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(shí)驗(yàn)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(guò)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(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、模擬電子學(xué)和數(shù)字電子學(xué)、微型計(jì)算機(jī)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(wú)功和諧波補(bǔ)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(jī)傳動(dòng)、綠色交通電動(dòng)機(jī)車、電動(dòng)汽車、電動(dòng)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(gè)變頻技術(shù)問(wèn)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(dòng)的目的
我國(guó)能源利用效率低下，主要原因是粗放型經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)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(duì)機(jī)械設(shè)備進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制，對(duì)節(jié)約能源、提高經(jīng)濟(jì)效益具有重要意義。變頻器在省力化、自動(dòng)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(jī)械設(shè)備采用變頻調(diào)速傳動(dòng)，可以增加設(shè)備的使用壽命，減小機(jī)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(guò)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(jī)械、機(jī)床、食品、造紙、水泥、礦業(yè)、煤氣、交通、裝卸搬運(yùn)、工廠建筑、農(nóng)業(yè)、生活服務(wù)、電力、實(shí)驗(yàn)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(dòng)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(dòng)的特點(diǎn)
采用變頻器對(duì)機(jī)械設(shè)備進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制，變頻調(diào)速傳動(dòng)的特點(diǎn)是可以使標(biāo)準(zhǔn)電動(dòng)機(jī)調(diào)速，可以連續(xù)調(diào)速，電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)電流小，最高速度不受電源影響，電動(dòng)機(jī)可以高速化、小型化、防爆容易，低速時(shí)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(dòng)機(jī)不需要維護(hù)電動(dòng)機(jī)。
(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?；竟ぷ髟頌檎髌鲗⒔涣髯?yōu)橹绷鳎交娐穼⒅绷麟娖交?，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(wú)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(guò)整流橋整流成直流電，再經(jīng)過(guò)逆變橋把直流電逆變成頻率任意可調(diào)的交流電，以實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)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(shí)能輸出多大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩?比較優(yōu)良的變頻器在0.5HZ時(shí)、22KW以下能輸出200%高起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，30KW以上能輸出180%的起動(dòng)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(shí)的脈沖情況。高質(zhì)量的變頻器在1HZ時(shí)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(gè)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(duì)機(jī)械設(shè)備變頻調(diào)速運(yùn)轉(zhuǎn)可以達(dá)到節(jié)能效果，采用多臺(tái)電動(dòng)機(jī)以比例速度運(yùn)轉(zhuǎn)可以達(dá)到省力自動(dòng)化的效果，對(duì)電動(dòng)機(jī)增速運(yùn)轉(zhuǎn)可以達(dá)到提高產(chǎn)量的效果，采用高頻電動(dòng)機(jī)進(jìn)行高速運(yùn)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(dòng)機(jī)減少維修，選擇無(wú)級(jí)的最佳速度運(yùn)轉(zhuǎn)可以提高產(chǎn)品的質(zhì)量，采用空調(diào)壓縮機(jī)調(diào)速運(yùn)轉(zhuǎn)來(lái)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(shí)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(guò)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(kuò)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(shí)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(gè)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(hào)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(duì)變頻器的一些部件，如電容的電容量、總運(yùn)行時(shí)間及環(huán)境濕度進(jìn)行測(cè)定，綜合評(píng)估來(lái)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(guò)專用的開放總線方式運(yùn)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(xiǎn)速度下的連續(xù)運(yùn)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(cè)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(duì)于有可能因外部因素導(dǎo)致發(fā)生反轉(zhuǎn)的場(chǎng)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(dòng)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(dòng)電流和運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)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(wú)供水保護(hù)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(duì)策和啟動(dòng)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(shí)間內(nèi)能進(jìn)行加減速時(shí)應(yīng)優(yōu)先選擇過(guò)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(chǎng)合，應(yīng)優(yōu)先選用主電路開關(guān)頻率高、過(guò)載容量大、系統(tǒng)諧振頻率高的變頻器;(3)對(duì)于PWM控制的變頻器要求開關(guān)頻率為1—3KHZ，能夠滿足機(jī)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(shí)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(shí)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(jī)、電梯、生產(chǎn)流水線時(shí)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(dòng)轉(zhuǎn)矩時(shí)要有效防止過(guò)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(dòng)單元時(shí)必須充分注意散熱，不要對(duì)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(guò)電流;(2)增設(shè)飛輪可以減輕直接加在電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)的種類選擇變頻器
1 標(biāo)準(zhǔn)籠型電動(dòng)機(jī)變頻器的選擇
(1)根據(jù)電動(dòng)機(jī)電流選擇變頻器
1)在連續(xù)運(yùn)行的場(chǎng)合應(yīng)按變頻器的額定輸出電流≥(0.5—1.1)電動(dòng)機(jī)的額定電流，即：I變額≥(0.5～1.1)I電額。
2)加減速時(shí)變頻器容量的選定：一般情況下對(duì)于短時(shí)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(dòng)機(jī)直接啟動(dòng)時(shí)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(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)的堵轉(zhuǎn)電流(A)
K廣變頻器的允許過(guò)載倍數(shù)Kg=1.3～1.5。
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