第1章 變頻器基礎(chǔ)知識(shí)

變頻器是一種將固定頻率的交流電轉(zhuǎn)變成連續(xù)可調(diào)的交流電的裝置。變頻器的問世，對(duì)電氣調(diào)速領(lǐng)域具有十分重要的意義。交流電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)在節(jié)能、改善生產(chǎn)流程、提高產(chǎn)品質(zhì)量和易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制等方面有許多優(yōu)勢(shì)，是目前國際公認(rèn)的最有發(fā)展前途的調(diào)速方式。

1.1 變頻調(diào)速技術(shù)概況

1.1.1 調(diào)速技術(shù)的發(fā)展

我們知道，幾乎所有的生產(chǎn)機(jī)械在傳動(dòng)時(shí)都需要調(diào)速。調(diào)速傳動(dòng)在最初以蒸汽源為主時(shí)，只能采用低效的蒸汽式機(jī)械調(diào)速傳動(dòng)（如圖1-1所示）。當(dāng)內(nèi)燃機(jī)發(fā)明后，調(diào)速傳動(dòng)的工作效率也仍然很低。

自從電出現(xiàn)后，因?yàn)榫哂休斔腿菀住⑹褂梅奖恪⒕S修簡單、效率高等特點(diǎn)，電氣調(diào)速傳動(dòng)便得到迅速的發(fā)展。

其中，直流電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)和交流電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)先后誕生于19世紀(jì)，距今已有100多年的歷史，并已成為動(dòng)力機(jī)械的主要驅(qū)動(dòng)裝置。由于結(jié)構(gòu)和技術(shù)上的原因，在很長一段時(shí)期內(nèi)，不變速拖動(dòng)系統(tǒng)約80%采用的是交流電動(dòng)機(jī)，但是在需要調(diào)速控制的系統(tǒng)中基本上采用的都是直流電動(dòng)機(jī)。由于直流電動(dòng)機(jī)存在維護(hù)保養(yǎng)困難、壽命短等缺點(diǎn)（其結(jié)構(gòu)如圖1-2所示），一直以來，人們希望在很多場(chǎng)合下能夠用可調(diào)的交流電動(dòng)機(jī)來代替直流電動(dòng)機(jī)。

然而，要實(shí)現(xiàn)對(duì)交流電動(dòng)機(jī)的高性能調(diào)速遠(yuǎn)比直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速困難得多。從20世紀(jì)30年代開始，人們就致力于交流調(diào)速技術(shù)的研究。器件的更新促進(jìn)了電力電子變換技術(shù)的不斷發(fā)展，自20世紀(jì)60年代以后，特別是70年代以來，隨著新型自關(guān)斷電力電子器件、智能功率集成電路的問世，以及現(xiàn)代控制理論的發(fā)展和計(jì)算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用，新的控制策略不斷涌現(xiàn)，交流調(diào)速技術(shù)得到了迅猛發(fā)展。

最近十多年來發(fā)展起來的交流電動(dòng)機(jī)新型變頻調(diào)速裝置，具有調(diào)速精度高、響應(yīng)快、保護(hù)功能完善、過載能力強(qiáng)、節(jié)能顯著、智能化高、易于實(shí)現(xiàn)復(fù)雜控制等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用在冶金、機(jī)械、電氣、紡織、食品等行業(yè)中。交流變頻調(diào)速正以其顯著的節(jié)電效果、優(yōu)良的調(diào)速性能以及廣泛的適用性逐步取代直流調(diào)速的地位，成為電氣傳動(dòng)領(lǐng)域發(fā)展的主流方向。

1.1.2 變頻調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用意義

1. 變頻調(diào)速傳動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)

與其他調(diào)速系統(tǒng)相比，應(yīng)用變頻調(diào)速技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)有如下幾方面：

（1）實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)無級(jí)調(diào)速，可以大大提高生產(chǎn)設(shè)備的加工精度、工藝水平及工作效率等，從而提高產(chǎn)品的質(zhì)量和數(shù)量。

（2）可以大大減小生產(chǎn)機(jī)械的體積和質(zhì)量，從而減少金屬的耗用量。

（3）可以對(duì)電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)（平滑啟動(dòng)運(yùn)行），避免啟動(dòng)時(shí)對(duì)電網(wǎng)的沖擊。

（4）對(duì)于風(fēng)機(jī)和泵類負(fù)載，其節(jié)電率可達(dá)20% ～60%。

（5）在機(jī)械允許的情況下可通過提高變頻器的輸出頻率提高工作速度。

（6）可以非常方便地接入通信網(wǎng)絡(luò)控制，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)自動(dòng)化控制。

（7）保護(hù)功能完善，能自診斷顯示故障所在，維護(hù)方便。

變頻器傳動(dòng)的特點(diǎn)及其效果和用途見表1-1。

2. 變頻調(diào)速在代表性行業(yè)和設(shè)備中的應(yīng)用（見表1-2）。

提示

變頻器的節(jié)能運(yùn)轉(zhuǎn)是從泵、風(fēng)機(jī)等較大容量機(jī)械開始應(yīng)用的，最近已廣泛應(yīng)用于空調(diào)壓縮機(jī)等家用電器產(chǎn)品中。

