变频（电力技术）

变频（电力技术）

变频 （电力技术） 次浏览 | 2022.08.16 13:51:46 更新 来源 ：互联网 精选百科 本文由作者推荐 变频电力技术

变频就是改变供电频率，从而调节负载，起到降低功耗，减小损耗，延长设备使用寿命等作用。英译：frequencyconversion。变频技术的核心是变频器，通过对供电频率的转换来实现电动机运转速度率的自动调节，把50Hz的固定电网频改为30—130Hz的变化频率。

中文名

变频

英文名

frequency conversion

优点

调节负载，减小损耗

电源电压

142—270V

类型

电力

发展

变频器一般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。出一种基于可调谐变频芯片的有线网络宽带接入技术方案,它由具备多信道同时通信能力的局端设备和工作频率可调谐的用户端设备组成。[1]

VVVF变频器的控制相对简单，机械特性硬度也较好，能够满足一般传动的平滑调速要求，已在产业的各个领域得到广泛应用。但是，这种控制方式在低频时，由于输出电压较小，受定子电阻压降的影响比较显着，故造成输出最大转矩减小。另外，其机械特性终究没有直流电动机硬，动态转矩能力和静态调速性能都还不尽如人意，因此人们又研究出矢量控制变频调速。

矢量的做法

矢量控制变频调速的做法是：将异步电动机在三相坐标系下的定子交流电流Ia、Ib、Ic、通过三相—二相变换，等效成两相静止坐标系下的交流电流Ia1Ib1，再通过按转子磁场定向旋转变换，等效成同步旋转坐标系下的直流电流Im1、It1(Im1相当于直流电动机的励磁电流；It1相当于与转矩成正比的电枢电流)，然后模仿直流电动机的控制方法，求得直流电动机的控制量，经过相应的坐标反变换，实现对异步电动机的控制。

矢量控制方法的提出具有划时代的意义。然而在实际应用中，由于转子磁链难以准确观测，系统特性受电动机参数的影响较大，且在等效直流电动机控制过程中所用矢量旋转变换较复杂，使得实际的控制效果难以达到理想分析的结果。

1985年，德国鲁尔大学的DePenbrock教授首次提出了直接转矩控制变频技术。该技术在很大程度上解决了上述矢量控制的不足，并以新颖的控制思想、简洁明了的系统结构、优良的动静态性能得到了迅速发展。目前，该技术已成功地应用在电力机车牵引的大功率交流传动上。并且变频技术所应用到的行业越来越广泛,和能源相关的行业都能用到.举例:生活中空调,冰箱,洗衣机等等,工业:起重机等等

直接转矩控制直接在定子坐标系下分析交流电动机的数学模型，控制电动机的磁链和转矩。它不需要将交流电动机化成等效直流电动机，因而省去了矢量旋转变换中的许多复杂计算；它不需要模仿直流电动机的控制，也不需要为解耦而简化交流电动机的数学模型。

VVVF变频、矢量控制变频、直接转矩控制变频都是交—直—交变频中的一种。其共同缺点是输入功率因数低，谐波电流大，直流回路需要大的储能电容，再生能量又不能反馈回电网，即不能进行四象限运行。为此，矩阵式交—交变频应运而生。由于矩阵式交—交变频省去了中间直流环节，从而省去了体积大、价格贵的电解电容。它能实现功率因数为l，输入电流为正弦且能四象限运行，系统的功率密度大。该技术目前虽尚未成熟，但仍吸引着众多的学者深入研究。

家用变频的发展

20世纪70年代

家用电器开始逐步变频化，出现了电磁烹任器、变频照明器具、变频空调器、变频微波炉、变频电冰箱、IH(感应加热)饭堡、变频洗衣机等。

20世纪90年代后半期

家用电器则依托变频技术，主要瞄准高功能和省电。比如，要求具有高速高出力、控制性能好、小型轻量、大容量、高舒适感、长寿命、安全可靠、静音、省电等优点。

首先是电冰箱，由于它处于全天工作，采用变频制冷后，压缩机始终处在低速运行状态，可以彻底消除因压缩机起动引起的噪声，节能效果更加明显。

其次，空调器使用变频后，扩大了压缩机的工作范围，不需要压缩机在断续状态下运行就可实现冷、暖控制，达到降低电力消耗，消除由于温度变动而引起的不适感。近年来，新式的空调器已采用无刷直流电动机实现变频调速，其节能效果较交流异步电动机变频又提高约10%—15%。为了进一步提高装置的效能，近年来，日本的空调器又逐步从单纯的PWM控制改为PWM十PAM混合控制方式。即较低速时采用PWM控制，保持U/f为一定；当转速大于一定值时，将调制度固定在最大值附近，通过改变直流斩波器的导通占空LL，提高逆变器输入直流电压值，从而保持变频器输出电压和转速成比例，这一区域称为PAM区。采用混合控制方式后，变频器的输入功率因数、电机效率、装置综合效率都比单独PWA4控制时有较大幅度的提高。

