一、變頻器的發(fā)展及特點
變頻器的產(chǎn)生得益于現(xiàn)代電力電子技術(shù)、自動控制技術(shù)和計算機技術(shù)的迅速發(fā)展。變頻器已從八十年代的初級實用階段走向當(dāng)今九十年代的成熟商用階段。隨著大規(guī)模晶體管開關(guān)模塊GTO，GTR，IGBTIPM的開發(fā)，其電壓等級已從低壓向6000y高壓，電流從幾安培增至幾千安培，成本大幅度降低，體積減小，可靠性增強，技術(shù)日臻成熟。伴隨著計算機E-PLD、CPU速度、集成度的提高，新型的帶有通迅功能、智能高性能磁場定向控制技術(shù)和直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)的矢量型變頻器，把變頻技術(shù)從單純的工業(yè)應(yīng)用場合帶到人們周圍的各個領(lǐng)域，如家電、汽車制造、樓宇控制、供水、農(nóng)業(yè)灌溉等。變得和每個人息息相關(guān)。特別在電站中的應(yīng)用帶來的巨大經(jīng)濟效益和社會效益更是驚人。
那么，為什么變頻器會如此迅速而又深入到人類生活的各個方面呢?
首先，我們看一看我們現(xiàn)代工業(yè)基礎(chǔ)的最終執(zhí)行單元—電動機，就會知道，任何物體的運動或是控制都要通過電動機這個最基本的電能—機械能轉(zhuǎn)換裝置來實現(xiàn)，而變頻器的主要控制對象就是適應(yīng)性廣，可靠性高，堅固耐用，維護量幾乎為零的異步電動機，交流電動機憑借其結(jié)構(gòu)簡單、轉(zhuǎn)動慣量小、成本低廉等優(yōu)點，在電氣傳動領(lǐng)域的應(yīng)用已無可爭辯，且控制特性也不亞于繁鎖的維護量大的直流調(diào)速設(shè)備。可以說只要用到電動機的地方，我們都可以加上一個變頻器來代替或提高原來的控制特性和功能。智能變頻器提供的標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)控制接口和通迅功能能與DCS分散控制系統(tǒng)兼容，也可將被控對象參數(shù)送到各級數(shù)字終端設(shè)備，從而實現(xiàn)整個系統(tǒng)的自動化。在西方發(fā)達(dá)國家，在調(diào)速領(lǐng)域中，交流調(diào)速應(yīng)用早巳超過80％，而在其交流電機調(diào)速中，變頻調(diào)速已占有很大比重。調(diào)速應(yīng)用早已超過80％，而在其交流電機調(diào)速中，變頻調(diào)速已占有很大比重。
其二，變頻器最重要作用就是實現(xiàn)電機的無級調(diào)速。變頻器通過功率模塊進行變壓變頻輸出，在保證電機輸出轉(zhuǎn)矩不變的情況下來調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速，特性硬，最大能提供150—200％的額定轉(zhuǎn)矩，在外界負(fù)荷變化時其速度幾乎沒有降落，并且能方例調(diào)速，是各種生產(chǎn)生活參數(shù)調(diào)節(jié)的重要執(zhí)行單元。例如在電力機車牽引、電梯、機床加工、造紙、鋼鐵生產(chǎn)線、電站給風(fēng)、給水、給煤、煙草機械上應(yīng)用后，能極大程度地提高舒適程度，加工工藝，產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)率。
