摘要：主要介绍了变频器的工作原理、调速性能和节能特性，指出变频器在工业企业的应用中取得了较好的经济效益和社会效益，具有广阔的应用前景。要根据现场情况做好变频器的选型、安装与日常维护工作。
关键词：变频器；节能；工业企业；应用与发展
前言：
我国变频技术起步晚，但发展迅速。1987年成立了国家级电力电子发展规划小组，开发基于变频器的变频调速控制方案，很多研究有了初步成果。二十一世纪后，国产变频器取得了长足发展，比如成功研制解决了功率器件的直接串联技术问题，使真正无输入、输出变压器的直接高压变频器成为现实；还有矢量控制技术变频器和防爆性能的高压变频器先后得到应用。在高压变频器方面，国内的技术水平与国外有着一定差距，但国产变频器性价比逐年提高。
一、变频器技术的发展
变频器技术的发展，其中主要以变频器控制方式的发展和电力电子器件的发展作为基础的。长久以来，人们在交流电机调速方面进行了大量的研究。由脉宽调制到变频变压技术，自20世纪80年代起，变频器进行了商业化；后来，随着磁场定向控制理论，异步电机转子磁场定向矢量控制方法等的出现，成为矢量控制型变频器的理论基础。1985年，德国迪普布罗克首先提出了直接转矩控制理论；1995年，ABB首先推出了直接转矩控制通用变频器，其动态转矩响应已达到小于2ms,不带速度传感器(PG卡)也可以达到（±0.1%）的速度控制精度。电子元器件的长足发展是变频器技术发展的现实基础，从第一代晶闸管(SCR)到门极关断晶闸管(GT0)、双极型电力晶体管(GTR)，再到半导体场效应管(MOSFET)、MOS控制晶体管(MCT)及目前普遍广泛应用的绝缘栅双极型晶体管(IGBT)。另外，集成功率模块(ISPM)的开发应用，将电源电路、整流电路、逆变电路、控制回路、驱动和保护单元等全部整合在一个模块内，使变频器的体积大大缩小，成本大大降低。
二、变频器的基本构成
变频器分为交-交和交-直-交两种方式。工业中常用的通用变频器为交-直-交形式，又称为间接式变频器，是先把工频交流电通过整流器变成直流电，然后再把直流电变换成频率和电压可控制的交流电去驱动电动机。
变频器由主电路(包括整流器、中间直接环节、逆变器)和控制电路组成。整流器把三相交流电整流成直流电；逆变器是利用半导体主开关器件组成的三相桥式逆变电路，通过有规律地控制逆变器中主开关器件的通与断，可以得到任意频率的三相交流电输出；中间直流环节作为储能环节来实现与感性负载的异步电动机交换无功功率，缓冲无功能量。控制电路由运算电路、检测电路、控制信号和驱动电路构成，实现对逆变器的开关控制和各项保护功能。
2.1工作原理
控制系统由变频器主电路和外部二次控制电路组成。变频器经接触器串接于电源与被控三相异步电动机之间，变频器内部由整流器(整流模块)、滤波器(滤波电容)和逆变器(大功率晶体管模块)三大主要部件和以单片机为核心的控制系统构成。主回路是先将工频交流电通过整流器变成直流电，经滤波后，再经过逆变器通过给定输入控制量，将直流电变成可控频率、电压的交流电，供给三相交流异步电动机，实现电动机调速运行。
2.2变频调速的优点
变频调速是调速性能最好且最具有发展前途的调速技术。变频调速产品是工业发达国家中用于三相异步电动机调速的主要产品，占90%左右。其主要优点是：节能效果好，可高达55%以上；调速范围宽，调速比可达到20：1；启动及制动性能好，可实现软启动、自动平滑加减速及快速制动；保护功能完善，可实现过压、欠压、过载、过流、瞬间停电、短路、失速等多种保护方式，且能实现故障判断显示；易于在电子计算机系统中使用，可实现远距离控制。
变频器输出控制电动机转速来控制流量，使机泵的出口阀达到全开状态，扬程与管网阻力特性曲线相吻合，泵出口扬程大幅度下降，电动机输出有功功率也明显降低，获得最佳的节能效果。变频器的应用使节电率达到50%~70%，不但提高了工艺要求，实现了生产过程自动化，而且延长了设备的使用寿命，提升了产品质量，同时减轻了工人的劳动强度，提高了生产效率，取得了较好的经济和社会效益。