近年来的新式

新式的变频冷藏库不但耗电量减少、实现静音化，而且利用高速运行能实现大幅度时快速冷冻；在洗衣机方面，过去使用变频实现可变速控制，提高洗净性能，新流行的洗衣机除了节能和静音化外，还在确保衣物柔和洗涤等方面推出新的控制内容；电磁烹任器利用高频感应加热使锅子直接发热，没有燃气和电加热的炽热部分，因此不但安全，还大幅度提高加热效率，其工作频率高于听觉之上，从而消除了饭锅振动引起的噪声。

危害对策

电力电子装置中的相控整流和不可控二极管整流使输入电流波形发生严重畸变，不但大大降低了系统的功率因数，还引起了严重的谐波污染。另外，硬件电路中电压和电流的急剧变化，使得电力电子器件承受很大的电应力，并给周围的电气设备及电波造成严重的电磁干扰(EMl)，而且情况日趋严重。许多国家都已制定了限制谐波的国家标准，国际电气电子工程师协会(IEEE)、国际电工委员会(IEC)和国际大电网会议(CIGRE)纷纷推出了自己的谐波标准。我国政府也分别于1984年和1993年制定了限制谐波的有关规定。

干扰的对策

(1)谐波抑制为了抑制电力电子装置产生的谐波，一种方法是进行谐波补偿，即设置谐波补偿装置，使输入电流成为正弦波。

传统的谐波补偿装置是采用lC调谐滤波器，它既可补偿谐波，又可补偿无功功率。其缺点是，补偿特性受电网阻抗和运行状态影响，易和系统发生并联谐振，导致谐波放大，使LC滤波器过载甚至烧毁。此外，它只能补偿固定频率的谐波，效果也不够理想。但这种补偿装置结构简单，目前仍被广泛应用。

电力电子器件普及应用之后，运用有源电力滤波器进行谐波补偿成为重要方向。其原理是，从补偿对象中检测出谐波电流，然后产生一个与该谐波电流大小相等极性相反的补偿电流，从而使电网电流只含有基波分量。这种滤波器能对频率和幅值都变化的谐波进行跟踪补偿，且补偿特性不受电网阻抗的影响。它已得到人们的重视，并将逐步推广应用。

另一种方法是改革变流器的工作机理，做到既抑制谐波，又提高功率因数，这种变流器称单位功率因数变流器。

大容量变流器减少谐波的主要方法是采用多重化技术：将多个方波叠加以消除次数较低的谐波，从而得到接近正弦的阶梯波。重数越多，波形越接近正弦，但电路结构越复杂。

几千瓦到几百千瓦的高功率因数变流器主要采用PWM整流技术。它直接对整流桥上各电力电子器件进行正弦PWM控制，使得输入电流接近正弦波，其相位与电源相电压相位相同。这样，输入电流中就只含与开关频率有关的高次谐波，这些谐波次数高，容易滤除，同时也使功率因数接近1。采用PWM整流器作为AC/DC变换的PWM逆变器，就是所谓的双PWM变频器。它具有输入电压、电流频率固定，波形均为正弦，功率因数接近1，输出电压、电流频率可变，电流波形也为正弦的特点。这种变频器可实现四象限运行，从而达到能量的双向传送。

小容量变流器为了实现低谐波和高功率因数，一般采用二极管整流加PWM斩波，常称之为功率因数校正(PEC)。典型的电路有升压型、降压型、升降压型等。

(2)电磁干扰抑制解决EMI的措施是克服开关器件导通和关断时出现过大的电流上升率di/dt和电压上升率du/dt，目前比较引入注目的是零电流开关(ZCS)和零电压开关(ZVS)电路。方法是：

