变频调速的探讨
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摘要：随着生产技术的不断发展，对电机的调速性能也提出了更高的要求。发展节能、省力、易于构成自控系统的变频调速技术是当务之急。本文介绍了变频调速的发展、工作原理、优点。
关键词：变频调速；工作原理；优点；
中图分类号：TN830.2文献标识码： A 文章编号：
变频器的发展
随着工业自动化水平的不断提高和电力电子技术的发展，政府号召节约资源、企业需要降低成本、市场呼吁节能技术和产品的需求，变频调速是交流调速中的发展方向，是现代电力传动技术重要的发展方向。
20世纪60年代以后，电力电子器件经历了SCR(晶闸管)、GTO（门极可关断晶闸管）、BJT（双极型功率晶体管）、MOSFET(功率场效应晶体管)，SIT（静电感应晶体管）、SITH(静电感应晶闸管)、MGT（MOS控制晶体管）、MCT（MOS控制晶闸管）、IGBT（绝缘栅双极型晶体管）、HVIGBT（耐高压绝缘栅双极型晶闸管）、IGCT（集成门极换流器晶闸管）、PIC（功率集成电路）的发展过程，器件的更新促进了电力电子变换技术的不断发展。20世纪70年代开始，脉宽调制变压变频（PWM-VVVF）调速研究引起了人们的高度重视。20世纪80年代，作为变频技术核心的PWM模式化问题吸引着人们的浓厚兴趣，并得出诸多模式。20世纪80年代后半期开始，美、日、德、英等发达国家的VVVF变频器已投入市场并获得广泛应用，而从20世纪90年代以来，随着人们节约资源意识的增强，变频器的应用越来越普及。
变频调速的工作原理
由电机学知识知道：
异步电动机同步转速，即旋转磁场转速为：
n1=60f1/p
f1：供电电源频率，p：电机极对数
异步电动机轴转速为：
n=n1（1-s）=60f1（1-s）/p
s：异步电动机的转差率，s=（n1-n）/n
由此知电机的旋转速度近似地取决于电机的极数和频率。由于电机的工作原理决定电机的极数是固定不变的，且该极数值不是一个连续的数值（为2的倍数，例如极数为2，4，6），所以一般不适合通过改变该值来调整电机的速度。由于电机的转速与电源频率成正比，且频率能够在电机的外面调节后再供给电机，所以可通过改变电源输出频率，从而自由调节电机的转速,实现平滑的无级调速。
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各种频率的交流电源的电控装置。按主回路电路结构，变频器分为交-交变频器和交-直-交变频器。
现在我们主要介绍一下交-直-交变频器，其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电压和频率均可控制的交流电源以供给电动机。交-直-交变频器的电路一般由整流器、中间直流环节、逆变器和控制电路4个部分组成。整流器是把三相（或单相）交流电整流成直流电；逆变器为通过规律的控制逆变器中主开关器件的开与断，输出任意频率的三相交流电；中间直流环节通过储能元件缓冲中间直流环节与电动机之间交换的无功功率；控制电路是完成对逆变器的开关控制、对整流器的电压控制及各种保护功能。变频器按照缓冲无功功率的中间直流环节的储能元件是电容还电感，分为电压型变频器和电流型变频器。图一所示为交-直-交电压型变频器的基本构成。
图一：交-直-交电压型变频器的基本构成
变频调速的优点
控制电机的启动电流
当电机通过工频直接启动时，它将会产生7到8倍的电机额定电流。这个电流将使电机绕组产生大量热量，从而降低电机寿命。而变频调速则可以在零速零电压启动。变频器通过V/f控制特性，即恒转矩调速（基频以下调速）和恒功率调速（基频以上调速）；或者矢量控制方式实现变频调速，充分降低启动电流，提高绕组承受力，从而使电机的维护成本进一步降低，增加电机的寿命。
可控的加速功能
变频调速能在零速启动并按照用户的需要进行光滑调速，且加速曲线也可以选择（直线加速、S形加速或自动加速）；而通过工频启动则会对电机或相连的机械部分轴或齿轮产生剧烈的振动。这种振动将进一步加剧机械磨损和损耗，降低机械部件和电机的寿命。
可调速的运行速度
运用变频调速能优化工艺过程，并能根据工艺过程迅速改变。由于采用芯片统一控制和PLC外端电路接V1相结合，使调速系统具有很高的可靠性。同时利用PLC强大的控制能力，可以实现灵活的控制方式。
可调的转矩极限
通过变频调速后，能够设置相应的转矩极限来保护机械部件不致损坏，从而保证工艺过程的连续性和产品的可靠性。目前的变频技术使得不仅转矩极限可调，甚至转矩的控制精度都能达到3%～5%左右。而在工频状态下，电机只能通过检测电流值或热保护来进行控制，而无法像在变频控制一样设置精确的转矩值来动作。
受控的停止方式
如同可控的加速一样，在变频调速中，停止方式可以受控，并且有不同的停止方式可以选择（减速停车、自由停车、减速停车+直流制动），同样它能减少对机械部件和电机的冲击，从而使整个系统更加可靠，寿命也相应增加。
四、结论
综上所述，变频调速具有调速平滑、调速范围宽、效率高、特性好、结构简单、机械特性硬、保护功能齐全、运行平稳安全可靠特点，在生产过程中能获得最佳速度参数，是理想的调速方式。因此以控制频率为目的的变频器，是作为电机调速设备的优选设备。由于它能提供精确的速度控制，所以可以方便地看着机械的上升、下降和变速运行，大大地提高了工艺的高效性（变速不依赖于机械部分），同时比原来定速运行的电机更加节能。
因此变频调速技术是改造挖潜、增加效益的一条有效途径。尤其是在高能耗、低产出的设备较多的企业，采用变频调速装置将使企业获得巨大的经济利益，同时这也是国民经济可持续发展的需要。
参考文献：
[1] 陈伯时，陈敏逊主编，交流调速系统[M]，北京：机械工业出版社，1998.5-35
[2] 王占奎等，变频调速应用百例[M]，北京：科学出版社，1998
[3] 刘伟强，变频器基础及应用[M]，北京：冶金工业出版社，2003
[4] 罗春民，我国变频调速技术的发展概况[J],广东科技，2007（04）
作者信息
王海霞：山东省冶金设计院股份有限公司电气室 ，山东 济南 250101助理工程师
张媛媛：山东省冶金设计院股份有限公司电气室 ，山东 济南 250101工程师