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【摘 要】本文从变频调速原理入手，介绍了变频调速技术的优势和其在实际当中的应用，最后对交流变频技术在未来的发展趋势进行了展望。
【关键词】变频技术；调速；节能
七十年代以前，在用到调速拖动的场合几乎全部使用的是直流电机。直流电机具有良好的调速性能，主要表现在调速范围广、稳定性好、过载能力强，但是其制作与维护十分繁杂，特别是电动机本身的换向器及电刷维护保养困难、寿命短等方面存在不足。异步电动机是可以解决换向器及其电刷的问题，可是交流电机调速存在着调速性能差，功率因数低等的缺点。随着交流变频技术的发展，变频技术控制交流电机能够较好的解决异步电机调速所存在的问题，从而逐步取代直流调速成为拖动调速的主流技术。
那么，什么是变频技术和变频器呢？通过改变交流电频率的方式实现交流电控制的技术就叫变频技术。在此技术上产生的变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。通常，把能将电压和频率固定不变的交流电变换为电压或频率可变的交流电的装置称为变频器。
1.变频调速原理
在拖动系统中，用变频器驱动电动机的目的就是实现调速，让电动机按照希望的方式运转。但不论系统是否采用调速，稳定运行是必须的，即要求系统在受到扰动时有自动恢复的能力。系统的负载特性不能依靠改变外加电气参数来改变，只能改变电动机自身的电气参数来实现。由于电动机机械特性曲线是由电动机本身多个电气参数决定的，通过改变这些电气参数，得到不同的人为机械特性，从而使新的人为机械特性曲线与负载特性曲线形成新的稳定交点，实现稳定速度调节，这就是引入变频器驱动电动机实现调速的基本原理。电动机械特性随电动机自身电气参数改变而改变，但由于系统转动惯量的存在，转速不能突变，一旦外部施加的电气参数改变，必然引起电动机电磁转矩的突变，从而破坏原来的转矩平衡关系而产生新的系统合转矩。该合转矩将对系统产生一个加速度，使系统加速或减速。当外部参数稳定之后，系统转速过渡到新的稳定状态，这个加速或减速过程就称为调速过程。
三相异步电动机的转速公式为：
n = n1 （1-s）=60f（1-s）/p （1）
式中： n — 电机的转速，r/min n1 — 同步转速，r/min p — 磁极对数 ， s — 转差率，% f — 频率，Hz 由转速公式（1）可知， 我们可以通过改变极对数、转差率和频率的方法实现对异步电机的调速。前两种方法转差损耗大，效率低，对电机特性都有一定的局限性。变频调速是通过改变定子电源频率来改变同步频率实现电机调速的。在调速的整个过程中，从高速到低速可以保持有限的转差率，实际上仅仅改变电动机的频率并不能获得良好的变频特性，因为由异步电机的电势公式可知，外加电压近似与频率和磁通乘积成正比，即： U∝E=C1fΦ （2） 式（2）中，C1为常数，因此有： Φ∝E/f≈U/f （3）
若外加电压不变，则磁通Φ随频率而改变，如频率f下降，磁通Φ会增加，造成磁路过饱和，励磁电流增加，功率因数下降，铁心和线圈过热，显然这是不允许的。为此，要在降频的同时还要降压，这就要求频率与电压协调控制。此外，在许多场合，为了保持在调速时，电机产生最大转矩不变，需要维持磁通不变，这可由频率和电压协调控制来实现，故称为可变频率可变电压调速（VVVF），简称变频调速。
2.变频技术的优势
调速时平滑性好，效率高。低速时，相对稳定性好，调速范围较大，精度高；起动电流低，对系统及电网无冲击，节电效果明显；变频器体积小， 便于安装、调试、维修简便，易于实现过程自动化；必须有专用的变频电源，目前造價较高；在恒转矩调速时，低速段电动机的过载能力大为降低。
3.变频技术的应用
3.1 在节能方面的应用
在使用变频技术之后， 风机、泵类负载的节能效果最为明显， 节电率能够达到20%～60%，这是因为风机、水泵类负载的耗用功率与转速的三次方成正比，那么当所需要的流量较小时，其转速较低，所造成的耗用功率的降低是相当明显的。而传统的挡板或阀门进行流量调节时，对于耗用功率的影响并不大。
3.2 在控制电机运行方面的应用
首先是在控制电机的正、反转方面： 只需要更改变频器内部逆变管的开关顺序，就能够实现输出换向，而不会造成因换向不当而烧毁电机的现象。在加速、减速方面：因为变频器调速系统的起动一般都是从低速区开始，频率比较低。加、减速时间能够任意设定，那么就可以做到使加减速过程平稳，减小起动电流。在变频器调速系统制动时，变频器可以利用自己的制动回路，将机械负载的能量消耗在制动电阻上。另外，变频器还具有直流制动功能，在需要制动的时候，变频器给电动机施加一个相反的直流电压，进行制动，而不需要另外增加制动控制电路。
