刘瑞敏

摘 要：变频器是将工频电源转换为其它频率的交流电源设备。上世纪80年代末期，我国开始应用变频器，因为变频器所具有的节电效果与优越性能，促使其在国内的使用量持续攀升，并且它也在传统工业的改造、工艺流程的改善、自动化水平的提升、能源节约等方面发挥着十分重要的作用，随着社会的不断发展，对于变频器也有了更高的要求。此文对于变频器进行了简单的介绍，并且探究了其应用技术的发展。

关键词：变频器；工作原理；调速节能

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.04.156

0 前言

上个世纪90年代初，我国国内的变频器大多来自于国外的品牌，例如：ABB、西门子、三菱、以及富士等国外品牌，直到90年代中期，国内市场才出现了我国所生产的变频器，其中通用型变频器占据了较大的比重。现如今，国产变频器的生产技术已经接近于国际先进水平，国产变频器也在我国的市场中占据着较大的比重。

在交流拖动系统的应用中，变频器表现出很好的可控性，能够进行无极调速以及软启动，可以控制加减速，并促使电动机拥有较高的性能，并且表现出明显的节能作用。因此，变频调速的应用能够提升机械生产的产品质量、生产效率、以及控制精度，进而有益于生产过程自动化的实现。

在我们所使用的家电产品中，变频器也广泛地存在着，例如荧光灯、空调等。变频器不仅能够改变电压，也能够改变频率。然而，荧光灯变频器的主要作用在于电源供电频率的调整。近些年来，变频器普遍地应用在工业生产领域中。

1 变频器的作用

1.1 控制电机启动电流，减少电力线路电压波动

在电机经由工频启动的过程中，4-7倍的电机额定电流便会产生。在这个过程中所产生的电流值极大地提高了电机绕组的电应力，而且在这个过程中会形成一定的热量，进而导致了电机使用寿命的缩减。变频调速的应用对于增强绕组承受力以及减少启动电流是十分有利的，就使用者而言，其最直接的好处是电机使用寿命的延长以及维护成本的减少。

电压和电流两者的乘积与电机功率成正相关关系，那么通过工频直接进行电机的启动所消耗的功率将会极大地超过启动变频所需的功率。对于某些工况来讲，已经达到了配电系统的最高极限，直接工频启动电机所产生的电压也会产生大幅度的波动，所形成的电涌便会严重地影响到相同电网上的用户。如果采用变频器进行电机启停，就不会产生类似的问题。

1.2 可调的运行速度以及可控的停止方式与加速功能

变频调速可以零速启动而且依据于用户所需而实施均匀地加速，此外，也能够选择加速曲线，比如：直线加速、s型加速、以及自动加速。然而，在工频加速的过程中，对于齿轮、机械部分轴、电机都会形成巨大的冲击以及振动，这将会促使机械的损耗以及磨损加快，导致电机以及机械部件使用寿命的缩减。

在变频调速时，正如同于可控的加速，其可以控制停止的方式，并且能够选择存在差异性的停止方式，它也能够有效地降低对于电机以及机械部件的冲击，进而促使系统更具可靠性，也会提升其使用的寿命。

变频调速应用可以促使工艺过程得以优化，也能够依据于工艺过程快速地进行转变，此外速度变化也能借助于远控plc以及别的控制器来实现。

1.3 可调的转矩极限

在变频调速之后，可以设置对应的转矩极限来有效地维护机械免受损伤，进而确保产品的可靠性以及工艺过程的连续性。现如今的变频技术既能够调整转矩，也能够控制转矩的精度。電机在工频状态中仅能借助于热保护或是检测电流值予以控制，而难以如同变频控制一样进行精确转矩值的设置。

1.4 节能

在运用变频器之后，水泵以及离心风机的能耗都能够极大地得到降低。因为电机转速与最终能耗之间具有立方比的关联性，因此在变频运用之后便能得到更为快速的投资回报。

在控制变频器时，可逆运行控制的实现不需要多余的可逆控制装置，仅需进行输出电压相序的改变，便能够实现安装空间的节约以及维护成本的降低。

1.5 减少机械传动部件

随着科学技术的不断发展，同步电机结合矢量控制变频器便能够输出高效转矩，便利于 节约齿轮箱等机械传动部件， 进而就可以促使空间的节省、成本的降低、以及稳定性的提升。

近些年以来，因为以上所述的优势以及变频控制理论、功率半导体器件、以及电力电子技术的快速化发展，变频器已普遍地运用在各行各业中，对于我们的生活、工业化发展、以及社会的发展做出了巨大的贡献。

2 变频器的工作原理

那么，电机的旋转速度为何可以自由地改变呢？

电机转速以及频率公式：n=60f/p

在这个式子中，n代表电机转速（转速/分）；60指的是每分钟；f代表电源频率（Hz）；p代表电机旋转磁场的极对数。通过此式便可以看出：电机旋转速度和频率具有正比关系，和电机极对数具有反比关系。

