李傳鋒 馬志強

上海安悅節(jié)能技術(shù)有限公司

0 引言

變頻調(diào)速技術(shù)，順應(yīng)了工業(yè)生產(chǎn)自動化發(fā)展的要求，開創(chuàng)了一個全新的智能電機時代。變頻調(diào)速技術(shù)改變了普通電動機以定速方式運行的模式，使電動機及其拖動荷載在無須任何改動的情況下即可按照生產(chǎn)工藝要求調(diào)整轉(zhuǎn)速輸出，從而降低電動機功耗達到系統(tǒng)高效運行的目的。目前變頻調(diào)速技術(shù)已在電力、冶金、石油、化工、造紙、食品、紡織等行業(yè)的電機傳動設(shè)備中得到實際應(yīng)用。變頻調(diào)速技術(shù)已成為現(xiàn)代電力傳動技術(shù)的一個主要發(fā)展方向，該技術(shù)卓越的調(diào)速性能、顯著的節(jié)電效果，改善了現(xiàn)有設(shè)備的運行工況，提高了系統(tǒng)的安全可靠性和設(shè)備利用率，延長設(shè)備使用壽命等優(yōu)點隨著應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴大而得到充分體現(xiàn)。如何選擇性能好的變頻器應(yīng)用于工業(yè)控制是電氣行業(yè)技術(shù)人員共同追求的夢想。

異步電機是典型的常規(guī)交流電動機。自現(xiàn)代交流變頻調(diào)速技術(shù)發(fā)明以來，異步電動機驅(qū)動技術(shù)得到廣泛的應(yīng)用和發(fā)展。在進一步研究中，主要針對變頻器拓撲機構(gòu)及控制原理的研究開發(fā)，而在異步電動機設(shè)計和分析方面卻沒有明顯的改變。因此，電氣專業(yè)人重新考慮異步電動機在變頻調(diào)速中的設(shè)計問題勢在必行。

1 變頻器的工作原理

主電路是給異步電動機提供調(diào)壓調(diào)頻電源的電力變換部分，變頻器的主電路大體上可分為兩類：電壓型是將電壓源的直流變換為交流的變頻器，直流回路的濾波是電容。電流型是將電流源的直流變換為交流的變頻器，其直流回路濾波是電感，它由三部分構(gòu)成，將工頻電源變換為直流功率的“整流器”，吸收在變流器和逆變器產(chǎn)生的電壓脈動的平波回路。

1.1 整流器

大量使用的是二極管的變流器，它把工頻電源變換為直流電源。也可用兩組晶體管變流器構(gòu)成可逆變流器，由于其功率方向可逆，可以進行再生運轉(zhuǎn)。

1.2 平波回路

經(jīng)整流器整流后的直流電壓含有電源6倍頻率的脈動電壓，此外，逆變器產(chǎn)生的脈動電流也使直流電壓波動。為了抑制電壓波動，采用電感和電容吸收脈動電壓（電流）。當(dāng)裝置容量相對小時，如果電源和主電路構(gòu)成器件有余量，可省去電感而采用簡單的平波回路。

1.3 逆變器

同整流器相反，逆變器是將直流功率變換為所要求頻率的交流功率，以所確定的時間使6個開關(guān)器件導(dǎo)通、關(guān)斷即可得到3相交流輸出。以電壓型pwm逆變器為例示出開關(guān)時間和電壓波形。

控制電路是給異步電動機供電（電壓、頻率可調(diào)）的主電路提供控制信號的回路，它由頻率、電壓的“運算電路”、主電路的“電壓、電流檢測電路”、電動機的“速度檢測電路”、將運算電路的控制信號進行放大的“驅(qū)動電路”、以及逆變器和電動機的“保護電路”組成。

1)運算電路：將外部的速度、轉(zhuǎn)矩等指令同檢測電路的電流、電壓信號進行比較運算，決定逆變器輸出電壓、頻率。

2)電壓、電流檢測電路：與主回路電位隔離檢測電壓、電流等。

3)驅(qū)動電路：驅(qū)動主電路器件的電路。它與控制電路隔離使主電路器件導(dǎo)通、關(guān)斷。

4)速度檢測電路:以裝在異步電動機軸機上的速度檢測器(tg、plg等)的信號為速度信號，送入運算回路，根據(jù)指令和運算可使電動機按指令速度運轉(zhuǎn)。