3.3 在提高产品质量和工艺水平方面的应用
变频器除了应用在泵类、风机等类型的负载上之外，还可以应用于传送、卷绕、起重、挤压、机床等各种机械设备的控制上，它能够提高产品质量，延长设备的正常工作周期和使用寿命，使操作和控制系统得以简化，从而提高整个设备的控制水平。
4.变频技术的发展趋势
在当代，电力电子器件的基片从Si（硅）发展成了SiC（碳化硅），从而使得电力电子器件能够更加耐高压、耐高温、低功耗，并且能够制造出体积更小、容量更大的驱动装置。永动磁铁电动机也在开发研制当中，IT技术的迅速普及，以及人们思维理念的变化，这些方面的发展，使得变频技术在以下几个方面得到发展。
4.1 高频控制智能化
智能化的变频器一经安装就可以使用，不必进行过多设定，而且能够进行故障自诊断、遥控诊断以及部件自动置换，从而确保变频器较长的使用寿命。同时，使用互联网能够实现多台变频器的联动，甚至是整个工厂范围变频器综合管理控制系统。
4.2 主控一体化
变频器的设计专门化，能够使得变频器在某一特定领域控制功能更强，比如风机、水泵专用变频器、起重机械专用变频器等等。此外，变频器还有与电机一体化设计的趋势，从而使变频器成为电机的一个部分，使设备体积更小， 控制更方便。
4.3 变频器的环保化
环保是当今社会的一个主题，21世纪的电力拖动装置应该着重考虑的是节能，而变频器能量转换过程中的低公害，使得变频器在使用过程中的噪声、电源谐波对电网的污染等问题减小到最低程度。
5.结语
交流变频调速传动装置已在我国各行业得到广泛应用，并已取得了极佳的经济节能效益。随着新型大功率半导体器件的推出，控制理论不断更新和发展，现今变频器向着大功率、高电压的方向发展，控制精确度和动态特性也越趋完善。大力发展变频调速技术，必需把我国变频调速技术提高到一个新水平，缩小与世界先进水平的差距，提高自主开发能力，满足国民经济重点工程建设和市场的需求。规范我国变频调速技术方面的标准，提高产品可靠性工艺水平，实现规模化、标准化生产。
参考文献：
[1]王占奎等 变频调速应用百例 [M]北京：科学出版社，1999.
[2] 石秋洁.变频器应用基础.
【关键词】变频技术；调速；节能
七十年代以前，在用到调速拖动的场合几乎全部使用的是直流电机。直流电机具有良好的调速性能，主要表现在调速范围广、稳定性好、过载能力强，但是其制作与维护十分繁杂，特别是电动机本身的换向器及电刷维护保养困难、寿命短等方面存在不足。异步电动机是可以解决换向器及其电刷的问题，可是交流电机调速存在着调速性能差，功率因数低等的缺点。随着交流变频技术的发展，变频技术控制交流电机能够较好的解决异步电机调速所存在的问题，从而逐步取代直流调速成为拖动调速的主流技术。
那么，什么是变频技术和变频器呢？通过改变交流电频率的方式实现交流电控制的技术就叫变频技术。在此技术上产生的变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。通常，把能将电压和频率固定不变的交流电变换为电压或频率可变的交流电的装置称为变频器。
1.变频调速原理
在拖动系统中，用变频器驱动电动机的目的就是实现调速，让电动机按照希望的方式运转。但不论系统是否采用调速，稳定运行是必须的，即要求系统在受到扰动时有自动恢复的能力。系统的负载特性不能依靠改变外加电气参数来改变，只能改变电动机自身的电气参数来实现。由于电动机机械特性曲线是由电动机本身多个电气参数决定的，通过改变这些电气参数，得到不同的人为机械特性，从而使新的人为机械特性曲线与负载特性曲线形成新的稳定交点，实现稳定速度调节，这就是引入变频器驱动电动机实现调速的基本原理。电动机械特性随电动机自身电气参数改变而改变，但由于系统转动惯量的存在，转速不能突变，一旦外部施加的电气参数改变，必然引起电动机电磁转矩的突变，从而破坏原来的转矩平衡关系而产生新的系统合转矩。该合转矩将对系统产生一个加速度，使系统加速或减速。当外部参数稳定之后，系统转速过渡到新的稳定状态，这个加速或减速过程就称为调速过程。
三相异步电动机的转速公式为：
n = n1 （1-s）=60f（1-s）/p （1）
