浅析变频器的发展和应用

【摘 要】 变频器也可以称为电动机变频调速器，它是一种静止的频率变换器。它把电力网频率恒定的交流电，变成可调频率的交流电，供普通的交流异步电动机做电源用。其最主要的特点是具有高效率的驱动性能和良好的控制特性。本文主要介绍了变频器的发展、分类、原理、安装等几个方面的内容。

【关键词】 变频器 变频电机 变频调速 谐波治理

变频器是利用交流电动机的同步转速随电机定子电压频率变化而变化的特性而实现电动机调速运行的装置。

1 变频器的发展

变频器最早的形式是，用旋转变频发电机组作为可变频率的电源，供给交流电动机，主要对异步电动机进行调速。随着电力半导体的发展静止式变频电源成为了变频器的主要形式。目前应用的变频器主要是静止式的变频器。

2 变频器的分类

变频器问世的时间虽然较短，但其种类颇多，一般有以下几种分类。

2.1 按变换频率的方法分类

（1）“交-直-交”变频器。这种变频器是先把50Hz的交流电流经过整流变换成直流，在经滤波后将较平滑的直流电逆变成频率可调的交流电。根据滤波器件的不同，变频器又分为电容滤波和电感滤波两种形式。电容滤波的直流回路的电压波形比较平直，输出阻抗小，电压也不易突变，相当于直流恒压源，所以称之为电压型变频器；电感滤波形式直流回路的电流波形比较平直，输出阻抗很大，电流也不易突变，相当于直流恒流源，所以称之为电流型变频器。

（2）“交-交”变频器。所谓“交-交”变频器一般是由三相反并联晶闸管组成的可逆桥式，采用电网自然换相原理，组成的变频器。它具有过载能力强、效率高、输出波形好等优点；但也具有输出频率低，造成电网功率因数低、旁频谐波影响大等缺点。交-交变频器可驱动同步电动机，也可驱动异步电动机。

2.2 按电压等级分类

（1）低压型变频器。这类变频器的单相电压为：220～240V、三相电压为：380～460V。容量范围大约为：0.5～500kW左右。因此，这类变频器又称作为中、小容量变频器。

（2）高压大容量变频器。它有两种形式：一种采用升降压变压器形式的，称之为：“高-低-高”式变频器，也称为间接高压变频器；另一种采用大容量晶闸管或晶闸管功率元件串联结构，无输入、输出变压器，也称为直接高压变频器。

2.3 按改变输出电压或电流波形分类

（1）PAM。这是Pulse Amplitude Modulation的缩写，是一种改变电压源的电压Ed或电流源的电流Id的幅值，进行输出控制的方式。因此，在逆变器部分只控制频率，在变流器部分控制输出的电压或电流。

（2）PWM。这是Pulse Width Modulation的缩写。这种方式在输出波形的半个周期中能产生多个脉冲，并使各脉冲的等值电压为正弦波状，输出电压或电流波形平滑，而且低次谐波较少。在晶闸管逆变器中，由于其换相时间需要一百至数白微秒（μs），开关频率低，难以实现PWM控制，故通常采用PAM方式。PWM方式常用于可自行关断晶闸管和GTO晶闸管逆变器，用来对频率和输出电压进行控制调整。因此，在PWM方式中，直流环节可以是固定电压（或电流）的直流，整流部分通常采用电力大功率整流二极管整流。

3 变频器工作原理

变频器主要用于电动机的调速控制，并降低启动电流。为了产生可变的电压和频率，该设备首先要把电源的交流电变换为直流电，这个过程叫整流。把直流电（DC）变换为交流电的装置，其科学术语为逆变器。一般逆变器是把直流电源逆变为一定的固定频率和一定电压的逆变电源。对于逆变为频率可调、电压可调的逆变器我们称为变频器。变频器输出的波形是模拟正弦波，主要是用在三相异步电动机调速，又叫变频调速器。

4 谐波干扰和治理

4.1 谐波干扰

在变频过程中，电路中会产生大量谐波，供电电压品质下降。影响接在同一配电系统的其它用电设备、仪器及计算机的正常工作。谐波产生主要有以下途径。

（1）整流部分。变频器的整流部分接有大电容。因而在轻载时网侧电流为尖峰脉冲，电流畸变较大，对电网造成谐波污染，网侧功率因数较低。

（2）逆变部分。变频器的逆变部分输出的电压为脉宽调制波，除基波外含有大量高次谐波，其输出到电动机的电流畸变较大，含有高次谐波。

4.2 谐波的消除方法

（1）主动方面，使变频器本身不产生或少产生谐波。如：在调制上采用较高的调制频率、目标函数、多重化整流技术，如：在整流器上采用多相（12相或24相整流技术、PWM整流技术及有源功率因数校正电路APFC（Active Power Factor Correction）。

（2）被动方面，采取措施，减少变频器产生的各次谐波对电网及其它设备的干扰。如：加装进相和出相交流电抗器、加装射频噪声滤波器及加装浪涌吸收电路。

5 变频器的安装

变频器在工作时会不断的产生热量，因此对环境温度、湿度有一定的要求。变频器所在环境温度越高，腐蚀性气体浓度越大，器寿命就越短。在安装时要求有良好的通风条件，要求环境中不能有过多的腐蚀性气体和灰尘。在高海拔地区使用变频器时，变频器中的平波电容器的内外压力不平衡，将可能导致变频器中电容爆裂；在不加装特殊的情况下，一些元件也会误动作。变频器最好安装在室内，不要受阳光的直接照射。在野外安装变频器时，要加装防雨水、冰雹、防高温低温的设计。在寒冷地区安装时，要考虑加热装置。在潮湿环境中使用时，可增加除湿器。在安装空间上，要保证周围留有15cm的距离，要求有通常的气流通道，一遍更好的散热。

6 结语

电机的变频调速方式，使机械的自动化程度和生产效率大为提高。变频器以其优越的性能和显著的效果越来越多的应用的各行各业中。

参考文献：

[1]陈伯时.电力拖动自动控制系统.北京：机械工业，1990.

[2]鲍斯.电力电子学与交流传动.西安：西安交通大学出版社：1990.

[3]黄俊.半导体交流技术.北京：机械工业出版社：1986.

[4]吴中智等.变频器应用手册.北京：机械工业出版社：1995.

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