5）保護電路：檢測主電路的電壓、電流等，當(dāng)發(fā)生過載或過電壓等異常時，防止逆變器和異步電動機損壞。

2 變頻器對異步電機的變頻調(diào)速

2.1 異步電機

異步電動機又稱感應(yīng)電動機,是由氣隙旋轉(zhuǎn)磁場與轉(zhuǎn)子繞組感應(yīng)電流相互作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩,從而實現(xiàn)機電能量轉(zhuǎn)換為機械能量的一種交流電機。異步電動機按轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)分為兩種形式:有鼠籠式異步電動機和繞線式異步電動機。三相異步電動機是由三相交流電作為電源，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速稍低于電磁轉(zhuǎn)速的電機，將這類電機的三根電源線任意兩根對調(diào)就能改變它的旋轉(zhuǎn)方向，三相水泵反接會造成出水量小，揚程低。三相星型接法為將電動機三組線圈的頭或者尾接成一個點（每組線圈有兩個點，即首和尾，所以一般電動機都有六個接線柱）然后將另外三個點接上電源，這種接法為星型接法，日常見到的電動機上，是把上面一排三個接線柱連接在一起，下面三個接線柱接電源，這種接法是星型接法。三角型接法是讓電機定子的三組繞組首尾連接，日常見到的電機是將六個接線柱上下兩兩接在一起，在下面三個接線柱上接入電源，這就是三角型連接。三角型和星型接法的不同在于改變繞組兩端的電壓，即改變它的功率，一個三角型接法的電機接成星型功率就沒有原來的大了，但是一個設(shè)計時就工作在星型接法的電動機是不能接成三角型連接否則電機會發(fā)熱燒毀。

2.2 變頻器供電下的電機運行條件

在變頻器供電方式下，異步電機的運行條件有較大的變化，常規(guī)異步電機設(shè)計和分析方法已不能與之相適應(yīng)。

常規(guī)異步電機的基本設(shè)計要點：

（1）滿足所需要的啟動特性;

（2）具有良好的穩(wěn)定運行狀況;

（3）制造簡便。

為滿足啟動要求，通常將轉(zhuǎn)子槽設(shè)計成深槽或雙鼠籠槽，利用其集膚效應(yīng)增加啟動時的轉(zhuǎn)子電阻，從而提高啟動轉(zhuǎn)矩。但是，這既降低了電機穩(wěn)定正常運行時的特性(如降低了效率和功率因素)，又增加了制造加工的難度。對于變頻器供電下的異步電機，由于可方便地調(diào)頻調(diào)壓，使其機械特性曲線可以有條件的平移。當(dāng)頻率下降時，曲線左移;當(dāng)頻率上升時，曲線右移，由此給電機運行帶來新的變化，主要體現(xiàn)在以下幾方面:

（1）電源頻率變小，電機機械特性可隨之左移。由此可通過調(diào)頻直接利用其最大轉(zhuǎn)矩作為啟動轉(zhuǎn)矩，在提高穩(wěn)定運行性能的目標(biāo)基礎(chǔ)上對轉(zhuǎn)子槽型進行優(yōu)化設(shè)計。

（2）變頻器適當(dāng)?shù)刈冾l變壓，可將異步電機調(diào)節(jié)在最佳運行點上，即得到最小滑差、最大效率和高功率因素。在保證出力不變的情況下，可用最大效率和高功率因素代替額定效率和額定功率因素，以減小電機尺寸，減輕其重量和降低成本。

2.3 設(shè)計要點

2.3.1 散熱問題

變頻器發(fā)熱是由內(nèi)部的損耗產(chǎn)生。在變頻器各部分損耗中主要以主電路為主，約占98%，控制電路占2%。為了保證變頻器正常可靠運行，必須對變頻器進行散熱。通常采用風(fēng)扇散熱，變頻器的內(nèi)部風(fēng)扇可將變頻器的箱體內(nèi)熱量帶走，若風(fēng)扇不能正常工作，應(yīng)立即停止變頻器運行。大功率的變頻器還需要在控制柜上加風(fēng)扇，控制柜的風(fēng)道需設(shè)計合理，所有進風(fēng)口要設(shè)置防塵網(wǎng)，排風(fēng)通暢，避免在柜中形成渦流，在固定的位置形成灰塵堆積。根據(jù)變頻器說明書的通風(fēng)量來選擇匹配的風(fēng)扇，風(fēng)扇安裝要注意防震。

