变频器的应用研究

曹永东(陕西延长中煤榆林能源化工有限公司，陕西 榆林 718500)

0 引言

变频器是目前用于电机转速调节的主要工具。这一技术在西方发达国家已经非常成熟。在西方发达国家已实现了产业化，国内变频技术的使用也是吸收西方国家的先进经验。变频调速实现了由机械调速到纯电气化的智能调速的跨越，这种调试设备不但降低了能源消耗，而且还保持了机械调速的性能。

1 变频器的工作原理

所有变频器的工作原理基本相同。其主要原理是三相交流电经桥式整流变为直流电，通过限流电阻给电容充电饱和时，接触器吸合，电阻被短接，然后直接充电到变频器的额定电压。变频器的CPU当接到启动信号时，发出触发信号，使驱动电路工作触发IGBT，将直流电压变成频率可调的三相交流电，驱动电机。

2 变频器的分类

2.1 按直流环节的滤波形式分类

电压源型变频器。电压源型变频器是指直流环节的储能元件是电容器的变频器，原理图如图1所示。

图1 电压型变频器

电流型变频器。电流源型变频器是指直流环节的储能元件是电感线圈的变频器，原理图如图2所示。

图2 电流型变频器

2.2 按控制方式分类

电压频率比控制变频器。电压频率比控制是为了得到理想的转矩—速度特性，基于在改变电源频率进行调速的同时，又要保证电动机的磁通不变的思想而提出的，通用型变频器基本上都采用这种控制方式。

转差频率控制变频器。转差频率控制方式是对电压频率比控制的一种改进，这种控制需要由安装在电动机上的速度传感器检测出电动机的转速，构成速度闭环，速度调节器的输出为转差频率，而变频器的输出频率则由电动机的实际转速与所需转差频率之和决定。

矢量控制变频器。矢量控制是一种高性能异步电动机控制方式，是通过矢量坐标电路控制电动机定子电流的大小和相位，以便对电动机的励磁电流和转矩电流分别进行控制，进而达到控制电动机转矩的目的。无速度传感器的矢量控制是通过坐标变换处理分别对励磁电流和转矩电流进行控制，然后通过控制电动机定子绕组上的电压、电流辨识转速以达到控制励磁电流和转矩电流的目的。这种控制方式调速范围宽，启动转矩大，工作可靠，操作方便，但计算比较复杂，一般需要专门的处理器来进行计算。

直接转矩控制变频器。直接转矩控制是继矢量控制变频调速技术之后的一种新型的交流变频调速技术。它是利用空间电压矢量PWM(SVPWM)通过磁链、转矩的直接控制、确定逆变器的开关状态来实现的。直接转矩控制还可用于普通的PWM控制，实行开环或闭环控制。

2.3 按使用功能分类

恒转矩变频器。恒转矩变频器控制的对象具有恒转矩特性，在转速精度及动态性能等方面要求一般不高，当用变频器实现恒转矩调速时，必须加大电动机和变频器的容量，以提高低速转矩。恒转矩变频器主要应用于挤压机、搅拌机、传送带、提升机等。

平方转矩变频器。平方转矩变频器控制的对象，在过载能力方面要求较低，由于负载转矩与转速的平方成正比，所以低速运行时负载较轻，并有节能的效果。平方转矩变频器主要应用于风机、泵类。

2.4 按输出电压调制方式分类

PAM方式。PAM方式的特点是变频器在改变输出频率的同时也改变了电压的振幅值。在变频器中，逆变器负责调节输出频率，而输出电压的调节则由相控整流器或直流斩波器通过调节直流电压Ud去实现。采用相控整流器调压时供电电源的功率因数随调节深度的增加而变小。采用直流斩波器调压时，供电电源的功率因数在不考虑谐波影响时，功率因数可以达到1。

PWM方式。PWM方式的特点是变频器在改变输出频率的同时也改变了电压的脉冲占空比。PWM只需控制逆变电路便可实现。通过改变脉冲宽度来改变输出电压幅值，通过改变调制周期可以控制其输出频率。这种方式大大减少了负载电流中的高次谐波。