式中： n — 电机的转速，r/min n1 — 同步转速，r/min p — 磁极对数 ， s — 转差率，% f — 频率，Hz 由转速公式（1）可知， 我们可以通过改变极对数、转差率和频率的方法实现对异步电机的调速。前两种方法转差损耗大，效率低，对电机特性都有一定的局限性。变频调速是通过改变定子电源频率来改变同步频率实现电机调速的。在调速的整个过程中，从高速到低速可以保持有限的转差率，实际上仅仅改变电动机的频率并不能获得良好的变频特性，因为由异步电机的电势公式可知，外加电压近似与频率和磁通乘积成正比，即： U∝E=C1fΦ （2） 式（2）中，C1为常数，因此有： Φ∝E/f≈U/f （3）
若外加电压不变，则磁通Φ随频率而改变，如频率f下降，磁通Φ会增加，造成磁路过饱和，励磁电流增加，功率因数下降，铁心和线圈过热，显然这是不允许的。为此，要在降频的同时还要降压，这就要求频率与电压协调控制。此外，在许多场合，为了保持在调速时，电机产生最大转矩不变，需要维持磁通不变，这可由频率和电压协调控制来实现，故称为可变频率可变电压调速（VVVF），简称变频调速。
2.变频技术的优势
调速时平滑性好，效率高。低速时，相对稳定性好，调速范围较大，精度高；起动电流低，对系统及电网无冲击，节电效果明显；变频器体积小， 便于安装、调试、维修简便，易于实现过程自动化；必须有专用的变频电源，目前造價较高；在恒转矩调速时，低速段电动机的过载能力大为降低。
3.变频技术的应用
3.1 在节能方面的应用
在使用变频技术之后， 风机、泵类负载的节能效果最为明显， 节电率能够达到20%～60%，这是因为风机、水泵类负载的耗用功率与转速的三次方成正比，那么当所需要的流量较小时，其转速较低，所造成的耗用功率的降低是相当明显的。而传统的挡板或阀门进行流量调节时，对于耗用功率的影响并不大。
3.2 在控制电机运行方面的应用
首先是在控制电机的正、反转方面： 只需要更改变频器内部逆变管的开关顺序，就能够实现输出换向，而不会造成因换向不当而烧毁电机的现象。在加速、减速方面：因为变频器调速系统的起动一般都是从低速区开始，频率比较低。加、减速时间能够任意设定，那么就可以做到使加减速过程平稳，减小起动电流。在变频器调速系统制动时，变频器可以利用自己的制动回路，将机械负载的能量消耗在制动电阻上。另外，变频器还具有直流制动功能，在需要制动的时候，变频器给电动机施加一个相反的直流电压，进行制动，而不需要另外增加制动控制电路。
3.3 在提高产品质量和工艺水平方面的应用
变频器除了应用在泵类、风机等类型的负载上之外，还可以应用于传送、卷绕、起重、挤压、机床等各种机械设备的控制上，它能够提高产品质量，延长设备的正常工作周期和使用寿命，使操作和控制系统得以简化，从而提高整个设备的控制水平。
4.变频技术的发展趋势
在当代，电力电子器件的基片从Si（硅）发展成了SiC（碳化硅），从而使得电力电子器件能够更加耐高压、耐高温、低功耗，并且能够制造出体积更小、容量更大的驱动装置。永动磁铁电动机也在开发研制当中，IT技术的迅速普及，以及人们思维理念的变化，这些方面的发展，使得变频技术在以下几个方面得到发展。
4.1 高频控制智能化
智能化的变频器一经安装就可以使用，不必进行过多设定，而且能够进行故障自诊断、遥控诊断以及部件自动置换，从而确保变频器较长的使用寿命。同时，使用互联网能够实现多台变频器的联动，甚至是整个工厂范围变频器综合管理控制系统。
4.2 主控一体化
变频器的设计专门化，能够使得变频器在某一特定领域控制功能更强，比如风机、水泵专用变频器、起重机械专用变频器等等。此外，变频器还有与电机一体化设计的趋势，从而使变频器成为电机的一个部分，使设备体积更小， 控制更方便。
4.3 变频器的环保化
环保是当今社会的一个主题，21世纪的电力拖动装置应该着重考虑的是节能，而变频器能量转换过程中的低公害，使得变频器在使用过程中的噪声、电源谐波对电网的污染等问题减小到最低程度。
5.结语
交流变频调速传动装置已在我国各行业得到广泛应用，并已取得了极佳的经济节能效益。随着新型大功率半导体器件的推出，控制理论不断更新和发展，现今变频器向着大功率、高电压的方向发展，控制精确度和动态特性也越趋完善。大力发展变频调速技术，必需把我国变频调速技术提高到一个新水平，缩小与世界先进水平的差距，提高自主开发能力，满足国民经济重点工程建设和市场的需求。规范我国变频调速技术方面的标准，提高产品可靠性工艺水平，实现规模化、标准化生产。
参考文献：
[1]王占奎等 变频调速应用百例 [M]北京：科学出版社，1999.
[2] 石秋洁.变频器应用基础.