变频器的工作原理及选型技巧

概述
 
电力电子技术发展始于20世纪初汞弧整流器的发明，1956年贝尔实验室发明晶闸管，1958年通用电气公司推出商品化产品。经过50多年的发展，电力电子技术已成为一门多学科的边缘技术，它包含变流器电路、电力电子器件、计算机辅助设计、模拟电子学和数字电子学、微型计算机控制理论、超大规模集成电路以及高频技术、电磁兼容等。电力电子技术的应用也取得了极大的发展，从开始的整流交直流可调电源，现已应用到电化学生产、照明控制、电焊接技术、电网无功和谐波补偿、高压直流输电系统、光电池和燃料电池及可再生能源、变速恒频系统、固态断路器感应加热、电机传动、绿色交通电动机车、电动汽车、电动舰艇及磁悬浮列车、中频电源和超声波电源，还出现了谐振变换技术。这些应用的发展中心是个变频技术问题，就是把直流电逆变成为不同频率的交流电，或是把交流电变成直流电再逆变成不同频率的交流电，这一切都是电能不变化为其他能量，而只是频率的变化。
 
变频调速的基本概念及其作用原理
 
(一)变频调速传动的目的
 
我国能源利用效率低下，主要原因是粗放型经济增长方式，结构不合理、技术装备落后、管理水平低。采用变频器对机械设备进行转速控制，对节约能源、提高经济效益具有重要意义。变频器在省力化、自动化、提高产品质量、提高生产率、提高产品合格率方面的应用与在节能领域同样重要。机械设备采用变频调速传动，可以增加设备的使用寿命，减小机械设备的噪音，使设备小型化，工作环境、生活环境更具有舒适性。
 
(二)变频调速应用的行业生产范围
 
变频调速技术经过多年的发展日趋成熟，变频技术在钢铁、扎制铜线、化学、纤维、汽车、电气机械、机床、食品、造纸、水泥、矿业、煤气、交通、装卸搬运、工厂建筑、农业、生活服务、电力、实验研究、石油等行业得到了广泛的发展与应用。变频技术已经与我们的生产、生活息息相关。目前，冰箱、空调、电动车等家用电器已经采用相关的变频技术。
 
(三)变频调速传动的特点
 
采用变频器对机械设备进行转速控制，变频调速传动的特点是可以使标准电动机调速，可以连续调速，电动机启动电流小，最高速度不受电源影响，电动机可以高速化、小型化、防爆容易，低速时定转矩输出，可以调节加减速的大小，可以使用笼型电动机不需要维护电动机。
 
(四)变频器的工作原理
 
变频器电路方式有交一交变频和交一直一交变频两种电路。基本工作原理为整流器将交流变为直流，平滑波电路将直流电平滑，逆变器将直流电逆变为频率可调的交流电，变频器的基本构成。
 
1.交-交变频器是指无直流中间环节，直接将电网频率的电压变换为频率比电网频率低而可变的输出电压的变换器。
 
2.交-直-交变频器的工作原理。目前应用最广泛的是交-直-交变频器。其工作原理是先将三相或单相不可调工频电源经过整流桥整流成直流电，再经过逆变桥把直流电逆变成频率任意可调的交流电，以实现无级调速。交-直-交变频器的主电路有电压型变频和电流型变频。电压型是将电压源的直流变换为交流的变频器;电流型是指将电流源的直流变换为交流的变频方式。控制方式也分为电压控制和电流控制两种。这两种方式不管主电路方式是电压型还是电流型都可以适用。
 
(五)变频器的质量性能指标
 
1.在0.5HZ时能输出多大的起动转矩?比较优良的变频器在0.5HZ时、22KW以下能输出200%高起动转矩，30KW以上能输出180%的起动转矩。
 
2.速度调节范围控制精度能达多久，转矩控制精度能达多大?高性能的变频器速度控制精度能达±0.005%，转矩控制精度能达±3%。
 
3.在低转速时的脉冲情况。高质量的变频器在1HZ时转速脉冲只有1.5r/min。
 
4.噪声及谐波干扰。噪声及谐波干扰是衡量一个变频器的重要标准，采用IGBT、IPM器件调制频率较采用GTO、GTR调制频率高。虽然高次谐波始终存在，但是如果控制方式较好，可以减少一些谐波量。
 
5.发热量。变频器发热量大，证明功耗大、效率低、通风散热系统不好，变频器的寿命相应受到影响。
 
变频器应用效果及其发展方向
 
(一)变频器应用效果
 
 
采用变频器对机械设备变频调速运转可以达到节能效果，采用多台电动机以比例速度运转可以达到省力自动化的效果，对电动机增速运转可以达到提高产量的效果，采用高频电动机进行高速运转可以达到提高产量的效果，在恶劣的环境中可以取代直流电动机减少维修，选择无级的最佳速度运转可以提高产品的质量，采用空调压缩机调速运转来进行连续温度控制，可以达到提高舒适性的效果。
 
