摘 要： 本文作者闡述了交流變頻調(diào)速技術(shù)的原理、特點(diǎn)，以及變頻器的組成結(jié)構(gòu)，并結(jié)合目前的變頻調(diào)速技術(shù)的特點(diǎn)介紹了交流變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展方向。
　　關(guān)鍵詞： 交流變頻調(diào)速技術(shù) 原理 特點(diǎn) 發(fā)展方向
　　
　　1.引言
　　以直流電動(dòng)機(jī)為拖動(dòng)動(dòng)力源，且以電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為控制目標(biāo)的電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)稱(chēng)為“直流調(diào)速系統(tǒng)”；以交流電動(dòng)機(jī)為拖動(dòng)動(dòng)力源、以電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為控制目標(biāo)的電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)稱(chēng)為“交流調(diào)速系統(tǒng)”。20世紀(jì)60年代以前的調(diào)速系統(tǒng)以直流機(jī)組為主，20世紀(jì)60年代開(kāi)始由晶閘管構(gòu)成的直流V—M系統(tǒng)逐步取代了直流機(jī)組。20世紀(jì)70年代中期全世界范圍內(nèi)出現(xiàn)的能源危機(jī)迫使各國(guó)投入了大量的人力財(cái)力來(lái)研究交流調(diào)速系統(tǒng)，交流調(diào)速技術(shù)得到了快速的發(fā)展。20世紀(jì)80年代隨著以IGBT為代表的新型電力電子器件的發(fā)明和不斷完善，以及以矢量控制為代表的各種交流調(diào)速控制理論的深入發(fā)展，加上計(jì)算機(jī)（單片機(jī)、數(shù)字信號(hào)處理器DSP）控制技術(shù)迅速發(fā)展的配合，使交流調(diào)速系統(tǒng)在性能上開(kāi)始可以與直流調(diào)速系統(tǒng)相媲美。之后，交流調(diào)速系統(tǒng)在調(diào)速領(lǐng)域中的比重逐步加大，目前已經(jīng)成為調(diào)速系統(tǒng)的主流。在交流調(diào)速技術(shù)中，變頻調(diào)速具有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，并且它的調(diào)速性能與可靠性不斷完善，價(jià)格不斷降低，特別是變頻調(diào)速節(jié)電效果明顯，而且易于實(shí)現(xiàn)過(guò)程自動(dòng)化，深受工業(yè)用戶(hù)的青睞。
　　2.交流變頻調(diào)速的原理
　　異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速N可以表示為：
　　N=60（f/p）×（1-s）=n2-△n1
　　式中，n2是同步轉(zhuǎn)速，△n1是轉(zhuǎn)差損失的轉(zhuǎn)速，p是磁極對(duì)數(shù)，s是轉(zhuǎn)差率，f是電源的頻率。所以，改變電源頻率就可以改變同步轉(zhuǎn)速和電機(jī)轉(zhuǎn)速。
　　交流異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速是與電源的頻率和電壓等有關(guān)，只要改變電源的頻率或電壓，就能改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。要實(shí)現(xiàn)交流變頻調(diào)速，可將單相（或三相）交流電整流濾波成直流電，再把直流電接人大功率驅(qū)動(dòng)模塊（IGPT）逆變成交流電，再按交流電動(dòng)機(jī)繞組的運(yùn)行規(guī)律去改變功率模塊的導(dǎo)通時(shí)間和相位，就能產(chǎn)生一種三相變頻電（其波形為脈沖寬度不同的矩形波），并使模塊輸出的矩形波中的調(diào)制波按正弦規(guī)律變化（這種方式為脈沖寬度調(diào)制PWM），也就是使驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的電流為正弦波，這就是常見(jiàn)的VVVF變頻電壓型變頻器。
　　實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速的裝置可稱(chēng)為變頻器。其由整流電路、直流中間電路、逆變電路和控制電路組成。如圖1：
　　2.1整流電路。一般的三相變頻器的整流電路由三相全波整流橋組成，它的主要作用是對(duì)工頻的外部電源進(jìn)行整流，并給逆變電路和控制電路提供所需要的直流電源。
　　2.2直流中間電路。直流中間電路是對(duì)整流電路輸出進(jìn)行平滑，以保證逆變電路和控制電源能夠得到質(zhì)量較高的直流電源。
　　2.3逆變電路。它是變頻器最主要的部分之一，其作用是在控制電路的控制下將平滑電路輸出的直流電源轉(zhuǎn)換為頻率和電壓都任意可調(diào)的交流電源。
　　2.4控制電路?？刂齐娐钒ㄖ骺刂齐娐?、信號(hào)檢測(cè)電路、門(mén)極驅(qū)動(dòng)電路、外部接口電路和保護(hù)電路等。其作用是將檢測(cè)電路得到的各種信號(hào)送至運(yùn)算電路，使運(yùn)算電路能夠根據(jù)要求為變頻器主電路提供必要的門(mén)極驅(qū)動(dòng)信號(hào)，并對(duì)變頻器及異步電動(dòng)機(jī)提供必要的保護(hù)；同時(shí)通過(guò)A/D、D/A等外部接口電路接收/發(fā)送多種形式的外部信號(hào)和給出系統(tǒng)內(nèi)部工作狀態(tài)，以便使變頻器能夠和外部設(shè)備配合進(jìn)行各種高性能控制，以便使變頻器能夠和外部設(shè)備配合進(jìn)行各種高性能控制。
　　3.交流變頻調(diào)速的特點(diǎn)
