变频器技术分析及在工业生产中的应用

佛山南海技师学院 冯启恩

1.引言

变频器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。其主要工作原理，就是通过改变电源频率，来达到改变电压的目的，以提供电机实际所需要的电源电压，从而实现节能、调速等目的，并实现如过流、过压、过载保护等保护功能。变频技术是在交流电机无级调速的需要下所诞生的，其真正实用经是在20世纪80年代中后期，而我国开始应用变频器则是在20世纪80年代末，由于变频器优异的性能和节电效果，一经使用便得到了迅速的发展，尤其是在国民经济和人民生活对电气自动化要求不断提高，社会节能环保意识不断加强的情况下，变频器的应用领域更是越来越为广泛。近年来，随着计算机技术、电子技术以及自动化控制技术的发展，变频器技术更是取得了巨大的进步，性能得到了不断的完善于。下面，本文在分析变频器技术的基础上，就其在工业生产中的应用进行浅要的介绍。

2.变频器技术类型

变频器的技术类型主要有整流技术、斩波技术、逆变技术、移相技术四种。整流技术是通过整流元件来实现电能频率的转换；斩波技术是通过电力电子器件的通断来改变电能脉冲频度和宽度的技术；逆变技术是通过功率开关将直流电改变为可变频率和电压的交流电的技术；移相技术是利用电力电器元件的通断，来实现开关、调压、调光、调速的技术。

3.变频器工作原理

3.1 变频器硬件结构

变频器实际上是利用电力半导体器件的通断作用，将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。变频器的主电影路是调压调频电源的电力变换构件，一般可分为电压型和电流型两两种，电压型是将电压源直流变为交流，其直流回路的滤波由电容实现；电流型则是将电流源的直流变换为交流，其直流回路的滤波则由电感实现。

通常来说，变频器的主电路由整流器、平波回路和逆变器三个部分构成。整流器将工频电源变为直流功率，目前多采用二极管来作为变流器，也有采用两组晶体管变流器构成可逆变流器，以使现功率方向可逆再生运转的情况；平流回路是在是为了抑制电压波动，吸收脉动电压的电感和电容，部分装置容量小，电源和主电路构成器件有余量的变频器通常省去电感，采用较简单的平波回路；逆变器是将直流功率变为要求频率的交流功率的构件，其作用与整流器相反。除了主电路外，还有为异步电动机供电提供控制信号的控制电路，控制电路有频率、电压运算电路，有电压、电流检测电路，有电动机速度检测电路，有放大控制信号的驱动电路，还有保护逆变器和电动机的保护电路。

3.2 变频器技术功能作用

变频器技术的功能作用主要包括变频节能、功率因数补偿节能、软启动节能几个方面。变频节能主要应用于风机、水泵等方面，在实际应用中，由于考虑到设备生产的可靠性，通常在设计机械设备的配用动力驱动时，都会预留一定的富余量，但电机很少在满负荷下运行，多余的力矩增加必然造成功率消耗浪费电能，采用变频器技术当风机、水泵流量要求减小时，可以降低水泵或风机的转速，使其在保证流量需求的情况下降低功耗。

功率因数补偿节能主要是为考虑无功功率的影响，无功功率会增加线损和使设备发热，同时还会影响电网有功功率，使大量的无功电能消耗于电路之中，降低了设备的使用效率和电力的使用效能，造成巨大的浪费。采用变频器技术，变频器内部滤波电容能有效的减少无功损耗，提高电网的有功轼率，提高设备和电力的使用效能。

软启动节能由是基于电机硬启动对电网的冲击和电网容量的要求所考虑的，由于电机硬启动时会对电网造成严重的冲击，交且向电网提出过高的容量要求，硬启动时所产生的强电流和震动对设备损害极大，对设备、线路等的可靠性和使用寿命造成不良影响。采用变频器技术，可以利用变频器的软启动功能来减轻对电网的冲击，延长设备的使用寿命，减少设备故障。

3.3 变频器控制方式

变频器作用实际上就是将直流电逆变为不同频率的交流电，或者将交流电变成直流电再逆变为不同频率的交流电，或者将直流电变为交流电再变为直流电。不过总的来说，变频器所改变的只是频率，而非电能。回顾变频器技术的发展，其控制方式有正弦脉宽调制控制方式、电压空间矢量控制方式、矢量控制方式、直接转矩控制方式、矩阵交-交控制方式。目前应用较为广泛的是正弦脉宽调制控制方式和直接转矩控制方式，不过这两种控制方式都有一些缺点，而矩阵式交-交控制方式系统功率密度大，造价低，将转矩直接作为被控制量来考虑，很好的弥补了传统控制方式的缺陷，虽然目前尚不成熟，但有着极为阔的应用前景。

