變頻器和變頻電源的研究分析

　　1 引言
　　由于世界各國(guó)電網(wǎng)指標(biāo)不統(tǒng)一，出口電器廠商需要電源模擬不同國(guó)家的電網(wǎng)狀況，為工程師在設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)線測(cè)試及品保的產(chǎn)品檢測(cè)、壽命、過(guò)高壓/低壓模擬測(cè)試等應(yīng)用中提供純凈可靠的、低諧波失真、高穩(wěn)定的頻率和穩(wěn)壓率的正弦波電力輸出。然而，在實(shí)驗(yàn)室采用變頻器調(diào)節(jié)時(shí)，給測(cè)試帶來(lái)了極大的困難，振動(dòng)增大、電磁噪音增大、溫升提高、測(cè)試儀表無(wú)法正常工作等問(wèn)題凸顯，因此，能提供純凈正弦波輸出的變頻電源就成為實(shí)驗(yàn)室不可缺少的設(shè)備。
　　2 變頻器的應(yīng)用
　　當(dāng)今變頻器產(chǎn)業(yè)得到飛速發(fā)展，變頻器產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)化規(guī)模日趨壯大。交流變頻器自20世紀(jì)60年代問(wèn)世后，80年代就在工業(yè)化國(guó)家廣泛使用，進(jìn)入90年代，隨著人們節(jié)能環(huán)保意識(shí)的加強(qiáng)，變頻器的應(yīng)用越來(lái)越普及。
　　變頻器節(jié)能主要表現(xiàn)在風(fēng)機(jī)、水泵的應(yīng)用上。為了保證生產(chǎn)的可靠性，各種生產(chǎn)機(jī)械在設(shè)計(jì)配用動(dòng)力驅(qū)動(dòng)時(shí)，都留有一定的富余量。當(dāng)電機(jī)不能在滿負(fù)荷下運(yùn)行時(shí)，除達(dá)到動(dòng)力驅(qū)動(dòng)要求外，多余的力矩增加了有功功率的消耗，造成電能的浪費(fèi)。
　　同時(shí)，風(fēng)機(jī)、泵在使用變頻調(diào)速后，可以控制電機(jī)的啟動(dòng)電流，降低電力線路電壓波動(dòng)，啟動(dòng)時(shí)需要的功率更低，具有可控的加速功能、運(yùn)行速度和轉(zhuǎn)矩極限，具備減速停車、自由停車、減速停車+直流制動(dòng)等受控的停止方式，能大幅降低能耗，節(jié)約了齒輪箱等機(jī)械傳動(dòng)部件。
　　3 變頻器在實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用時(shí)帶來(lái)的問(wèn)題
　　隨著出口產(chǎn)品的增長(zhǎng)，世界各地電壓等級(jí)、頻率各異，其它國(guó)家和地區(qū)的工頻以60hz居多，電壓又有400v、415v的區(qū)別，由于對(duì)變頻器技術(shù)的相關(guān)知識(shí)掌握得較少，對(duì)變頻器電氣特性的測(cè)定方法掌握得不夠全面，開(kāi)始我們采用變頻器提供所需的60hz電源，在測(cè)試過(guò)程中發(fā)現(xiàn)了諸多問(wèn)題：
　　（1）風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速和電壓變化。輸出60hz電源時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速并不是50hz時(shí)的1.2倍，將輸入側(cè)的電壓調(diào)整為380v時(shí)，輸出側(cè)的電壓和輸入測(cè)的電壓不同，差異較大。這是因?yàn)樽冾l器是采用逆變技術(shù)的，通用的變頻器都是變頻變壓（vvvf），頻率發(fā)生變化，電壓也會(huì)成正比發(fā)生變化，如圖1所示。

　?。?）電機(jī)運(yùn)行電磁噪音增加。變頻器輸出的是矩形波電壓，存在高頻分量，因此電機(jī)會(huì)產(chǎn)生刺耳的高頻噪音，該噪音明顯大于風(fēng)機(jī)的噪音，給噪音測(cè)量帶來(lái)了難題。
　?。?）電機(jī)溫升升高。變頻器輸出電壓波形不是正弦波，而是畸形波，在額定扭矩下的電機(jī)電流比工頻時(shí)要多出約10%左右，所以溫升比工頻時(shí)略有提高（低次電流諧波使銅損增大，高次諧波使鐵損增大），給電機(jī)溫升試驗(yàn)帶來(lái)不便，使得溫升試驗(yàn)結(jié)果偏差較大。
　　（4）普通電磁、數(shù)字測(cè)試儀表失靈。變頻器的輸入電流和輸出電流中都有頻率較高的高次諧波成分，高次諧波電流所產(chǎn)生的電磁場(chǎng)具有輻射能力，使其他設(shè)備（尤其是通信設(shè)備）因接收到電磁波信號(hào)而受到干擾，使得電磁式儀表、數(shù)字式儀表都不能用來(lái)直接測(cè)量交流電壓和電流，必須采用整流式儀表才能進(jìn)行較為準(zhǔn)確的測(cè)量。
　　針對(duì)出現(xiàn)的問(wèn)題，我們和變頻器廠家的工程師進(jìn)行了多次討論和分析，對(duì)變頻器的參數(shù)進(jìn)行了合理地調(diào)整，通過(guò)調(diào)整載波頻率來(lái)減小電磁噪音、降低電機(jī)溫升，然而，電磁噪音和電機(jī)溫升在載波頻率面前是一對(duì)矛盾體，無(wú)法達(dá)到全部減小甚至消失的效果。
　　4 變頻器和變頻電源的區(qū)別
　　為了解決使用變頻器時(shí)的噪聲、溫升、測(cè)試等問(wèn)題，就必須仔細(xì)分析變頻器的工作原理，盡量將影響降到最低。在學(xué)習(xí)、分析的過(guò)程中，我們發(fā)現(xiàn)了更為理想的實(shí)驗(yàn)室電源設(shè)備-變頻電源。下面對(duì)比變頻器和變頻電源的原理及區(qū)別，以方便工程技術(shù)人員進(jìn)行合理的選擇，在選擇變頻設(shè)備時(shí)少走彎路。
　　變頻器是可以改變頻率和電壓的電源。變頻器是由交流-直流-交流（調(diào)制波）等電路構(gòu)成的，將電網(wǎng)三相交流電經(jīng)過(guò)三相橋式整流成脈動(dòng)直流，再通過(guò)電解電容和電感濾波成平滑直流，最后通過(guò)逆變器，逆變成電壓和頻率可調(diào)的三相交流電。變頻器標(biāo)準(zhǔn)叫法為變頻調(diào)速器。
　　變頻器的輸入電路是三相交流電源經(jīng)全波整流后向?yàn)V波電容器充電的電路，輸入電流總是出現(xiàn)在電壓的振幅值附近，呈不連續(xù)的沖擊波形式，如圖2所示，變頻器的輸出電路是把直流變成頻率連續(xù)可調(diào)的三相調(diào)制交流電壓的逆變橋電路，其輸出電壓波形是正弦調(diào)制spwm波，如圖3所示。