一、概述

　　電力電子技術(shù)發(fā)展始于20世紀(jì)初汞弧整流器的發(fā)明，1956年貝爾實驗室發(fā)明晶閘管，1958年通用電氣公司推出商品化產(chǎn)品。經(jīng)過50多年的發(fā)展，電力電子技術(shù)已成為一門多學(xué)科的邊緣技術(shù)，它包含變流器電路、電力電子器件、計算機輔助設(shè)計、模擬電子學(xué)和數(shù)字電子學(xué)、微型計算機控制理論、超大規(guī)模集成電路以及高頻技術(shù)、電磁兼容等。電力電子技術(shù)的應(yīng)用也取得了極大的發(fā)展，從開始的整流交直流可調(diào)電源，現(xiàn)已應(yīng)用到電化學(xué)生產(chǎn)、照明控制、電焊接技術(shù)、電網(wǎng)無功和諧波補償、高壓直流輸電系統(tǒng)、光電池和燃料電池及可再生能源、變速恒頻系統(tǒng)、固態(tài)斷路器感應(yīng)加熱、電機傳動、綠色交通電動機車、電動汽車、電動艦艇及磁懸浮列車、中頻電源和超聲波電源，還出現(xiàn)了諧振變換技術(shù)。這些應(yīng)用的發(fā)展中心是個變頻技術(shù)問題，就是把直流電逆變成為不同頻率的交流電，或是把交流電變成直流電再逆變成不同頻率的交流電，這一切都是電能不變化為其他能量，而只是頻率的變化。

　　二、變頻調(diào)速的基本概念及其作用原理

　　(一)變頻調(diào)速傳動的目的

　　我國能源利用效率低下，主要原因是粗放型經(jīng)濟增長方式，結(jié)構(gòu)不合理、技術(shù)裝備落后、管理水平低。采用變頻器對機械設(shè)備進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制，對節(jié)約能源、提高經(jīng)濟效益具有重要意義。變頻器在省力化、自動化、提高產(chǎn)品質(zhì)量、提高生產(chǎn)率、提高產(chǎn)品合格率方面的應(yīng)用與在節(jié)能領(lǐng)域同樣重要。機械設(shè)備采用變頻調(diào)速傳動，可以增加設(shè)備的使用壽命，減小機械設(shè)備的噪音，使設(shè)備小型化，工作環(huán)境、生活環(huán)境更具有舒適性。

　　(二)變頻調(diào)速應(yīng)用的行業(yè)生產(chǎn)范圍

　　變頻調(diào)速技術(shù)經(jīng)過多年的發(fā)展日趨成熟，變頻技術(shù)在鋼鐵、扎制銅線、化學(xué)、纖維、汽車、電氣機械、機床、食品、造紙、水泥、礦業(yè)、煤氣、交通、裝卸搬運、工廠建筑、農(nóng)業(yè)、生活服務(wù)、電力、實驗研究、石油等行業(yè)得到了廣泛的發(fā)展與應(yīng)用。變頻技術(shù)已經(jīng)與我們的生產(chǎn)、生活息息相關(guān)。目前，冰箱、空調(diào)、電動車等家用電器已經(jīng)采用相關(guān)的變頻技術(shù)。

　　(三)變頻調(diào)速傳動的特點

　　采用變頻器對機械設(shè)備進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制，變頻調(diào)速傳動的特點是可以使標(biāo)準(zhǔn)電動機調(diào)速，可以連續(xù)調(diào)速，電動機啟動電流小，最高速度不受電源影響，電動機可以高速化、小型化、防爆容易，低速時定轉(zhuǎn)矩輸出，可以調(diào)節(jié)加減速的大小，可以使用籠型電動機不需要維護電動機。

　　(四)變頻器的工作原理

　　變頻器電路方式有交一交變頻和交一直一交變頻兩種電路。基本工作原理為整流器將交流變?yōu)橹绷?，平滑波電路將直流電平滑，逆變器將直流電逆變?yōu)轭l率可調(diào)的交流電，變頻器的基本構(gòu)成。

　　1.交-交變頻器是指無直流中間環(huán)節(jié)，直接將電網(wǎng)頻率的電壓變換為頻率比電網(wǎng)頻率低而可變的輸出電壓的變換器。

　　2.交-直-交變頻器的工作原理。目前應(yīng)用最廣泛的是交-直-交變頻器。其工作原理是先將三相或單相不可調(diào)工頻電源經(jīng)過整流橋整流成直流電，再經(jīng)過逆變橋把直流電逆變成頻率任意可調(diào)的交流電，以實現(xiàn)無級調(diào)速。交-直-交變頻器的主電路有電壓型變頻和電流型變頻。電壓型是將電壓源的直流變換為交流的變頻器;電流型是指將電流源的直流變換為交流的變頻方式?？刂品绞揭卜譃殡妷嚎刂坪碗娏骺刂苾煞N。這兩種方式不管主電路方式是電壓型還是電流型都可以適用。