三、变频器在风机上的应用
通常在工业生产和产品加工制造业中，风机设备主要用于锅炉燃烧系统、烘干系统、冷却系统、通风系统等场合，根据生产需求对炉膛压力、风速、风量、温度等指标进行控制和调节以适应工艺要求和运行工况。而最常用的控制手段则是调节风门、挡板开度的大小来调整受控对象，这样不论生产的需求大小风机都要全速运转，而运行工况的变化则使得能量被风门、挡板的节流损失消耗掉了。如此在生产过程中，不仅控制精度受到限制，而且还造成大量的能源浪费和设备损耗，从而导致生产成本增加、设备使用寿命缩短、设备维护和维修费用居高不下。在中央空调、炼钢厂、水泥制造、化纤等行业中都用到风机。在没有调速控制之前，一般采用降压启动，并且正常运行后，电动机全速运行，而风量的大小则通过风门来调节。一般情况下，风门的开度为50%~80%，电机只能是满负荷运行，电动机的工作效率很低，造成了很大的浪费，在这种背景下变频技术应运而生了。
变频器的出现很好的解决了根据工况来直接控制风量的大小，满足了工况的要求。变频器是无级调速的，用变频器改造风机，具有以下特点：
1)启动停止平衡，无级调速，调速范围大。
2)工作可靠，能长期稳定运行。
3)操作简便，维护量小。
4)输出特性可满足风机性能要求。
5)节能效果显著。
根据离心泵的特性，风机的流量变化与转速成正比，压力变化与转速成正比，而功率变化与转速变化立方成正比。因此，当风机转速降低时，风量减少，电机功率成立方比下降。因此要提高电动机的工作效率、节约电能，可在风机电动机上安装调速装置。根据工作的情况调节调速器装置就可以满足工作状况的要求。另外，用变频器对风机进行改造不必对原始系统进行大改动。经过变频器改造后，工作状态下让电动机高速运行已达到我们的要求；不工作状态下使电动机低速运转从而达到节约电能。
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其中，鼓风机、引风机、炉排机变频器受燃烧控制系统的控制，给水泵变频器受汽泡水位的控制。控制器的输出信号将控制相关的变频器输出频率，以达到稳定工况及提高锅炉热效率和节能之目的。
通过对变频器在工业锅炉上的应用进行总结，具有以下优点:
1)节电降耗效果显著，操作简便，调节平衡，尤其与微机控制相连更体现了优越性。
2)平滑启动及转机转速下降，机械磨损减小，故障率下降，减少了停机、停炉对生产的影响。
3)挡板和调节阀的机械磨损、卡死等故障不复存在了。
3.1变频器与节能
变频器的最初用途是速度控制，但目前在应用较多的是节能。我国是能耗大国，能源利用率很低，而能源储备不足。据统计，在我国电网的总负载中，动力类占59%，其中的90%是异步电动机，电动机所耗电能占整个工业用电的60%~70%。据分析，我国具有带变动负载节能潜力的电机至少有1.8亿kW。因此国家大力提倡节能，并着重推荐了变频调速技术。应用变频调速，可以大大提高电机转速的控制精度，使电机在最节能的转速下运行。以风机水泵为例，根据流体力学原理，轴功率与转速的3次方成正比。当所需风量减少，风机转速降低时，其功率按转速的3次方下降。如果水泵的效率一定，当要求调节流量下降时，转速可成比例的下降，而此时轴输出功率成立方关系下降，即水泵电机的耗电功率与转速近似成立方比的关系。
3.2变频器的选型与安装
负载的性质决定了变频器的选型和使用。选择使用变频器时必须熟悉所驱动设备的负载性质，了解各种变频器的性能，才能合理正确选用。生产机械的转矩特性分成三种类型：恒转矩负载、风机泵类(减转矩)负载、恒功率负载。选煤生产调速机械设备多为前两种负载特性。恒转矩负载(如胶带输送机、给料机),要求的输入负载转矩与转速基本无关。由于功率与转矩、转速两者之积成正比，所以生产机械所需的功率与转速成正比，变频器驱动该类性质的负载时，低速下的负载转矩要足够大，并且有足够的转矩过载功能，选择变频器时，适当地提高变频器的容量。
3.3变频器的运行与维护
