变频调速技术的原理及应用

翟弘毅,路林吉

(上海交通大学自动化系,201114）



变频调速技术的原理及应用

翟弘毅,路林吉

(上海交通大学自动化系,201114）

摘要：在交流电动机转速控制的控制上，变频技术是最可靠、最理想、控制效果最明显、节能效果最明显而且最有发展前景的控制技术。本文从以理论为依据，结合变频技术在电动机实际运行中的控制效果。对变频器的调速原理、节能原理；变频器的主要功能；变频器的控制方式等方面的内容进行阐述，表明变频技术的优点和发展前景。

关键词：变频；电机；调速与节能

0　前言

上世纪80年代引进变频技术以来，我国在电动机速动控制和节能等方面优势明显，其功率因数高、调速性能好、能够软启动，是延长设备使用寿命的重要保障。变频技术是现在交流电动机调速手段中最节能、最理想的手段。

1　变频器速度调节原理

1.1变频器调速原理

异步电动机的调速方法分三种：①可以改变电动机的极对数来使其转速变化，但是这种调速的方法存在级差，不可用来实现无极调速，不能使用在水泵、火电厂风机等辅助机械的转速调整。②通过改变转速差率来实现改变异步电机转速，可以实现无极调速，但只能应用在容量比较小的电击上，存在整体效率低下、故障率高的缺陷，不适合用在大容量电动机的速度调节上。③通过改变定子频率进行异步电机转速的调节，也就是变频器使用的调速方法。

1.2变频器的节能原理

变频调速节能、提高功率因数节能、软启节能是变频器的节能原理。

1.2.1变频调速节能法

如果设备容量过大就会产生浪费工频运行的情况，通过变频调速的手段，降低设备的运行速度可以产生非常显著的节能效果。下文，使用风机泵类负载来简述变频节能的原理。

风机泵类负载能够对流体的流量进行控制，风机水泵的容量通常很大，需要以工艺为依据进行控制：一种是通过控制阀门开度进行控制，该方法虽然能够节约一些输入功率，但进行阀门控制时会浪费能量。另一种是利用调节速度的方法进行流量控制，能很好地满足节能的目的。实践中，存在多种调速手段，变频调速的手段有最好的节能效果。

1.2.2提高功率因数节能法

案例2：某大学针对某项政策的态度调查，随机抽取300名该校不同身份的被调查者，了解其对该政策的观点，调查结果如表2所示。

有些时候不必要对电机进行调速，这时提高功率因数就成为变频器节能效果的主要表现，它能减少线路功率的消耗。SPWM正弦脉宽调制型变频器的主电路主要包括：整流器、中间平行波环节、逆变器以及能耗制动回路4个主要部分构成。通过计算，SPWM正弦脉宽调制型变频在电网侧的功率因数几乎是1，但普通电机的自然功率因数在0.76与0.85之间。在电机中采用变频器作为拖动电源时，电机的功率因数能达到0.95到0.98之间，减少电机从电网吸收的无功功率，减少线路的有功功率和无功功率的耗损，且这个形式的耗损是不能通过在低压配电室并联电容的方法来补偿。

1.2.3软启动节能法

电机全压启动、星-三角降压启动和自耦变压器减压启动时，启动的电流能达到4到6倍的额定电流。启动电流如此之大，会造成电机本身大量的铜损，并会增加电路功率的耗损，引发线路电压的波动、冲击机械设备与电网。因此在设计供电系统时须增加变压器的容量，来阻止过大的启动电流对设备造成的损害。

2　变频器的常用功能

2.1升速功能

电动机频率提高的越慢，代表着升速时间越长，电机在启动的时候的转差就越小、动态转矩越小，实际效果就是造成启动电流的减小。电动机的升速越大，说明频路提高的快，在拖动系统惯性大的情况下，电动机转子的速度无法跟上同步转速，造成了转差与动态转矩的加大，使升速电流大于规定的数值。升速本质上是电动机从一个运行稳态达到另外一个运行稳态的过程，当这个过程进行时，一般不开展生产活动，升速的过程应控制不过流，且越快越好。变频机能够预先设置电动机的升速方式，控制不同阶段加速度。

2.2过载保护功能

之所以要对电动机进行过载保护，是为避免电动机过热损坏。变频器通过依据电动机的温度不超过额定值的原则进行电动机的保护。变频器全部安装电子热保护设备，电动机处在不同频率中有不同保护效果，频率越低时持续运行的限制时间就越短。

3　变频器的控制防止

3.1控制方式

一是控制运行方式，指对电动机运行状态的控制，例如提速、降速、正传、反转等。控制的方式有键盘控制、接口控制、外端子控制等。二是控制电机特性的方式，指控制电动机的机械特性，使其满足电动机各种负荷需求的方式，包含无反馈矢量控制方式、V/ F控制方式、有无反馈矢量控制方式等。

3.2运行控制

3.2.1键盘控制

使用安装在变频控制器面板上面的键盘进行控制，能够控制起动、停止、提速、降速、点动、复位等运行方式。

3.2.2外接端子控制

使用外部接入输入端子的方式进行变频器的运行控制，端子中包含正转控制端、反转控制段、点动控制段、复位控制端以及可编程多功能控制端等端子。其中可编程控制段的功能需通过编程模式预设，能实现多挡转速控制、多挡升速时间控制、外部故障信号输入等方式。

3.3电动机特性的控制方式

3.3.1V/F控制方式

V/F控制方式值得是，电动机在低频运行时，改变电压与频率的比值来控制电动机的转矩，来使符合得到满足。每种变频器都有许多条不同补偿程度的V/F线可供使用者按照需求进行选择。

3.3.2矢量控制方式

矢量控制的方法的原理较为复杂，但是其被提出是有着革命性意义的，在实践过程中会发现这种控制方式严重受到电动机参数的制约，实际操作时的效果很难达到预想的状态。

4　结语

变频技术在交流电动机控制方面的应用有很大优势，能够有效、方便控制电动机的启动和运行，且还能起到环保节能、延长电动机使用寿命的作用，既可使电动机在节能最优的状态运行，又能提升对电动机的控制精度。变频技术是现代电气化工业生产中理想的控制手段，通过技术创新将得到更好使用效果。

参考文献

谢健.变频器的节能原理及在浮法玻璃生产线中的应用[J] .国外建技,2007,28(4):

The principle of variable frequency speed regulation technology and application

Zhai Hongyi,Lu Linji
(Department of Automation，Shanghai Jiao Tong University,201114)

Abstract：On the control of ac motor speed control,variable frequency technology is the most reliable and ideal energy saving effect,the control effect is most obvious.This paper based on theory,combined with frequency conversion technology in actual operation of the motor control effect.The frequency converter speed control principle,the energy saving principle; The main function of the frequency converter;Inverter control mode,etc,elaborates the content,shows a bit of frequency conversion technology and development prospects.

Keywords：frequency conversion;The motor;Speed regulation and energy saving