电动机的转向也将随之变化，即可逆控制。

2.变频器类型选择
2.1根据负载选购变频器
电动机所带动的负载不一样，对变频器的要求也不一样。

a：风机和水泵是最普通的负载：对变频器的要求最为简单，只要变频器容量等于电动机容量即可（空压机、深水泵、泥沙泵、快速变化的音乐喷泉需加大容量）。

b：起重机类负载：这类负载的特点是启动时冲击很大，因此要求变频器有一定余量。

同时，在重物下放肘，会有能量回馈，因此要使用制动单元或采用共用母线方式。

c：不均行负载：有的负载有时轻，有时重，此时应按照重负载的情况来选择变频器容量，例如轧钢机机械、粉碎机械、搅拌机等。

d：大惯性负载：如离心机、冲床、水泥厂的旋转窑，此类负载惯性很大，因此启动时可能会振荡，电动机减速时有能量回馈。

应该用容量稍大的变频器来加快启动，避免振荡。

配合制动单元消除回馈电能。

2.2用户应根据生产机械的具体情况选购
如果是挖土机，应选择具有转矩控制功能的高功能专用型变频器，因为这种变频器低速转矩大，静态机械特性硬度大，不怕负载冲击，可以通过加大电动机和变频器容量的办法，提高低速转矩；如果是控制压缩机，由于压缩机的转矩特性比较复杂，尤其是起动转矩很大，因此应选择转矩特性好和具有限流功能的高性能矢量变频器。

如果是造纸、化纤设备用，应选择高精度、高响应特性的闭环矢量变频器。

2.3根据可靠性选购变频器
采用变频器的目的就是提高生产效率，如果性能虽好但可靠性不好，经常出问题，那就得不偿失。

我国国土辽阔，南方地区常年高温潮湿，沿海地区则以盐腐蚀为主，这些都会造成设备绝缘下降，北方气候干燥，容易产生静电，冬夏温差大，还有每个企业的生产环境更是千差万别，这些因素都是在选购变频器时应考虑的。

有的变频器性能虽然很好，但环境适应能力差，就有可能经常出故障影响生产。

2.4根据价格选购变频器
这是选购变频器时主要考虑的因素，但如果片面追求低价格，往往会导致质量与可靠性的下降，因为变频器中的功率器件和主回
路电解电容约占70%的成本，有些厂家为了降低成本，用耐压1000伏的模块代替1200伏的模块，用电流25a的代替30a的，用普通低频电解电容代替变频器专用高频电解电容，这种变频器在正常情况下或短时间内使用不会发现有什么问题，但是由于模块的功率余量降低了，一旦碰上电机堵转、电网瞬时高电压、持续高温等情况，就很容易损坏。

3.变频器应用的好处
3.1变频调速的节能
由于采用变频调速后，风机、泵类负载的节能效果最明显，节电率可达到20%-60%，这是因为风机水泵的耗用功率与转速的三次方成比例，当用户需要的平均流量较小时，风机、水泵的转速较低，其节能效果也是十分可观的。

而传统的挡板和法门进行流量调节时，耗用功率变化不大。

由于这类负载很多，约占交流电动机总容量的20%-30%，它们的节能就具有非常重要的意义。

3.2软启动
工频状况下马达采用的是星三角降压延时启动，此时电流是电机额定电流的4—7倍，若多台大功率的电机同时启动，将对电网造成很大冲击。

采用变频器后，马达只需在额定电流下就可启动，电流平滑无冲击，减少了启动电流对马达和电网的冲击，延长了电机的使用寿命。

3.3减少无功功率
无功功率不但增加线损和设备的发热，更主要的是因无功功率因素的降低导致电网有功功率的降低。

而使用变频器调节后由于变频器内滤波电容的使用，使得功率因素接近为1，增大了电网的有功功率。

从而节省了无功功率消耗的能量。

3.4方便控制，使控制系统简单化
①变频器很容易实现电机的正、反转；②加、减速时间及频率可任意调节；③变频器还具有直流制动功能，需要制动时，变频器给电动机加上一个直流电压，进行制动，则无需另加制动控制电路；
④运行平稳；⑤可进行高速运转。

结束语
变频调速已被公认为是最理想、最有发展前途的调速方式之一，采用通用变频器构成变频调速传动系统的主要目的，一是满足了提高劳动生产率、改善产品质量、提高设备自动化程度、提高生活质量及改善生活环境等要求；二是节约能源、降低生产成本；值得进一步推广和使用。

参考文献
[1]徐海，施利春.变频器原理及应用北京：清华大学出版社出版 2010-9-1
[2] 王廷才.变频器原理及应用第2版机械工业出版社
2011-6-1
（作者单位：蛟河凯迪绿色能源开发有限公司）。