2.3.2 電磁干擾問題

1）變頻器在工作中由于整流和變頻，在其周圍產(chǎn)生了很多的干擾電磁波，這些高頻電磁波對附近的儀表、儀器有一定的干擾，并產(chǎn)生高次諧波，這種高次諧波會通過供電回路進入整個供電網(wǎng)絡(luò)，從而影響其他儀表。當(dāng)變頻器的功率占整個系統(tǒng)25%以上時，需要考慮控制電源的抗干擾措施。

2）當(dāng)系統(tǒng)中有高頻沖擊負載，如電焊機和電鍍電源時，變頻器本身會因為干擾而出現(xiàn)保護，則需考慮整個系統(tǒng)的電源質(zhì)量問題。

2.3.3 防護問題

1）防水防結(jié)露：如果變頻器放在現(xiàn)場，需要注意變頻器柜上方不能有管道法蘭或其他漏點，在變頻器附近不能有噴濺水流，現(xiàn)場柜體防護等級在IP43以上。

2）防塵：所有進風(fēng)口要設(shè)置防塵網(wǎng)以阻隔絮狀雜物進入，防塵網(wǎng)應(yīng)設(shè)計為可拆卸式，以便清理和維護。防塵網(wǎng)的網(wǎng)格根據(jù)現(xiàn)場的具體情況確定，防塵網(wǎng)四周與控制柜的結(jié)合處需處理嚴(yán)密。

3）防腐蝕性氣體：在化工行業(yè)此情況相對較常見，此時可以將變頻柜放在控制室中。

2.3.4變頻器接線規(guī)范

信號線與動力線必須分開布線：使用模擬量信號進行遠程控制變頻器時，為了減少模擬量受來自變頻器和其他設(shè)備的干擾，將控制變頻器的信號線與強電回路（主回路及順控回路）分開布線，相隔距離應(yīng)在30cm以上。即使在控制柜內(nèi)，同樣應(yīng)保持此接線規(guī)范。該信號與變頻器之間的控制回路線長不能超過50m。

信號線與動力線必須分別放置在不同的金屬管道或者金屬軟管內(nèi)部。連接PLC和變頻器的信號線如果不放置在金屬管道內(nèi)，極易受到變頻器和外部設(shè)備的干擾，同時由于變頻器無內(nèi)置的電抗器，變頻器的輸入和輸出級動力線對外部會產(chǎn)生極強的干擾，因此，放置信號線的金屬管或金屬軟管需要延伸到變頻器的控制端子處，以保證信號線與動力線互不干擾。

模擬量控制信號線應(yīng)使用雙股絞合屏蔽線，電線規(guī)格為0.75mm2。在接線時一定要注意，電纜剝線要盡可能的短（5mm～7mm），同時對剝線以后的屏蔽層要用絕緣膠布包起來，以防止屏蔽線與其它設(shè)備接觸引入干擾。

為了提高接線的簡易性和可靠性，推薦信號線上使用壓線棒端子。

2.3.5 變頻器的運行和相關(guān)參數(shù)的設(shè)置

變頻器需設(shè)定的參數(shù)較多，每個參數(shù)均有一定的選擇范圍，使用中常遇到因個別參數(shù)設(shè)置不當(dāng)，導(dǎo)致變頻器不能正常工作的現(xiàn)象。

控制方式：即速度控制、轉(zhuǎn)距控制、PID控制或其他方式。采取的控制方式，一般需要根據(jù)控制精度，進行靜態(tài)或動態(tài)辨識。

最低運行頻率：電機在低轉(zhuǎn)速下運行時，其散熱性能較差，電機長時間運行在低轉(zhuǎn)速下，會導(dǎo)致電機燒毀。而且當(dāng)電機在低速時，其電纜中的電流也會增大，將會導(dǎo)致電纜發(fā)熱。