2.5 按主开关器件分类

IGBT变频器。由于IGBT开关频率高，可构成静音式变频器，使电动机的噪声降到接近正常工频供电时的水平。电流波形更加正弦化，减小了电动机转矩脉动，且低速转矩大。用于矢量控制时，响应更快。比同容量的BJT变频器体积小，重量轻。

SCR变频器。SCR变频器属于电压源型，具有不选择负载的通用性，在不超过变频器容量条件下，可以多电动机并联运行。在确保换流能力足够的条件下，过负载能力较强。多重化连接时，既可以改善波形又可以实现大容量化。

BJT变频器。与SCR变频器相比，BJT变频器不需要换流电路，体积小、重量轻、开关效率高，适用于高频变频和PWM变频，适用于矢量控制，响应较快。

GTO变频器。与BJT变频器相比，GTO变频器的电压、电流等级高，适合于高压、大容量应用场合。与SCR变频器相比，开关频率高，可进行PWM控制，低速特性有很大提高，与SCR变频器相比，其还具有主回路简单，体积小，重量轻和效率高的特点。

3 变频器的选型

3.1 根据负载的要求选择变频器

恒转矩负载。变频器的容量一般根据电动机的容量来进行选择，一般按照电动机功率的1.1～1.5倍来选择。

平方转矩负载。平方转矩负载一般对变频器转速精度没有什么太高要求，因此在选型时可选用普通型变频器，通常以性价比为主要原则，无需选用矢量控制等高精度控制的变频器。

恒功率负载。当电动机达到特定速度段时，按恒转矩运行；超过特定速度时，按恒功率运行。恒功率运转主要应用于卷扬机、机床主轴。

3.2 根据相关参数选择变频器

最大瞬间电流。变频器容量选择的基本原则是：在生产工艺所要求的各种工况下能长期运行，最大负载电流不能超过变频器的额定电流，大多数变频器都规定为额定电流的150%、1 min[1]。

输出频率。变频器的最高输出频率一般有50 Hz、60 Hz、120 Hz、240 Hz或更高。一般 50 Hz/60 Hz 变频器适合大容量的通用型变频器。超出工频的变频器多为小容量变频器，由于输出电压不变，工频以上变频器输出频率多为为恒功率特性。

输出电压。变频器输出电压可按电动机额定电压选定。按国家标准，输出电压可分成220 V系列和400 V系列两种。

加减速时间。变频器加减速时间是指变频器达到目标转速或减至最低转速时所用的时间，变频器加减速时间的长短和输出电流相关。一般情况下，变频器在加减速过程中，变频器的输出电流应在130%～150%。因此，在变频器的加减速过程中变频器的输出转矩会增大。

电压频率比。电压频率比U/f作为变频器独特的输出特性，表示对于输出频率改变的输出电压的变化特性，选择的变频器具有合适的电压/频率比，可以高效率地利用电动机。如控制泵和风机的电压/频率比可以节能[2]。

调速范围。根据系统的要求，选择的变频器必须能覆盖所需要的速度范围的控制。因此，变频器的选择，要根据实际情况，做到既能满足用户要求，又能保证变频器整体选择的经济性。

4 变频器的安装调试和日常维护

4.1 变频器的安装环境

运行温度。变频器的核心部件是整流和逆变，由于整流器和逆变器都是大功率的半导体元件，在工作过程中发热量极大。为了保证变频器的稳定运行，变频器运行环境温度一般要控制在30 ℃以下。如果安装在控制柜中时，须在控制柜的顶部安装强制散热风扇，如果安装在室内通风不良的场所，须增加空调散热。变频器安装场所温度变化不能太大，否则变频器内部容易出现凝露现象，导致内部绝缘下降，甚至会引发短路事故[3]。

腐蚀性气体。变频器使用环境如果存在腐蚀性气体，会使变频器内部的电路板和连接线受到腐蚀，从而造成控制电路短路、绝缘老化、变频器非正常停机等故障。

机械振动和冲击。变频器的安装场所如果长期存在机械振动或容易受到机械撞击时，会引起变频器内部接线松动，电气接触不良。因此高变频器一般要安装在远离振动源的地方，且要提高外壳机械强度，同时还应采取加装抗震橡皮垫等防护措施。