　　3.1調(diào)速時(shí)平滑性好，效率高。低速時(shí)，特性靜差率較高，相對(duì)穩(wěn)定性好。
　　3.2調(diào)速范圍較大，精度高。
　　3.3啟動(dòng)電流低，對(duì)系統(tǒng)及電網(wǎng)無(wú)沖擊，節(jié)電效果明顯。
　　3.4變頻器體移，便于安裝、調(diào)試、維修簡(jiǎn)便。
　　3.5易于實(shí)現(xiàn)過(guò)程自動(dòng)化。
　　3.6必須有專(zhuān)用的變頻電源，目前造價(jià)較高。
　　3.7在恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速時(shí)，低速段電動(dòng)機(jī)的過(guò)載能力大為降低。
　　雖然變頻調(diào)速有諸多優(yōu)點(diǎn)，可達(dá)到與直流變頻調(diào)速器同樣高的精度，且由于交流異步電動(dòng)機(jī)的普及性和可靠性、交流變頻調(diào)速的歷史較長(zhǎng)（以有十多年）等原因發(fā)展迅速，技術(shù)和工藝日臻成熟，但也有其不利因素，主要問(wèn)題是電流中含高次諧波較多，除對(duì)電網(wǎng)有污染外，也使電機(jī)自身增加損耗，引起電機(jī)發(fā)熱。再有，變頻器價(jià)格貴，投資回收期長(zhǎng)，技術(shù)復(fù)雜，尤其在實(shí)現(xiàn)閉環(huán)自動(dòng)控制時(shí)，還需進(jìn)行技術(shù)處理。此外，不是任何情況下變頻器都節(jié)電，如果電機(jī)負(fù)載變化不大，或深井泵配有水塔，節(jié)電、節(jié)水效果都不大，就不宜使用變頻調(diào)速。
　　4.交流變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展方向
　　4.1交流變頻向直流變頻方向轉(zhuǎn)化。直流變頻是以數(shù)字轉(zhuǎn)換電路代替交流變頻中的交流轉(zhuǎn)換電路，使負(fù)載電機(jī)始終處于最佳運(yùn)行狀態(tài)。它拋棄了交流變頻技術(shù)的交流—直流—交流—變轉(zhuǎn)速方式交流電機(jī)的循環(huán)工作方式，采用先進(jìn)的交流直流—變轉(zhuǎn)速方式數(shù)字電機(jī)的控制技術(shù)，無(wú)逆變環(huán)節(jié)，因而減少電流在工作中轉(zhuǎn)變次數(shù)，使電能轉(zhuǎn)化效率大大提高，能夠?qū)崿F(xiàn)精確控制，平穩(wěn)安靜高效地運(yùn)轉(zhuǎn)。同時(shí)，避免了交流變頻電機(jī)電磁噪聲較大的缺點(diǎn)，使噪聲更低。
　　4.2控制技術(shù)有PWM（脈寬調(diào)制）向PAM（脈幅調(diào)制）方向發(fā)展。采用PWM控制方式的電機(jī)轉(zhuǎn)速受到上限轉(zhuǎn)速的限制。如對(duì)壓縮機(jī)來(lái)講，一般不超過(guò)7000r/min。采用PAM控制的壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速可提高1.5倍左右，這樣可大大提高快速制冷和制熱能力。同時(shí)，由于PAM在調(diào)整電壓時(shí)具有對(duì)電流波形的整形作用，因而可以獲得比PWM更高的效率。此外，PAM在抗干擾方面也有著PWM無(wú)法比的優(yōu)勢(shì)，可仰止高次諧波的生成，減少對(duì)電網(wǎng)的污染。
　　4.3功率器件向高集成智能功率模塊發(fā)展。雖然單個(gè)功率器件的效率越來(lái)越高，控制簡(jiǎn)化，但總電路的復(fù)雜性給生產(chǎn)和測(cè)試帶來(lái)不便。智能功率模塊（IPM）是將功率器件的配置、散熱乃至驅(qū)動(dòng)問(wèn)題在模塊中解決，因而易于使用，可靠性高。以變頻空調(diào)為例，我國(guó)的變頻空調(diào)幾乎都采用IPM方式。
　　近年來(lái)帶驅(qū)動(dòng)和保護(hù)電路的智能功率模塊（IPM）相繼面市，IPM是將三相逆變IGBT、驅(qū)動(dòng)電路及保護(hù)電路集成在一塊芯片上。它的出現(xiàn)推動(dòng)了變頻家電市場(chǎng)的啟動(dòng)和發(fā)展。新型IPM模塊甚至將開(kāi)關(guān)電源也設(shè)計(jì)在模塊內(nèi)，更加方便用戶(hù)使用，用戶(hù)只需要了解接口電路和定義，很快可以組成運(yùn)行系統(tǒng)。
　　5.結(jié)語(yǔ)
　　交流變頻調(diào)速是異步電動(dòng)機(jī)最有發(fā)展前途的調(diào)速方法。隨著電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展，性能可靠、匹配完善、價(jià)格便宜的變頻器會(huì)不斷出現(xiàn)，這一技術(shù)會(huì)得到更為廣泛、普遍的應(yīng)用。變頻調(diào)速技術(shù)作為高新技術(shù)、基礎(chǔ)技術(shù)和節(jié)能技術(shù)，已滲透到經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域的所有技術(shù)部門(mén)中。目前，國(guó)外先進(jìn)國(guó)家的變頻技術(shù)正向小型化、高可靠性、抗公害、多功能、高性能等方向發(fā)展，我國(guó)也在加快發(fā)展步伐，并且在交流變頻調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用上取得了很好的成果，經(jīng)濟(jì)效益顯著。
　　
　　參考文獻(xiàn)：
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　?。?］劉競(jìng)成.交流調(diào)速系統(tǒng)［M］.上海：上海交通大學(xué)出版社，1984.
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　　注：“本文中所涉及到的圖表、公式、注解等請(qǐng)以PDF格式閱讀”