最高運行頻率：通常的變頻器最大頻率為60Hz，但有的變頻器最大頻率可達到400 Hz。高頻率將使電機高速運轉(zhuǎn)，這對普通電機來說，其軸承不能長時間的超額定轉(zhuǎn)速運行。因此最高運行頻率取決于電機的轉(zhuǎn)子是否能承受相應(yīng)的離心力。

載波頻率：載波頻率設(shè)置得越高其高次諧波分量越大，這和電纜的長度，電機發(fā)熱，電纜發(fā)熱和變頻器發(fā)熱等因素密切相關(guān)。

電機參數(shù)：變頻器在參數(shù)中設(shè)定電機的功率、電流、電壓、轉(zhuǎn)速和最大頻率，這些參數(shù)可從電機銘牌中直接獲得。

跳頻：在某個頻率點上，有可能會發(fā)生共振現(xiàn)象，尤其在整個裝置比較高時；在控制壓縮機時，要避免壓縮機的喘振點。

3 變頻器技術(shù)的發(fā)展

3.1 現(xiàn)狀

與發(fā)達國家相比，我國的變頻器技術(shù)相對較落后。20世紀(jì)80年代初，大連電機廠引進日本東芝的變頻技術(shù)。日本三墾公司、富士電機公司的變頻器進入中國，使我國的電機調(diào)速技術(shù)打破了直流調(diào)速的局面，開始了交流電機變頻調(diào)速時代。1996年，國家原機械部等四部委推薦國產(chǎn)29個廠33個規(guī)格的變頻器。但由于大部分本土企業(yè)受技術(shù)、資金和體制等方面制約，發(fā)展較慢，難以形成與國外品牌抗?fàn)幍木置妗?/p>

隨著變頻器產(chǎn)品在發(fā)達國家的廣泛應(yīng)用，20世紀(jì)80年代后期，以日本品牌為代表的外資品牌開始進入中國大陸，成為中國變頻器行業(yè)的開端。經(jīng)過20多年的推廣和使用，變頻器已得到廣大企業(yè)用戶的認可，外資品牌從三肯、富士兩個品牌發(fā)展到目前的40余個品牌，同時也涌現(xiàn)了近百個內(nèi)資品牌，品牌總數(shù)達到140多個。從整體看，雖然國產(chǎn)品牌的數(shù)量眾多，但絕大多數(shù)品牌的產(chǎn)銷規(guī)模較小，綜合競爭力較弱。21世紀(jì)以來，我國的變頻器行業(yè)有了較大的變化。眾多外資品牌在中國建廠，實施本地化經(jīng)營。原有內(nèi)資品牌的人員和資金不斷分離，成立了眾多企業(yè)，主要集中在沿海地區(qū)的廣東、浙江、山東、上海等地區(qū)。在國家宏觀政策的支持和鼓勵下，近幾年內(nèi)資品牌中出現(xiàn)了少數(shù)有行業(yè)優(yōu)勢的企業(yè)，其生產(chǎn)規(guī)模和產(chǎn)品綜合性能已有較大提高。雖然尚未具備與西門子、ABB等國際品牌展開全面競爭的實力，但與日本、臺灣、韓國等地品牌相比已在部分細分產(chǎn)品和市場上顯示出一定的競爭優(yōu)勢，市場份額逐步擴大，使國內(nèi)變頻器市場的競爭格局有了較明顯的改觀。

3.2 國內(nèi)變頻器技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展前景

變頻運行，使其耗電量實現(xiàn)隨負荷大小而變化，則可節(jié)約大量能源。

變頻運行的方式很多，其中變頻調(diào)速優(yōu)于以往交流調(diào)速方式，目前變頻調(diào)速效益最高、性能最好、應(yīng)用最廣。在國外尤其是在日美德英等工業(yè)發(fā)達國家獲得了廣泛的應(yīng)用，是自動化電力的發(fā)展方向,變頻調(diào)速已達到了交流電機的調(diào)速要求。但在許多條件下，為了保持在調(diào)速時電機的最大轉(zhuǎn)矩不變，必須維持電機的磁通量恒定，因此，定子器是利用變頻調(diào)速技術(shù)開發(fā)的典型產(chǎn)品，兼有調(diào)頻調(diào)壓兩種功能。

