摘要：变频调速技术是一个综合性的技术，本文介绍了变频调速技术的基本概念、工作原理和技术特点，并对其发展趋势与应用进行了展望。
关键词：变频调速；技术特点；展望；应用
前言：交流传动与控制技术是目前发展最为迅速的技术之一，这是和电力电子器件制造技术、变流技术、控制技术以及微型计算机和大规模集成电路的飞速发展密切相关的。交流调速取代直流调速，计算机数字控制技术取代模拟控制技术已成为发展趋势。电动机交流变频调速技术已成为节能、改善工艺流程，提高产品质量和改善环境、推动技术进步的有效措施。变频调速以其优异的调速和起制动性能，高效率、高功率因数和节能效果，广泛的适用范围及其它许多优点而被国内外公认为最有发展前途的调速方式，其重要性日益得到世界各国的重视。在世界能源紧缺的今天，开展交流变频调速技术的研究，推广其应用，有着非常重大的现实意义和巨大的经济价值及社会价值。
1 变频器概述
变频调速系统由变频器、传动电动机和控制装置组成，有的把控制装置归并于变频器，有的还包括负载。变频器将电网固定频率变成可调的频率，输送给电动机，实现变频调速，因此变频器是调速系统的核心部件。
1.1变频器的基本概念
变频器也叫电动机变频调速器，是一种静止的频率变换器。它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，它具有高效率的驱动性能和良好的控制特性。
变频器由主回路和控制回路两部分组成，如图1所示。
图1变频器的电路组成结构
主回路由整流器、滤波器和逆变器三个主要部件构成。逆变器可用不同器件构成，如高频变频器用功率MOS晶体管，大容量变频器用GTO晶闸管，中小型变频器用IGBT晶体管等。控制回路由单片机、驱动回路和光电隔离电路构成。
1.2变频器的基本工作原理
交流电源经整流、滤波后变成直流电源，控制回路有规律地控制逆变器的导通与截止，使之向异步电动机输出电压和频率可变的电源，驱动电动机运行，整个系统是开环的。变频器基本结构如图2所示。
图2变频器基本结构
对于速度、精度和响应快速性要求较高的系统，采用图2的开环系统是不够的，还需要由变频器主回路及电动机侧检测反馈信号，经运算回路综合后控制触发回路，此时的系统是闭环的。
2 变频调速的技术特点
（1）启动性能好。大功率电动机启动时，由于启动电流很大，容易产生操作过电压、操作电动机绝缘，严重威胁电动机使用寿命。而且启动瞬间电网电压会大大下降，影响其它用电设备的正常运行。采用变频调速，可以实现电动机软启动，使电动机转速慢慢升高，启动时最大电流可按需要限制在一定范围内。
对电网的冲击和机械负载的冲击都大大减小，同时延长了电动机和风机的寿命。
（2）调速性能好。若均匀地改变供电频率，即可平滑地改变电动机的转速。变频调速属于无级调速，因此其调速平滑，减少了对机械负载的冲击，变频器可以实现零频率到50Hz输出，甚至可达数百赫兹，具有很宽的调速范围，且线性度可达0.99。
（3）功率因数高。电动机的无功功率通过变频器直流环节的滤波电容进行了瞬时补偿，变频器的输入功率因数可达0.95以上。相对电动机直接工频运行而言，功率因数大大改善，对低速电动机效果尤为明显。
（4）节能效果显著。由于最终的能耗是随着电动机转速的下降，其功率消耗会以三次方的速度大幅下降，所以采用变频后，大大地节约了成本，投资回报更快，用户也愿意接受。
（5）对电压波动适应能力强。可实现电动机频繁启停、电动机正反转（不需要借接触器），最大限度的不间断无跳闸运行。变频器对电网电压波动有极强的适应能力，在10%～5%额定电压范围内可满载输出。变频器可以在电压下降情况下降额运行，完全失去电压5个周期内可满载运行不跳闸；轻载运行时则持续周期更长。
（6）机械磨损少。实现变频调速后，风机经常在额定转速以下运行，介质对风机风扇和挡板的磨损，轴承的磨损，密封的损坏都大大降低，减少了维护工作量。增加了设备的使用寿命，延长了设备的使用周期，降低了维修成本。电动机运行的振动和噪声也明显降低。