4.变频器的分类

4.1 按变换结构分类

从变换结构的不同来变频器可以分为交-直-交变频器和交-交变频器两大类，交-直-交变频器是将交流经整流器变为直流，再通过逆变器将直流变换为可控频率和电压的交流的变频器，也称间接式变频器；交-交变频器是则是直接将工频交流变换为频率和电压可变的交流的变频器，这类变频器实际上只有一个变换环节，因此也称为直接式变频器。

4.2 按直流电源性质分类

根据中间直流环节直流电源性质的不同，变频器可分为电压型变频器和电流型变频器。电压型变频器中间直流环节所采用的储能元件是电容，由于负载无功功率由电容缓冲，因此直流电压较为平衡，电源内阻较小相当于电压源，因此称为电压型变频器，电压型变频器多应用于负载电压变化较大的情况。电流型变频器中间直流环节采用的储能元件为电感，由于负载无功功率由电感来缓冲，扼制了电流的变化使电压接近于正弦波，其内阻较大，因此称为电流型变频器，电流型变频器能降低负载电流频繁急剧的变化，多应用于负载电流变化较大的情况。

4.3 其它分类方法

除了以上两种常用分类方法外，变频器还可以按照工作原理分为V/F控制变频器、转差频率控制变频器、矢量控制变频器；按照开关方式分为PAM控制变频器、PWM控制变频器、高载频PWM控制变频器；按用途分为通用变频器、高性能专用变频器、高频变频器、单相变频器、三相变频器；按国际区域分为国产变频器和欧美变频器；按电压等级分为高压变频器、中压变频器、低压变频器等。

5.变频器技术在工业生产中的应用

理论上讲，变频器技术可以应用于所有具有电动机的设备上，在工业生产中的应用，主要包括以下几个方面：

5.1 工业机械设备泵类负载中的应用

变频器技术在工业机械设备泵类负载中的应用，主要是利用了变频器的调速技术，通过改变电动机定子频率进而改变电动机的转速，从而改变泵类负载的工况，使其流量和扬程等满足生产需求的变化。当工业生产机械设备泵类负载波动较大时，采用变频器技术控制变频器输出，可以使泵类负载满足生产工艺的需求，获取最佳节能产果，同时提高生产工艺，实现生产自动化，并延长设备的使用寿命，提高产品质量，提高生产效率，为企业创造更好的经济效益和社会效益。

5.2 工业生产调备风机负载上的应用

工业生产中风机通常应用于锅炉系统、烘干系统、冷却系统、通风系统中，为了满足生产工艺和运行工况的需要，要对风速、膛压、风量、温度等进行控制，传统控制方法通常是调节风门、挡板开度。但是，采用这种控制方法，不管生产工艺和工况如何，风机都在全速运转，不仅不能精确的满足生产工艺和运行工况的要求，还会造成能源浪费和设备耗损，增加强生产成本，缩短设备使用寿命。比如炼钢厂、化纤生产企业、水泥制造厂，都需要应用到风机，采用调节风门来调节风量大小的方法，电机一直处于满负荷运行的状态，但风门开度通常在50%-80%之间，造成极大的浪费。变频器技术应用于风机负载中，其无级调速成能力可以满足更大的调速成范围，且更为可靠，纵护容易，能更好的满足生产工艺和工况的要求。

5.3 变频器技术的节能应用

最初采用变频器的目的实际上是为了控制速度，但发展到现在，变频器的应用目的更多是为了节能。节能和环保是21世纪的主题，是事关人类社会可持续发展的重要内容。长期以来，由于生产工艺和设备等方面的原因，我国工业生产能源利用率极低，这在能源日益紧张的情况下，成为制约我国工业迅速发展的主要问题之一。据统计，我国电网负载中动力负载占了60%左右，而90%是异步电动机，电动机所耗费的电能在整个工业用电中的比例高达70%。在工业生产中应用变频器技术，能够极大的提高电机转速控制精度，获取电机最佳能耗。

6.结束语

变频器技术在工业生产中的应用，有效的提高了生产工艺和生产效率，并降低了生产能耗，降低了设备磨损，能为企业带来更大的经济效益和社会效益。当前，变频器技术正向智能化、精密化、高效化方向发展，这给工业生产带来了更大的契机，在不久的将来，变频器技术必将进一步推动工业生产的迅速发展，被更为深入的应用于工业生产各个领域。

[1]车宝珠.变频器在工业应用中的常见问题及解决方案[J].科技创新导报,2008(05).

[2]钟文裕,瘳媛敏.变频器在工厂恒压供水系统中的典型应用[J].变频器世界,2010(01).

[3]许朝山,龚仲华.现代变频器的技术特点与发展方向[J].制造技术与机床,2010(01).

[4]杨礼春.降低机房负载的几点措施[J].中国金融电脑,2010(02).

[5]阿地力别克.变频器在工业水泵中的应用[J].新疆有色金属,2012(01).