其三，變頻器還有一個其它任何調(diào)速裝置都不及的節(jié)能特性。普通的機械調(diào)速、變壓調(diào)速，滑差電機等調(diào)速方式均極大地浪費寶貴能源，而變頻器具有需要多少，從電網(wǎng)汲取多少能量的原則，高效利用能源。特別用在風(fēng)機、水泵控制上，普遍節(jié)電在30％左右。從目前的電價與變頻投資來看，在一至兩年之內(nèi)定能收回全部投資。對于電站來說，能大大降低發(fā)電成本，提高發(fā)電效益，在現(xiàn)今電力市場要逐步實行競價上網(wǎng)的大環(huán)境下，變頻技術(shù)投入無疑具有最現(xiàn)實的意義。
正是由于變頻器這些寶貴的優(yōu)點，使得變頻器得到了廣泛而又深入的應(yīng)用。
二、變頻器結(jié)構(gòu)及控制原理
如下圖，為市場常見的電壓型變頻器結(jié)構(gòu)圖。變頻器分主回路、控制及保護回路三部分，主回路對輸入電壓進行整流、濾波，輸出電壓和頻率可調(diào)的電能。控制回路則主要根據(jù)外部的運行指令進行運算并發(fā)出控制指令對逆變功率模塊進行控制，對于需要更精確速度或快速響應(yīng)的場合，常常要對主回路直流部分和交流輸出部分進行檢測運算。保護回路則用來防止因變頻器主回路的過壓、過流引起的器件損壞，還可保護異步電動機及傳動設(shè)備等。
主回路由三部分組成，即將工頻交流電變換為直流的整流部分；吸收在整流或逆變時產(chǎn)生的電壓電流脈動的電容濾波部分；以及將直流電變?yōu)榻涣髯冾l變壓輸出的逆變器部分。另外，在異步電動機需要制動時，在直流電容濾波部分可以增加制動單元實現(xiàn)電機的四象限運行。
我們知道，異步電動機的轉(zhuǎn)速是由電源頻率和極數(shù)決定的，所以改變頻率電動機就可以改變速度，但是頻率改變時，電機內(nèi)部阻抗也跟著變化，這樣僅改變頻率將會導(dǎo)致電機弱磁引起的轉(zhuǎn)矩不足，過勵磁飽和現(xiàn)象，而變頻器在改變輸出頻率的同時，通過調(diào)整控制波形改變輸出電壓，從而保證電機氣隙磁通為額定值，這樣就可對電機的轉(zhuǎn)矩、速度進行很好的控制。
如今最先進的無速度傳感矢量控制型變頻器原理則是基于異步電機和直流電機的相同轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生機理，將供給異步機的定子電流分成互相垂直的兩個電流矢量即：產(chǎn)生勵磁磁場的電流分量和產(chǎn)生的輸出轉(zhuǎn)矩的電流分量，對它們分別進行控制，同時將二者合成后的定子電流供給電動機。這樣可得到與控制直流電機相同的速度、轉(zhuǎn)矩控制效果。具有起動電流無脈動，電流小，提供力矩大，特性硬等特點。
采用變頻器進行調(diào)速或節(jié)能應(yīng)用時，其設(shè)備的聯(lián)接和安裝非常方便，它只將原輸入到電機的電網(wǎng)工頻電源，改成輸給變頻器，然后將變頻器輸出連接到電機即可，這對原舊設(shè)備的改造尤為方便可行。
在變頻器帶動電機起動時，由于頻率和電壓是按需要隨時間逐步遞增的，故起動電流一般在兩倍額定電流以下，而且不需要其它起動裝置，也不造成電流沖擊，這在數(shù)十千瓦電機以上的應(yīng)用場合顯得特別適用。
變頻器的控制回路提供了工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)控制數(shù)字輸入輸出、模擬輸入輸出、脈沖量接口及通訊接口，能全方位的接收并反饋被控制量各種實時狀態(tài)參數(shù)，能相當(dāng)方便地加入到DCS及各種數(shù)字模擬控制系統(tǒng)中。
三、變頻器節(jié)能分析
風(fēng)機泵類負(fù)載轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的平方成正比，軸功率與轉(zhuǎn)速的立方成正比，因此，將從前的電機以定速運轉(zhuǎn)，用擋板閥門調(diào)節(jié)風(fēng)水量的方法，改用根據(jù)所需要的風(fēng)水量，用變頻器來調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速就可以獲得大量節(jié)電效果。