由于采用了微處理器編程的正弦波調(diào)制,電流輸出波形近似于正弦波，故可用于驅(qū)動普通型交流異步電機或變頻專用電機實現(xiàn)無級調(diào)速。

在眾多調(diào)速技術(shù)中，變頻器之所以受人矚目，是因為它能根據(jù)負載的變化使電機實現(xiàn)自動平滑的增速或減速，調(diào)速特性基本保持了異步電機固有轉(zhuǎn)差率小的特點，且能無級調(diào)速，是異步電機最理想的調(diào)速方法，尤其適用于水泵和風(fēng)機與傳統(tǒng)的門檔板調(diào)節(jié)相比，節(jié)電率較高。從單機傳動到多機協(xié)調(diào)聯(lián)動，從紡織印染到交通運輸，從飼料和食品加工到鋼鐵冶練等使用電機的場合，由于變頻器的使用，把調(diào)速效率和精度提高到前所未有的水平。變頻調(diào)速是通過改變定子供電頻率來達到電機調(diào)速的目的。由于異步電機的同步轉(zhuǎn)速與輸入電源應(yīng)用于精密加工設(shè)備自動生產(chǎn)線機器人等高新領(lǐng)域，靜止可控交流、直流調(diào)速成為調(diào)速系統(tǒng)中的主力軍。但由于直流電機造價高，需時常清理，維修不便，工礦交流電需變成直流供電等原因，促進了交流調(diào)速技術(shù)得以廣泛應(yīng)用。變頻器特別適用于流量要求不穩(wěn)定，變化范圍較大需經(jīng)常調(diào)節(jié)的場合，由于其改造技術(shù)簡便，運行及維修費少，故經(jīng)濟效益可觀。

隨著工業(yè)自動化程度的不斷提高和能源全球性短缺趨勢的加劇，變頻器越來越廣泛地應(yīng)用在機械、紡織、化工、造紙、冶金和食品等各個行業(yè)及風(fēng)機水泵等設(shè)備的節(jié)能場合，取得了明顯的經(jīng)濟效益和社會效益。除日本之外，美英德法意等工業(yè)發(fā)達國家目前也都己形成了較完整的變頻器技術(shù)產(chǎn)業(yè)體系。這些高精度、多功能、智能化的產(chǎn)品進一步擴大了變頻器的應(yīng)用領(lǐng)域。

國外變頻器產(chǎn)業(yè)的興起和發(fā)展也引起了中國有關(guān)部門的關(guān)注。國家能源部原電子部對這項高節(jié)電、高效率能大幅度改善工藝性能的新技術(shù)極為重視。

1987年成立了國家功率電子技術(shù)發(fā)展規(guī)劃組，制定開發(fā)以變頻器為主的變頻調(diào)速發(fā)展規(guī)劃。同年，國務(wù)院和國家經(jīng)委在有關(guān)文件中強調(diào)應(yīng)將交流電機的調(diào)速節(jié)電作為重點措施推廣。原電子工業(yè)部在規(guī)劃中將以變頻器時代的節(jié)能電子技術(shù)列為發(fā)展重點之一，希望通過對中國現(xiàn)有100余家科研生產(chǎn)單位在從事變頻器技術(shù)的研宄與產(chǎn)品生產(chǎn)，個別生產(chǎn)廠家從日美等國引進了較為先進的變頻器生產(chǎn)線。與國外相比，中國變頻器產(chǎn)業(yè)的發(fā)展還不盡人意，仍存在許多問題和困難，集中體現(xiàn)在變頻器的技術(shù)水平，如功率等級在150kW以下的相關(guān)配套產(chǎn)業(yè)，所用功率電子器件和半導(dǎo)體器件的制造業(yè)基礎(chǔ)薄弱等。然而，從市場來看，變頻器的應(yīng)用在各個領(lǐng)域己逐漸展開，市場潛力極大。如果現(xiàn)在尚不壯大國內(nèi)變頻器產(chǎn)業(yè)，則中國勢必會失去在這個領(lǐng)域的發(fā)展良機，正趨上升的國內(nèi)市場需求也勢必被國外產(chǎn)品所占據(jù)。目前我國用于購置變頻器的費用雖高達數(shù)億元，但真正用于購買國產(chǎn)變頻器的費用偏少，這無疑值得中國變頻器行業(yè)的經(jīng)營者深思。