　　(五)變頻器的質(zhì)量性能指標(biāo)

　　1.在0.5HZ時能輸出多大的起動轉(zhuǎn)矩?比較優(yōu)良的變頻器在0.5HZ時、22KW以下能輸出200%高起動轉(zhuǎn)矩，30KW以上能輸出180%的起動轉(zhuǎn)矩。

　　2.速度調(diào)節(jié)范圍控制精度能達(dá)多久，轉(zhuǎn)矩控制精度能達(dá)多大?高性能的變頻器速度控制精度能達(dá)±0.005%，轉(zhuǎn)矩控制精度能達(dá)±3%。

　　3.在低轉(zhuǎn)速時的脈沖情況。高質(zhì)量的變頻器在1HZ時轉(zhuǎn)速脈沖只有1.5r/min。

　　4.噪聲及諧波干擾。噪聲及諧波干擾是衡量一個變頻器的重要標(biāo)準(zhǔn)，采用IGBT、IPM器件調(diào)制頻率較采用GTO、GTR調(diào)制頻率高。雖然高次諧波始終存在，但是如果控制方式較好，可以減少一些諧波量。

　　5.發(fā)熱量。變頻器發(fā)熱量大，證明功耗大、效率低、通風(fēng)散熱系統(tǒng)不好，變頻器的壽命相應(yīng)受到影響。

　　三、變頻器應(yīng)用效果及其發(fā)展方向

　　(一)變頻器應(yīng)用效果

　　采用變頻器對機械設(shè)備變頻調(diào)速運轉(zhuǎn)可以達(dá)到節(jié)能效果，采用多臺電動機以比例速度運轉(zhuǎn)可以達(dá)到省力自動化的效果，對電動機增速運轉(zhuǎn)可以達(dá)到提高產(chǎn)量的效果，采用高頻電動機進(jìn)行高速運轉(zhuǎn)可以達(dá)到提高產(chǎn)量的效果，在惡劣的環(huán)境中可以取代直流電動機減少維修，選擇無級的最佳速度運轉(zhuǎn)可以提高產(chǎn)品的質(zhì)量，采用空調(diào)壓縮機調(diào)速運轉(zhuǎn)來進(jìn)行連續(xù)溫度控制，可以達(dá)到提高舒適性的效果。

　　(二)變頻調(diào)速裝置的核心及技術(shù)發(fā)展方向

　　1.變頻器的核心是電力電子器件及控制方式。電力電子器件就是在電路中起通斷作用并實現(xiàn)各種變流的器件，變頻器就是這種變流的裝置，它隨著逆變器件的發(fā)展而發(fā)展。逆變器件的好壞就要看它的通斷能力、承受通斷的電流和額定電壓，在通斷過程中損耗的大小決定了變頻器的效率和體積大小。變頻器用不同的控制方式得到的調(diào)速性能特性及用途是不同的?？刂品绞酱篌w分為開環(huán)和閉環(huán)控制，開環(huán)控制有u/f(電壓與頻率)成正比例的控制方式;閉環(huán)有轉(zhuǎn)差頻率控制和各種矢量控制。

　　2.變頻器適用領(lǐng)域不斷擴大，所采用的技術(shù)也不斷拓寬，主電路采用了柵極一控制極新技術(shù)，集電極一射極間的飽和電壓Uce(sat)大為降低，從而開發(fā)出第四代IGBT，即使普通的通用變頻器也進(jìn)入了矢量控制的新時代。只要用戶選用一種備用電路板，就可使通用變頻器變成一個帶速度傳感器PG(脈沖發(fā)生器)的矢量控制變頻器。傳感器裝置多采用高分辨率的16位數(shù)字編碼器，信號的并行傳送方式改為串行傳送。在智能化方面，新開發(fā)的變頻器可以事先對變頻器的一些部件，如電容的電容量、總運行時間及環(huán)境濕度進(jìn)行測定，綜合評估來預(yù)告該部件的壽命等，一般通用變頻器都裝備有帶RS-485的標(biāo)準(zhǔn)功能，通過專用的開放總線方式運行。

　　四、變頻器選擇方法探討

　　(一)按控制不同的物理置及負(fù)載特性選用變頻器

　　1.速度控制變頻器的選擇：(1)根據(jù)系統(tǒng)要求必須選擇能覆蓋所需轉(zhuǎn)速控制范圍的變頻器;(2)為避免危險速度下的連續(xù)運轉(zhuǎn)應(yīng)選用具有頻率跳變功能的變頻器。