1）風(fēng)機風(fēng)量控制
電機以定速運轉(zhuǎn)，調(diào)節(jié)風(fēng)機風(fēng)量典型方法是采用擋板控制。根據(jù)擋板在風(fēng)道中的安裝位置可分為出口擋板控制和入口擋板控制。采用擋板控制時，當(dāng)擋板關(guān)小則增加風(fēng)阻，且不能在寬范圍調(diào)節(jié)風(fēng)量。與擋板控制相比，轉(zhuǎn)速控制的節(jié)電效果大。見下圖
若有235KW的變頻器應(yīng)用于一臺235KW的風(fēng)機，若所需平均風(fēng)量在60％，年運行時間以6000小時計算，則一臺風(fēng)機用變頻器控制與人口擋板控制相比，年度節(jié)電則可達(dá)到235KW*0．3*6000H=423000度，每度以0．9元計算，
年節(jié)電費38萬元。不到一年收回投資。
2）泵流量控制
泵的轉(zhuǎn)速在某一范圍內(nèi)變化時，流量、總揚程、軸功率依次有線性、平方、立方關(guān)系。但對于實際的泵負(fù)載，通常存在一個與高低差有關(guān)的實際揚程，揚程越小，軸功率越接近于同轉(zhuǎn)速成立方的定常特性，而且轉(zhuǎn)速控制產(chǎn)生的節(jié)電效果也越大。
如果忽略揚程因素，則采用變頻器的節(jié)電效果在上圖中可視為出口擋板控制與變頻器消耗功率差值。若以出口總量為60%時，年運行時間以6000小時計算，則一臺風(fēng)機用變頻器與閥門控制（出中擋板控制）相比，年度節(jié)電則可達(dá)到235KW*0.6*6000h＝846000年度,每度以0.9元計算，年節(jié)電費76萬元。不到產(chǎn)年收回投資。
3）恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載與轉(zhuǎn)速控制
對于壓縮機、輸送機、輥道等負(fù)載，其負(fù)載轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速關(guān)系不太大，但這種恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載采用變頻器調(diào)速運轉(zhuǎn)也可工節(jié)能,電機的輸出功率P表達(dá)式為
P∝TXN（負(fù)載X轉(zhuǎn)速）
也即，當(dāng)變頻器使電機速度下降時，電機的輸出功率將減小。與使用在給煤煤機的驅(qū)動單元滑差電磁調(diào)速電機、鼠籠型電機的定子降壓調(diào)速相比，變頻器的低速效率要大得多，因此，采用變頻器傳動取代這些從前的調(diào)速電機，可以充分的節(jié)能。節(jié)電率約在10%左右。
四、變頻器應(yīng)用例舉
1）鼓風(fēng)機應(yīng)用
鍋爐鼓風(fēng)機有送風(fēng)機（FD））引風(fēng)機（ID）等，一般在電站設(shè)計時，選用的風(fēng)機的供風(fēng)量在風(fēng)機額定風(fēng)量的80％時，就能滿足發(fā)電機最大發(fā)電輸出。另外，火電廠發(fā)電常進行負(fù)荷調(diào)整，白天大多運行在80％（上限），夜間大多運行在很低的轉(zhuǎn)速。變頻器風(fēng)機的小風(fēng)量運行時間越長，效益越大。
對于小容量鍋爐的燃燒控制，有的采用氧化皓檢測煙道含氧量，并控制風(fēng)機使含氧量最低，來減少釋放到煙道的熱量，這樣不但能節(jié)省電能，還能節(jié)省燃料。