目前，變頻調(diào)速技術(shù)已成為節(jié)能、改善工藝流程、提高產(chǎn)品質(zhì)量和改善環(huán)境、推動(dòng)技術(shù)進(jìn)步的有效措施。變頻調(diào)速以其優(yōu)異的調(diào)速和啟動(dòng)、制動(dòng)性能，高效率、高功率因數(shù)和節(jié)能效果，廣泛的適用范圍及其他許多優(yōu)點(diǎn)而被國內(nèi)外公認(rèn)為最有發(fā)展前途的調(diào)速方式，其重要性日益得到世界各國的重視。在世界能源緊缺的今天，開展變頻調(diào)速技術(shù)的研究、推廣其應(yīng)用，有著非常重大的現(xiàn)實(shí)意義和巨大的經(jīng)濟(jì)效益及社會(huì)效益。

1.1.3 變頻技術(shù)的發(fā)展方向

總體來上講，變頻技術(shù)已從整流逆變裝置進(jìn)化為驅(qū)動(dòng)控制、I/O邏輯現(xiàn)場(chǎng)編程、通信組網(wǎng)等連接為一體，可以適應(yīng)不同應(yīng)用場(chǎng)合的過程控制單元，并在工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)線和許多領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。從市場(chǎng)需求和技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)來看，在今后一段時(shí)期內(nèi)，變頻器技術(shù)將會(huì)在以下幾個(gè)方面得到進(jìn)一步發(fā)展。

（1）大容量和小體積化。近年來，隨著IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor，絕緣柵雙極型晶體管）等器件的發(fā)展和以IGBT為開關(guān)器件的IPM智能功率模塊、單片IPM等新型功率器件的發(fā)展以及熱設(shè)計(jì)技術(shù)的進(jìn)步，變頻器的容量越來越大，體積越來越小，而在溫升等關(guān)鍵指標(biāo)上并未下降。除了不斷推出大容量的新型變頻器產(chǎn)品外，許多廠家都在小功率段推出了所謂“迷你”型產(chǎn)品，以滿足不同用戶的實(shí)際需要。

（2）多功能和高性能化。多功能和高性能電力電子器件和控制技術(shù)的不斷進(jìn)步，使變頻器向多功能和高性能化方向發(fā)展。特別是微機(jī)的應(yīng)用，以其簡單的硬件結(jié)構(gòu)和豐富的軟件功能，為變頻器多功能化和高性能化提供了可靠的保證。人們總結(jié)了交流調(diào)速電氣傳動(dòng)控制的大量實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，并不斷融入軟件功能。日益豐富的軟件功能也使變頻器的適應(yīng)性不斷增強(qiáng)。

8位CPU、16位CPU奠定了通用變頻器全數(shù)字控制的基礎(chǔ)，32位數(shù)字信號(hào)處理器（Digital Sigal Processer，DSP）的應(yīng)用又將通用變頻器的性能提高了一大步，實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)矩控制，推出了“無跳閘”功能。目前出現(xiàn)了一種“多控制方式”通用變頻器，還有一種所謂“工程型”高性能變頻器，特別適合用于現(xiàn)代計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中作為傳動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

（3）網(wǎng)絡(luò)化與智能化。盡管目前變頻器單獨(dú)適用的場(chǎng)合仍占多數(shù)，但作為工業(yè)生產(chǎn)過程中一個(gè)重要執(zhí)行單元，變頻器具有網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)行的能力將成為工業(yè)自動(dòng)化的趨勢(shì)。目前，許多變頻器廠商的新產(chǎn)品都具有網(wǎng)絡(luò)連接能力，通過選件形式支持多種現(xiàn)場(chǎng)總線，通過PC方便地完成頻率設(shè)定、參數(shù)設(shè)置、工作狀態(tài)給定及在線監(jiān)測(cè)、系統(tǒng)維護(hù)、遠(yuǎn)程診斷等工作。變頻器在現(xiàn)場(chǎng)總線的應(yīng)用如圖1-3所示。

提示

變頻器不僅可以單臺(tái)獨(dú)立工作，也可以多臺(tái)分別控制各種不同的被控對(duì)象。并可以與計(jì)算機(jī)連接，進(jìn)行相互通信，形成連續(xù)生產(chǎn)線的調(diào)速控制系統(tǒng)。

為了滿足不同用戶的不同需要，新型變頻器產(chǎn)品的智能化程度將進(jìn)一步提高，這主要體現(xiàn)在變頻器將本身具有的功能提供給用戶選擇。用戶可根據(jù)自身需要，在變頻器預(yù)先設(shè)定的多種功能的基礎(chǔ)上進(jìn)行編程，以滿足具體應(yīng)用的需要。

總而言之，未來的變頻器產(chǎn)品將朝著高性能、多功能、長壽命、高可靠、易使用、智能化的方向發(fā)展。變頻器將不僅僅是一個(gè)簡單的交流調(diào)速裝置，而將成為實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化過程的一個(gè)重要處理單元。變頻器技術(shù)將得到不斷提高，而變頻器的應(yīng)用領(lǐng)域也將不斷得到拓展。