电磁干扰。变频器在工作中由于整流和逆变的原因，会产生很多的高次谐波，这些高次谐波会对周围的其他电气设备造成一定的干扰。因此，变频器安装时应采用有效的抗干扰措施，如采用金属外壳、设备可靠接地、加装输出电抗器、采用专用屏蔽电缆等，确保干扰电压控制在合理范围内。如果干扰电压处理不好，往往会发生表计读数不准、指示灯莫名亮、控制单元失灵或损坏等故障。

4.2 变频器距离电机的电缆长度选择和辐射方法

一般情况下变频器距离电机长度越短越好。这样可有效减少电缆的对地电容。动力电缆一般选用变频专用的六芯屏蔽电缆，控制电缆一般选用双屏蔽的计算机控制电缆。电机电缆应独立于其他电缆敷设，电缆长度最长一般不超过500m。避免电机电缆与其他电缆长距离平行敷设。变频器的控制电缆和电源电缆在敷设过程中尽量避免发生交叉，若果必须要交叉，则交叉角最好为 90°角左右。变频器的动力电缆和控制电缆要分开敷设，如果一定要在一趟电缆桥架里，那必须在桥架中间加装金属隔板。

4.3 变频器配置

变频器的配置一般有输入电抗器、整流器、滤波器、逆变器、出线电抗器。输入电抗器的主要功能是为了阻止变频器在工作过程中产生的谐波通过电源电缆返送到电网中，造成电网谐波含量增加，电能质量下降，影响到电网中的其他用电设备，输入电抗器的配置一般根据变频器的容量大小来选择；整流器和逆变器是变频器的主要功率器件，其作用是通过整流和逆变来改变电源的电压和频率。滤波器和输出电抗器的主要作用是降低输出电流中的高次谐波含量，一般大容量和长输出线路的变频器都应该安装滤波器或输出电抗器。变频器的主要保护功能有断裂、过负荷、过力矩、欠电压等，但变频器的缺相保护功能一般不太完美，通常可以和断路器的保护功能配合使用。

4.4 变频器的接地

良好的接地是保证变频器稳定运行的必要前提，变频器的接地要求主要有以下几方面：一是变频器的接地电阻不能超过规范要求，通常不要超过4 Ω，接电线应牢固可靠；二是变频器接地线的横截面积一般要大于4 mm2，接地线的长度一般不超过不宜超过5 m。且不得与其他电气设备的接地互相串接。变频器控制电缆的屏蔽层须一端接地，另一端悬空。

5 变频器技术发展趋势

随着科技的进步，微机控制和人工智能技术大量的应用到工业生产中，因此未来变频器的技术必然会向微机自动控制和人工智能方向发展，具体发展方向如下：采用微机编码功能实现多元化的功能设置，如：整流和逆变启动、频率设置、运行方式切换、加减速时间设置、转矩设置、制动方式选择等。利用微机计算确定整流、逆变开关元件的开通和关断时间，使逆变器按输出标准的正弦波电压[4]。

通过外部传感器、内部接口电路、微机计算机形成闭环的调速控制系统，可实现根据压力、流量等外部物理量的变化进行自动转速调节，结合变频器自身完善的保护功能，从而形成完整的闭环自动控制系统。

变频器向智能化发展，利用人工智能技术实现在线自诊断和人机对话，构建故障诊断系统，建立强大的数据库，对每一种故障现象进行存储和分析比对，达到快速准确诊断故障的目的，而且能在故障发生前提前预测发生故障的可能性，针对性的进行预防性维修。同时还可以建立变频器全寿命周期模型，根据变频器的不同使用阶段自动提醒应该采取的维护措施。另外还可以建立变频器的远程维护专用软件，与手机进行绑定，通过手机随时观察变频器的各项运行参数[4]。

6 结语

综上所述，在变频器的实际应用过程中必须结合负载类型、工作环境、使用要求等选择合适的变频器；在安装调试过程中要按照变频器安装及调试手册进行安装；在实际运行维护过程中严格按照使用说明合理进行运行维护，才能确保变频器的高效稳定运行。