变频器技术的发展与选型参考

0 引言 变频器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。我们现在使用的变频器主要采用交—直—交方式（VVVF变频或矢量控制变频），先把工频交流电源通过整流器转换成直流电源，然后再把直流电源转换成频率、电压均可控制的交流电源以供给电动机。变频器的电路一般由整流、中间直流环节、逆变和控制4个部分组成。整流部分为三相桥式不可控整流器，逆变部分为IGBT三相桥式逆变器，且输出为PWM波形，中间直流环节为滤波、直流储能和缓冲无功功率。 交流电机变频调速已成为当代电动机调速的潮流，它以体积小、重量轻、转矩大、精度高、功能强、可靠性高、操作简便、便于通信等功能优于以往的任何调速方式，因而在钢铁、有色、石油、石化、化纤、纺织、机械、电力、电子、建材、煤炭、医药、造纸、注塑、卷烟、吊车、城市供水、中央空调及污水处理行业得到普遍应用。文章介绍了日、美、欧发达国家变频调速技术进入我国市场和国产企业崛起的概况，并指出变频器在技术上向高性能、模块化、专用化、多功能发展。用量不断增加，价格不断降低，行业组合兼并的结果，有向国外拓展的可能。 1 变频器技术的发展 变频器是运动控制系统中的功率变换器。当今的运动控制系统包含多种学科的技术领域，总的发展趋势是：驱动的交流化，功率变换器的高频化，控制的数字化、智能化和网络化。因此，变频器作为系统的重要功率变换部件，提供可控的高性能变压变频的交流电源而得到迅猛发展。 随着新型电力电子器件和高性能微处理器的应用以及控制技术的发展，变频器的性能价格比越来越高，体积越来越小，而厂家仍然在不断地提高可靠性实现变频器的进一步小型轻量化、高性能化和多功能化以及无公害化而做着新的努力。变频器性能的优劣，一要看其输出交流电压的谐波对电机的影响；二要看对电网的谐波污染和输入功率因数；三要看本身的能量损耗如何。这里仅以量大面广的交—直—交变频器为例，阐述它的发展趋势： (1) 高性能。如果说过去国产的通用变频器主要是压频控制，那么，今天的不少品牌变频器已提升到矢量控制及转矩控制；如果说前几年国产高压变频可靠性还不高，那么今天已研制出同国外相差不大的品牌。不少厂家通用变频器总的来说都在追求高可靠性，高转矩，高精度，低谐波。 　　 (2) 模块化。通用变频器已有向模块化发展的趋势，即高性能的电机驱动模块（通用变频器）十功能模块（如注塑机卡、张力卡等）十专用模块（如电梯、拉丝机、卷染机等）。这样，有特殊功能和特殊需求时，不必加许多外围部件，插一个功能卡或专用卡即可，简单而降低成本。 　　 (3) 专用化。国外的变频器早已有许多专用型的，但价格昂贵，如电梯专用、车床专用、造纸机专用、化纤生产线专用等。近20年来我们中国人对变频器应用的一大贡献就是把通用变频器通过一些智能控制单元，廉价的用到转炉、起重机、机床、纺丝机、造纸生产线、印染设备及高架旅运车等，近年又出现了专用变频器，如注塑机专用变频器、抽油机专用变频器、潜油电泵专用变频系统等产品，这些都是一些国外大公司没有的。我们填补了国际上的空白。 　　 (4) 功能多。通用型变频器装备了许多适用的功能：①频率跳跃功能。风机等负荷在其振点电流突然增大，变频器具有跳过该频率点的功能。②瞬时停电再启动功能。受闪电等影响瞬时停电，变频器具有电动机在任何状态下再启动功能、不必使电机的转速为0。③记忆功能。可以记忆系统的运行状态、运行时间、跳闸时的详细数据等。④通信功能。具有0～10V，4～20mA、RS485等通信接口及通信协议。可连接现场总线、计算机、DCS等通信。 2 变频器的合理选用 2.1 变频器及被控制的电机 　　(1)电机的极数。一般电机极数以不多于4 极为宜,否则变频器容量就要适当加大。 　　(2)转矩特性、临界转矩、加速转矩。在同等电机功率情况下,相对于高过载转矩模式,变频器规格可以降格选取。 　　(3)电磁兼容性。为减少主电源干扰,在中间电路或变频器输入电路中增加电抗器,或安装前置隔离变压器。