(二)变频调速装置的核心及技术发展方向
 
1.变频器的核心是电力电子器件及控制方式。电力电子器件就是在电路中起通断作用并实现各种变流的器件，变频器就是这种变流的装置，它随着逆变器件的发展而发展。逆变器件的好坏就要看它的通断能力、承受通断的电流和额定电压，在通断过程中损耗的大小决定了变频器的效率和体积大小。变频器用不同的控制方式得到的调速性能特性及用途是不同的。控制方式大体分为开环和闭环控制，开环控制有u/f(电压与频率)成正比例的控制方式;闭环有转差频率控制和各种矢量控制。
 
2.变频器适用领域不断扩大，所采用的技术也不断拓宽，主电路采用了栅极一控制极新技术，集电极一射极间的饱和电压Uce(sat)大为降低，从而开发出第四代IGBT，即使普通的通用变频器也进入了矢量控制的新时代。只要用户选用一种备用电路板，就可使通用变频器变成一个带速度传感器PG(脉冲发生器)的矢量控制变频器。传感器装置多采用高分辨率的16位数字编码器，信号的并行传送方式改为串行传送。在智能化方面，新开发的变频器可以事先对变频器的一些部件，如电容的电容量、总运行时间及环境湿度进行测定，综合评估来预告该部件的寿命等，一般通用变频器都装备有带RS-485的标准功能，通过专用的开放总线方式运行。
 
变频器选择方法
 
(一)按控制不同的物理置及负载特性选用变频器
 
1.速度控制变频器的选择：(1)根据系统要求必须选择能覆盖所需转速控制范围的变频器;(2)为避免危险速度下的连续运转应选用具有频率跳变功能的变频器。
 
2.位置控制变频器的选择：(1)应选用容量足够的变频器以得到大的加减速转矩;(2)应选择负载惯性极低的设备与变频器配合使用。
 
3.张力控制变频器的选择：(1)采用转矩电流控制张力必须选用有速度限制功能的变频器;(2)采用拉延控制张力必须选用具有速度反馈控制的变频器;(3)采用调节辊的张力控制应选用u/f控制通用变频器;(4)采用张力检测器的张力控制应选用矢量控制方式的变频器。
 
4.流量控制变频器的选择：对于有可能因外部因素导致发生反转的场合必须选用大容量的变频器，以便能充分耐受从反转状态下启动的冲击电流。
 
5.温度控制变频器的选择：(1)应优先选用IGBT、IPM调制频率高的变频器;2)应优先根据设备的启动电流和运转时间选择变频器。
 
6.压力控制变频器的选择：(1)应选择具有无供水保护和具有市电节电功能的变频器;(2)应选择装设单向阀并具备瞬停对策和启动联锁功能的变频器。
 
7.负载特性要求响应快变频器的选择：(1)系统要求短时间内能进行加减速时应优先选择过载容量大具有限流功能的转差频率控制或矢量控制的变频器;(2)在需要交叉角频率Wc比较大、响应速度比较快的场合，应优先选用主电路开关频率高、过载容量大、系统谐振频率高的变频器;(3)对于PWM控制的变频器要求开关频率为1—3KHZ，能够满足机床等用途。
 
8.负载特性要求调节准确度高变频器的选择：(1)当系统要求±0.05%高准确度时应选用采用PLG模拟控制和低漂移控制电路的变频器;(2)当系统要求±0.01%转速控制准确度时应选择采用PLG反馈全数字控制的变频器。
 
9.负负载变频器的选择：(1)用于起重机、电梯、生产流水线时应优先选用带再生整流器的变频器;(2)在要求减速制动转矩时要有效防止过电压跳闸应采用带二极管整流器的晶体管变频器;(3)使用制动单元时必须充分注意散热，不要对其他设备产生不良影响。
 
10.冲击负载变频器的选择：(1)应选用容量充分大的变频器以耐受冲击过电流;(2)增设飞轮可以减轻直接加在电动机上的冲击负载，应优先选用转差频率控制的变频器。
 
(二)按不同电动机的种类选择变频器
 
1　标准笼型电动机变频器的选择
 
(1)根据电动机电流选择变频器
 
1)在连续运行的场合应按变频器的额定输出电流≥(0.5—1.1)电动机的额定电流，即：I变额≥(0.5～1.1)I电额。
 
2)加减速时变频器容量的选定：一般情况下对于短时间的加减速而言变频器允许达到额定输出电流130%～150%(视变频器容量有别)。 　
 
3)电动机直接启动时所需变频器容量的选定，可按下式选取变频器的额定电流： 　
 
即：I变额tI堵转/kg
I变额——变频器的额定电流(A)
I堵转——额定电压额定频率下电动机启动时的堵转电流(A)
K广变频器的允许过载倍数Kg=1.3～1.5。来源：中国电力电子产业网
 
编辑：装备保障管理网