　　2.位置控制變頻器的選擇：(1)應(yīng)選用容量足夠的變頻器以得到大的加減速轉(zhuǎn)矩;(2)應(yīng)選擇負(fù)載慣性極低的設(shè)備與變頻器配合使用。

　　3.張力控制變頻器的選擇：(1)采用轉(zhuǎn)矩電流控制張力必須選用有速度限制功能的變頻器;(2)采用拉延控制張力必須選用具有速度反饋控制的變頻器;(3)采用調(diào)節(jié)輥的張力控制應(yīng)選用u/f控制通用變頻器;(4)采用張力檢測器的張力控制應(yīng)選用矢量控制方式的變頻器。

　　4.流量控制變頻器的選擇：對于有可能因外部因素導(dǎo)致發(fā)生反轉(zhuǎn)的場合必須選用大容量的變頻器，以便能充分耐受從反轉(zhuǎn)狀態(tài)下啟動的沖擊電流。

　　5.溫度控制變頻器的選擇：(1)應(yīng)優(yōu)先選用IGBT、IPM調(diào)制頻率高的變頻器;(2)應(yīng)優(yōu)先根據(jù)設(shè)備的啟動電流和運轉(zhuǎn)時間選擇變頻器。

　　6.壓力控制變頻器的選擇：(1)應(yīng)選擇具有無供水保護和具有市電節(jié)電功能的變頻器;(2)應(yīng)選擇裝設(shè)單向閥并具備瞬停對策和啟動聯(lián)鎖功能的變頻器。

　　7.負(fù)載特性要求響應(yīng)快變頻器的選擇：(1)系統(tǒng)要求短時間內(nèi)能進(jìn)行加減速時應(yīng)優(yōu)先選擇過載容量大具有限流功能的轉(zhuǎn)差頻率控制或矢量控制的變頻器;(2)在需要交叉角頻率Wc比較大、響應(yīng)速度比較快的場合，應(yīng)優(yōu)先選用主電路開關(guān)頻率高、過載容量大、系統(tǒng)諧振頻率高的變頻器;(3)對于PWM控制的變頻器要求開關(guān)頻率為1—3KHZ，能夠滿足機床等用途。

　　8.負(fù)載特性要求調(diào)節(jié)準(zhǔn)確度高變頻器的選擇：(1)當(dāng)系統(tǒng)要求±0.05%高準(zhǔn)確度時應(yīng)選用采用PLG模擬控制和低漂移控制電路的變頻器;(2)當(dāng)系統(tǒng)要求±0.01%轉(zhuǎn)速控制準(zhǔn)確度時應(yīng)選擇采用PLG反饋全數(shù)字控制的變頻器。

　　9.負(fù)負(fù)載變頻器的選擇：(1)用于起重機、電梯、生產(chǎn)流水線時應(yīng)優(yōu)先選用帶再生整流器的變頻器;(2)在要求減速制動轉(zhuǎn)矩時要有效防止過電壓跳閘應(yīng)采用帶二極管整流器的晶體管變頻器;(3)使用制動單元時必須充分注意散熱，不要對其他設(shè)備產(chǎn)生不良影響。

　　10.沖擊負(fù)載變頻器的選擇：(1)應(yīng)選用容量充分大的變頻器以耐受沖擊過電流;(2)增設(shè)飛輪可以減輕直接加在電動機上的沖擊負(fù)載，應(yīng)優(yōu)先選用轉(zhuǎn)差頻率控制的變頻器。

　　(二)按不同電動機的種類選擇變頻器

　　1　標(biāo)準(zhǔn)籠型電動機變頻器的選擇

　　(1)根據(jù)電動機電流選擇變頻器

　　1)在連續(xù)運行的場合應(yīng)按變頻器的額定輸出電流≥(0.5—1.1)電動機的額定電流，即：I變額≥(0.5～1.1)I電額。

　　2)加減速時變頻器容量的選定：一般情況下對于短時間的加減速而言變頻器允許達(dá)到額定輸出電流130%～150%(視變頻器容量有別)。 　3)電動機直接啟動時所需變頻器容量的選定，可按下式選取變頻器的額定電流： 　即：I變額tI堵轉(zhuǎn)/kg

　　I變額——變頻器的額定電流(A)

　　I堵轉(zhuǎn)——額定電壓額定頻率下電動機啟動時的堵轉(zhuǎn)電流(A)

　　K廣變頻器的允許過載倍數(shù)Kg=1.3～1.5。