一般当电机与变频器距离超过50m时,应在它们中间串入电抗器、滤波器或采用屏蔽防护电缆。 2.2 变频器箱体结构的选用 　　变频器的箱体结构要与条件相适应,必须考虑温度、湿度、粉尘、酸碱度、腐蚀性气体等因素。有下列几种常见结构: 　　(1) 敞开型IP00型。本身无机箱,可装在电控箱内或电气室内的屏、盘、架上,尤其适于多台变频器集中使用时选用,但环境条件要求较高。 　　(2)封闭型IP20 型。适于一般用途,可有少量粉尘或少许温度、湿度的场合。 　　(3)密封型IP45 型。适于工业现场条件较差的环境。 　　(4)密闭型IP65 型。适于环境条件差,有水、灰尘及一定腐蚀性气体的场合。 2.3 变频器功率的选用 　　变频器负载率β与效率η的关系为:当β= 50%时,η= 94%;当β= 100%时,η= 96%。虽然β增一倍,η变化仅2%,但对中大功率(几百千瓦至几千千瓦) 电动机而言亦是可观的。系统效率等于变频器效率与电动机效率的乘积。从效率角度出发,在选用变频器功率时,要注意以下几点。 　　(1)变频器功率与电动机功率相当时为最合适,以利于变频器在高效率状态下运转。 　　(2)在变频器的功率分级与电动机功率分级不相同时,则变频器的功率要尽可能接近电动机 　　的功率,并且应略大于电动机的功率。 　　(3)当电动机属频繁启动、制动工作或处于重载启动且较频繁时,可选取大一级的变频器,以利于变频器长期、安全地运行。 　　(4)经测试,电动机实际功率确实有富余,可以考虑选用功率小于电动机功率的变频器,但要注意瞬时峰值电流是否会造成过电流保护动作。 　　(5) 当变频器与电动机功率不相同时,则必须相应调整节能　程序的设置,以利于达到较高的节能效果。 2.4 变频器容量的确定 　　合理的容量选择本身就是一种节能降耗措施。根据现有资料和经验,比较简便的方法有三种。 　　(1) 电机实际功率确定法。首先测定电机的实际功率,以此来选用变频器的容量。 　　(2) 公式法。 　　计算后，按变频器产品目录选具体规格。 　　当一台变频器用于多台电机时,至少要考虑一台电动机启动电流的影响,以避免变频器过流跳闸。 　　(3)电机额定电流法。 变频器容量选定过程,实际上是一个变频器与电机的最佳匹配过程,最常见、也较安全的是使变频器的容量大于或等于电机的额定功率,但实际匹配中要考虑电机的实际功率与额定功率相差多少,通常都是设备所选能力偏大,而实际需要的能力小,因此按电机的实际功率选择变频器是合理的,避免选用的变频器过大,使投资增大。对于轻负载类,变频器电流一般应按1. 1 In ( In 为电动机额定电流) 来选择,或按厂家在产品中标明的与变频器的输出功率额定值相配套的最大电机功率来选择。 2.5 主电源 　　(1) 电源电压及波动。应特别注意与变频器低电压保护整定值相适应(出厂时一般设定为0. 8～0. 9Un ) ,因为在实际使用中,电网电压偏低的可能性较大。 　　(2) 主电源频率波动和谐波干扰。这方面的干扰会增加变频器系统的热损耗,导致噪声增加,输出降低。 　　(3) 变频器和电机在工作时,自身的功率消耗。在进行系统主电源供电设计时,两者的功率消耗因素都应考虑进去。 3 小结 (1) 总之，在设计、安装、使用变频器时一定要遵从变频器使用说明书的指导。 (2) 各电气设计人员，现场电气调试人员可以在此基础上完善此变频器参考。 参考文献 1 冯垛生,张淼.变频器的应用与维护.广州：华南理工大学出版社，2001 2姚锡禄.变频器控制技术与应用.福州：福建科学技术出版社，2005 3李方圆.变频器行业应用实践.北京：中国电力出版社，2006 4石秋洁.变频器应用基础.北京：机械工业出版社，2003 5张燕宾.变频器应用教程.北京：机械工业出版社，2007 作者：张希川，沈阳工业大学，材料科学与工程学院，高级工程师，主要研究方向：焊接材料、工艺及设备，e-mail：zhangxichuan@126.com