通过上式，我们便可以知道：频率f与转速n之间具有正比例关系，电动机转速的改变仅需要改变频率f，当f在0～50Hz的范围之内发生改变时，电动机转速具有十分宽的可调节范围。速度调节是通过变频器借助于改变电动机电源频率而实现的，它是一种具有很高性能以及很高效率的调速方式之一。

假使只进行频率的改变，那么电机将会受到损坏，尤其在频率减小时，此问题便十分明显。为避免出现烧毁电机的事故，那么在频率改变的同时也要改变电压。控制电机的最优方式在于电压以及频率的改变。为了能够产生可控可变的频率以及电压，该装置应先将电源的交流电转变成直流电（DC）。才能够进行电压的改变，也能够进行频率的改变。

当主电路的控制被变频器控制电路完成后，交流电便会被整流电路转变为直流电。直流中间电路对于输出整流电路实施平滑滤波，直流电由逆变电路逆成交流电。对于矢量控制变频器此种需巨大运算的变频器而言，某时也需要一个实施转矩计算的CPU以及某些相对应的电路。变频调速是借助于电机定子绕组供电频率的改变来实现调速的目的。endprint

变频器种类的划分方式相对较多，根据其工作原理进行划分，主要是下列4种：

2.1 U/f=C的正弦脉宽调制（SPWM）控制方式

其主要的特征在于其具有较好的机械特性硬度、较低的成本、以及结构简单的控制电路，其可以与通常的传动平滑调速要求相匹配，现如今已经普遍地应用于多个不同的产业领域。但是这种控制方式在低频状态中，因相对较低的输出电压，造成了转矩受定子电阻压降比较明显的影响，减少了最大转矩的输出。此外，静态调速性以及动态转矩的能力相对较差一些，并且系统的性能较低、控制曲线会伴随着负载的改变而改变，转矩的响应较慢、电机转矩的利用率较低，在低速状态时，因为存在的逆变器死区以及定子电阻效应导致了其穩定性与性能的降低。

2.2 电压空间矢量控制方法

此控制方式的前提在于三相波形整体的生成效果，将逼近电机气隙的理想圆形旋转磁场轨迹做为目的，将内切多边形逼近圆的途径而进行控制。在实际的运用过程中，因为此方法所存在的不足，便对其所存在的弊端进行了具有针对性的改造，由于加入了频率补偿，在很大程度上降低了速度控制所存在的误差；将输出电流、电压闭环，有效地提高了动态稳定度以及精准度。然而，因为具有较多数量的控制电路环节，并且尚未引入转矩调节，因此导致了系统的性能改变不理想。

2.3 直接转矩控制方式

在上世纪末，学者DePenbrock在1985年第一次对于此技术进行了详细的阐述。在DePenbrock的研究之中，其很好地解决了矢量控制不足的难题，此外，由于其具有简洁的系统结构、优异的动静态特征、先进的控制思想，使得此方式得到了广泛的应用。现如今，这项技术已非常成功地应用于由电力机车所牵引的大功率交流传动中。因为这种控制方式无需将交流电动机与直流电动机相等同，因此，其极大地简化了矢量旋转变换中繁杂的计算过程，由于其所具有的的优异性能，使得它得到了广泛的应用。

2.4 矩阵式交—交控制方式

矢量控制变频、VVVF变频、以及直接转矩控制变频均属于交—直—交变频的范畴。其所存在的共同缺陷有两点：其一，较低的输入功率因数；其二，较大的谐波电流。对于直流电路来讲，其一定要拥有巨量的储能电容。由于以上缺陷的却在，便进一步研发出了矩阵式交—交变频控制方式。因为中间的直流环节被矩阵式交—交变频所省去，因此使得电解电容得到了极大的节省。现如今，此项技术尚且没有得到完善，然而诸多学者却对其进行了不懈的努力。

3 结论

就交流变频调速技术而言，是电子技术、控制技术、电力技术、以及微电子技术快速发展的一种产物，也是现代电力传动技术的一个关键的发展方向。对于变频调速的研究为目前电气传动研究中最具有实际运用价值以及最为活跃的工作。交流变频调速装置拥有良好的节能节电效果以及调速性能，是现代企业实施设备更新换代以及技术改造的理想装置，其拥有操作简便、可靠性高、通用性强等诸多的优点，受到了社会的青睐，众多的科技工作者仍然处在前进的道路上，以研究出更加先进的变频技术，为人民造福，为社会造福。

参考文献：

[1]王占奎等.变频调速应用百例[M].北京市科学出版社，1999.

[2]原魁.变频器基础及应用[M].冶金工业出版社，2005.endprint