（7）提高自动控制水平。高压变频器与火电厂的DCS相连，可以实现高精度、宽范围的无级调速，全面满足各种复杂工艺的需要，提高生产效率和机组自动化水平。采用变频调速后，可以很方便地构成闭环控制，进行自动调节，调节器输出的4～20mA信号输到变频器，通过变频器调节电动机转速，可以平稳地调节风量，且线性度较好，动态响应快，使设备在更经济的状态下安全稳定运行。
（8）可靠的保护功能。变频器具有过压保护、欠压保护、缺相保护、输出接地保护、输出短路保护、过流保护、变压器过载保护等功能。
（9）低频谐波污染。变频器的输出端通常具有PWM调制能力，一定程度上改善了对电动机供电的谐波影响，但输入端却大多为普通移相整流，低频状态下波形畸变很大，这将给电网造成较大的谐波污染，特别是在没有电磁隔离时，影响更为严重。
（10）成本高。变频调速的缺点主要表现在高压、大容量调速上，由于电源电压高（多为6-10kV），变频装置受电力电子器件耐压能力限制，难以直接承受，被迫采用变压器降压，常用高-低和高-低-高两种变频调速系统，显然，这两种系统增大了成本和损耗，致使系统复杂化。另外，变频器与电动机形成串联系统，变频器容量须大于电动机容量，也是造成价格高昂的主要原因。
3 变频调速技术的应用
变频器的典型应用是各种机械设备以调速、节能为目的的调速控制，其中又以风机、泵类设备的调速控制为重点。在根据水泵、风机的容量来选择电动机容量时一般都是按照最大容量进行设计的，而风机、水泵一个大的特点就是负载转矩与转速的平方成正比，轴功率与转速的立方成正比。因此，将从前的电动机以定速运转，用档板、阀门调节流量的方法，改用根据所需的流量调节转速，就可获得大量的节电效果。根据调节设备负荷变化情况，把用档板、阀门调节流量的方法，改用根据所需的流量调节转速，一般都可以节电30%~50%左右。
在中国火力发电厂中，风机和泵的用电量占火力发电厂的自用电量的65%左右，这是中国火力发电厂厂用电率高的主要原因。其中，循环水泵、给水泵、灰渣（浆）泵、引风机、送风机、排粉机等更是用电大户，对这些设备进行变频调速改造，将大大降低能源消耗，降低厂用电率，节约生产成本。
4 发展展望
交流变频调速技术是强弱电混合、机电一体的综合性技术，既要处理各种等级的电能的转换（整流，逆变），又要处理信息的收集、计算变换和传输，还要解决安全可靠等问题，因此它的共性技术必定分成功率和控制两大部分，或者说分为硬件和软件两大部分。前者要解决与高压大电流有关技术问题以及高速处理大量数据的实时计算，后者要解决基于现代控制理论的控制策略和智能控制策略的硬软件开发问题，在目前状况下主要是全数字控制问题。故变频调速技术的发展方向如下：
4.1硬件上的发展趋势是：主控一体化、小型化、低电磁噪音化、专用化和系统化。
4.2软件上的发展趋势是：以现代控制论为基础，融入模糊控制、专家控制、神经网络控制，以形成高智能化的自动控制系统。
5结语
在世界能源紧缺的今天，为了尽快缩小我国与世界工业发达国家的差距，在对国外先进技术进行消化的同时，应用先进控制原理和现代控制理论，积极开展变频调速系统的控制策略与控制方法的研究，站在高起点上结合我国国情开发自己的产品，加快变频调速技术的推广应用，具有十分积极的意义，有着显著的经济效益和社会效益。
参考文献：
[1]赵相宾.谈我国变频调速技术的发展及应用[J].电气传动，2002（2）：18-20.
[2]吴秋生.交流传动的应用与展望[J].自动化博览，2004（2）：12-15.
[3]现代交流传动系统调速技术综述[J].郭前岗，李耀华，孟彦京.微计算机信息.2004（11）
[4]变频技术的前景及影响其应用的主要因素[J].吴林霞.广东水利水电.2001（S2）
[5]变频调速技术的应用[J].田强.内蒙古电力技术.1998（06）
[6]谈我国变频技术的发展[J].杜俊明.自动化博览.2008（S1）
[7]变频调速技术及发展动向综述[J].杨继红，李兴山.内江科技.2007（01）
[8]变频器的现状及变频技术的发展方向[J].杨国福.江苏电器.2007（03）
论文作者:胡怀臣
论文发表刊物:《基层建设》2019年第17期
论文发表时间:2019/9/11
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