为了确保变频器和电动机能在最佳状态下运行，必须对变频器的有关参数进行合理设置。参数设置主要包括确认电机参数，设定控制方式、起动方式、给定信号的选择，以及结合现场生产工艺情况所作的优化设置。变频器是一种精密的电子装置，使用环境对其正常功能的发挥有直接影响。为了延长使用寿命，减少因突发故障造成的生产损失，必须对变频器进行合理的维护检修。变频器的维护工作主要包括日常维护和定期检查。日常维护主要是检查变频器运行时是否有异常现象。检查变频器和电动机是否有异常振动和异常声音，检查冷却风扇运行是否正常，散热情况是否良好，各种数据显示是否正常，检查历史故障记录等等。定期检查的重点放在变频器运行时无法检查的部位。检查紧固件、接线端子是否松动，进行必要的紧固，检查是否有过热的痕迹；绝缘物是否老化、破损；滤波电容器是否有异常现象。特别是针对恶劣的生产环境，必须定期进行清灰除尘。由于变频器内部器件紧凑，内部积尘很难用吹风机清除干净，这就需要将变频器解体后进行彻底吹灰除尘。对控制板上、散热片上的积灰，要用毛刷重点处理，以利于元器件的散热。由于变频器中有大容量的电解电容器,在清灰除尘和检修维护之前，必须先切断变频器电源，并将电容器两端的电压经由放电电阻放电，以免造成对人、机的损害。长期不用的变频器要定期通电，以防止电解电容器的损坏；再次投入使用前要做通电检查工作。
四、变频技术的现状和发展前景
变频器的品牌和型号繁多，但大部分的产品都是V/F控制和电压空间矢量控制变频器，应用在调速精度和动态性能要求不高的负载上应该没有问题，工业应用中绝大部分都是这种负载。变频器在这种场合应用最重要的要求是可靠性，国产变频器占市场份额不高的主要原因是产品品质不过硬。V/F控制和电压空间矢量控制变频器比矢量控制变频器从技术上来看要简单得多，由于厂家大部分都是手工作坊式的生产，工艺欠佳，检测手段有限，品质的一致性和稳定性难以保证。同样是V/F控制的变频器，国外的产品品质要好，这可能是生产工艺方面的差距。差距最大的是半导体功率器件的制造业，至今在这方面仍是一个空白。
变频器技术的另外一个层面是应用技术。多年来，国家经贸委一直会同国家有关部门致力于变频器技术的开发及推广应用，在技术开发及技术改造方面给予了重点扶持，组织了变频调速技术的评测推荐工作，并把推广应用变频调速技术作为风机、水泵节能技改专项的重点投资方向。同时鼓励单位开展同贷同还方式，抓开发、抓示范工程、抓推广应用，还处理了风机、水泵节能中心，开展信息咨询和培训。1995-1997年，3年间我国风机、水泵变频调速技术改造投入资金3.5亿元，改造总容量达100万千瓦，年节电约7亿度，平均投资回收期约2年。据有关资料表明，我国变频调速技术应用已经取得了相当大的成绩，每年有数十亿元的销售额，说明我国的变频器应用已非常广泛。从简单的手动控制到基于RS485网络的多机控制，与计算机和PLC联网组成复杂的控制系统。在大型综合自动化系统，先进控制与优化技术，大型成套专用系统，如连铸连轧生产线、高速造纸生产线、电缆光纤生产线、化纤生产线、建材生产线等。变频器的作用是电气传动控制，其控制的复杂性、控制精度和动态响应都有很高的要求，已经完全取代了直流调速技术。近年来，变频器在功能上，利用先进的控制理论，开发出了诸如卷取、提升、主从等控制功能，使应用系统的构成更加方便和容易，使变频器的应用技术提高到一个新的水平。
结束语：
变频器一次性投入并不是很大，在目前电源点建设过快、机组绝大部分不能满发的情况下，其节能效果尤为显著，且系统稳定可靠、操作简单、节约能源，并可提高电厂的经济和技术指标，建议更多设备实施变频调节改造。
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论文作者:蔡祖传
论文发表刊物:《电力设备》2018年第28期
论文发表时间:2019/4/1
标签：变频器论文; 转速论文; 转矩论文; 风机论文; 负载论文; 电动机论文; 节能论文; 《电力设备》2018年第28期论文;