在變頻器應(yīng)用于鍋爐鼓風(fēng)機時，應(yīng)注意到當(dāng)變頻器發(fā)生故障或過負(fù)載時，要就能切換到工頻電源，不讓鍋爐中斷運行，反之亦然。另還要考慮高次諧波對電機及母線的影響。
2）給水泵應(yīng)用
電廠鍋爐負(fù)荷經(jīng)常變化，當(dāng)然會引起給水量及汽包水位壓力的變化，但僅通過調(diào)節(jié)出水閥就會造成很大的壓力損失，使效率變低。如果對給水泵的轉(zhuǎn)速進行控制，以保持最佳壓力，就可以消除壓力損失，取得節(jié)能的效果。如果有多對給水泵，可以建立一套恒壓供水自動循環(huán)切換系統(tǒng)，始終保持汽包工作在最佳狀態(tài)。這種系統(tǒng)，實際揚程對全揚程的比率越小，節(jié)能效果越大。
3）給煤機應(yīng)用
以往采用滑差電磁調(diào)速電動機對給煤機進行變速控制，達(dá)到對爐膛燃燒的控制，用變頻調(diào)速器和全封閉調(diào)速器和全封閉外扇式鼠籠異步電機與之相比較，應(yīng)用變頻器后，調(diào)速范圍可以從滑差電機的20%-100%提高到2%-200%（最大）特別在給煤量較少時，將運行頻率提高至60HZ，進而提高出力。在節(jié)電的同時，還可避免采用滑差調(diào)速電機容易因煤粉堵塞而常常燒壞的情況，嚴(yán)重影響生產(chǎn)。
由于粉末煤料供給系統(tǒng)在起動時的負(fù)載轉(zhuǎn)矩較正常運行時大，所以選擇變頻器時必須考慮負(fù)載特性，選用較原來電機容量大一級的變頻器，并將變頻器的工作方式設(shè)定在矢量方式，以在低頻時提供強轉(zhuǎn)矩。
由于料斗內(nèi)粉末或其濕度或煤質(zhì)的影響，可能發(fā)生堵塞，造成起動轉(zhuǎn)矩異常大而無法起動，在這種情況下，應(yīng)當(dāng)有直接用工頻起動的設(shè)計，確保在任何情況下，給煤機都能萬無一失可靠工作。
4）給粉機應(yīng)用
同樣由于滑差調(diào)速的缺點，用變頻器代替可防止滑差電機的轉(zhuǎn)子堵塞，并實現(xiàn)DCS下的同步、精確比例運行，能很精確調(diào)節(jié)給粉量，控制燃燒。
為防止其它故障影響，在變頻器中，應(yīng)當(dāng)設(shè)定最低運轉(zhuǎn)速度，可以防止給粉徹底中斷。
5）裝卸與搬運
電站自動倉庫為了提高生產(chǎn)率，達(dá)到節(jié)能和節(jié)省空間的目的，迫切需要實現(xiàn)塔式吊車的高速化和小型化。塔式吊車行走和裝卸貨物的鏟叉一直采用直流電機或變極電極電機或串電阻調(diào)速辦法，但為了使傳動裝置小型化和簡單，并提高定位精度，變頻器得到越來越多的應(yīng)用。
采用變頻器后，可以減少傳動裝置空間和重量，使用標(biāo)準(zhǔn)的齒輪電機或法盤電機。用一臺變頻器還可以輪流切換使用行走和裝卸。速度可任意設(shè)置，提高停位精度。
使用時應(yīng)注意有時為了加快工作時間，有可能由于電機加速轉(zhuǎn)矩不夠而加大電機容量，所以應(yīng)對電機容量與加減速特性給予關(guān)注。電機在60HZ以上的高速運轉(zhuǎn)時，標(biāo)準(zhǔn)減速器可能無法使用，所以可選6極電機與減速器配合，這樣可工作在90HZ以上。
五、結(jié)論
變頻器的發(fā)展應(yīng)用得益于這個時代，得益于其內(nèi)在的實現(xiàn)自動化的功能，無級調(diào)速和大幅度節(jié)能的突出優(yōu)點。當(dāng)今，變頻器的廣泛深入應(yīng)用已成為現(xiàn)代化電站的一個顯著特點。本文列舉了變頻器的電站中應(yīng)用的幾個例子，其實還有很多方方面面在此不一詳述。以后可就如變頻器技術(shù)的諧波、電機散熱、制動、瞬停起動等問題進行詳細(xì)專題討論。