①开关器件上串联电感，这样可抑制开关器件导通时的di/dt，使器件上不存在电压、电流重叠区，减少了开关损耗；

②开关器件上并联电容，当器件关断后抑制du/dt上升，器件上不存在电压、电流重叠区，减少了开关损耗；

③器件上反并联二极管，在二极管导通期间，开关器件呈零电压、零电流状态，此时驱动器件导通或关断能实现ZVS、ZCS动作。

软开关技术

①部分谐振PWM。为了使效率尽量与硬开关时接近，必须防止器件电流有效值的增加。因此，在一个开关周期内，仅在器件开通和关断时使电路谐振，称之为部分谐振。

②无损耗缓冲电路。串联电感或并联电容上的电能释放时不经过电阻或开关器件，称无损耗缓冲电路，常不用反并联二极管。

在电机控制中主开关器件多采用IGBT，IGBT关断时有尾部电流，对关断损耗很有影响。因此，关断时采用零电流时间长的ZCS更合适。

功率因数补偿

是采用同步调相机，它是专门用来产生无功功率的同步电机，利用过励磁和欠励磁分别发出不同大小的容性或感性无功功率。然而，由于它是旋转电机，噪声和损耗都较大，运行维护也复杂，响应速度慢，因此，在很多情况下已无法适应快速无功功率补偿的要求。

另一种方法是采用饱和电抗器的静止无功补偿装置。它具有静止型和响应速度快的优点，但由于其铁心需磁化到饱和状态，损耗和噪声都很大，而且存在非线性电路的一些特殊问题，又不能分相调节以补偿负载的不平衡，所以未能占据静止无功补偿装置的主流。

随着电力电子技术的不断发展，使用SCR、GTO和IGBT等的静止无功补偿装置得到了长足发展，其中以静止无功发生器最为优越。它具有调节速度快、运行范围宽的优点，而且在采取多重化、多电平或PWM技术等措施后，可大大减少补偿电流中谐波含量。更重要的是，静止无功发生器使用的电抗器和电容元件小，大大缩小装置的体积和成本。静止无功发生器代表着动态无功补偿装置的发展方向。

收音机原理

所谓“变频”，就是通过一种叫“变频器”的电路，将接收到的电台信号变换成一个频率比较低但节目内容一样的“中频”，然后对“中频”进行放大和“检波”（取出电台高频信号中携带的音频信号[“表示声音的电信号”]，供收听）。

因为中频比电台信号频率低（现在有些机器的中频比电台信号频率高，另当别论），放大容易，不容易引起自激，灵敏度高，且可以针对固定的中频做很多的“调谐回路”，选择性好。带有自动增益（放大倍数）控制电路（即所谓的AGC），使强、弱电台的音量差距变小。

试验装置

利用励磁变压器激发串联谐振回路，调节变频控制器的输出频率，使回路电感L和试品C串联谐振，谐振电压即为加到试品上电压。变频谐振试验装置广泛用于电力、冶金、石油、化工等行业，适用于大容量，高电压的电容性试品的交接和预防性试验。

BPXZ串联谐振耐压装置主要由变频控制器，励磁变压器，高压电抗器，高压分压器等组成。变频控制器又分两大类，20KW及以上为控制台式，20KW以下为便携箱式；它由控制器和滤波器组成。变频控制器主要作用是把幅值和频率都固定的380V或200V工频正弦交流电转变为幅值和频率可调的正弦波。并为整套设备提供电源。励磁变压器的作用是将变频电源输出的电压升到合适的试验电压。高压电抗器L是谐振回路重要部件，当电源频率等于1/（2π√LCX）时，它与被试品CX发生串联谐振。

该装置适用于10KV、35KV、110KV、220KV、500KV聚己烯电力电缆交流耐压试验。适用于60KV、220KV，500KVGIS交流耐压试验。适用于大型变压器，发电机组工频耐压试验；电力变压器感应耐压试验；接地电阻测量。

技术参数

◆谐振电压波型：正弦波，波形畸变率<1.0%

◆输出频率：30～300Hz

◆工作制：满功率输出下，连续工作时间60min

◆品质因素：30～80

◆输入工作电源：单相380/220V±10%，50Hz

◆环境温度：－10℃～+50℃

◆相对湿度：<95%，无凝露状况

◆适用范围：

1、电缆变频谐振装置；

2、发电机交流耐压装置；

3、变电站电气设备交流耐压谐振装置；

4、CVT检验用谐振升压装置。

定义

在电阻、电感及电容所组成的串联电路内，当容抗XC与感抗XL相等时，即XC=XL，电路中的电压U与电流I的相位相同，电路呈现纯电阻性，这种现象叫串联谐振(也称为电压谐振)。当电路发生串联谐振时，电路的阻抗Z=√R2+XC-XL2=R,电路中总阻抗最小，电流将达到最大值。

危害性

发生谐振时，由于感抗和容抗相等，所以电感和电容两端的电压有效值相等，即：UL=UC。又由于其相位相反，因此这两个电压是相互抵消的。在电容或电感的电压有效值为：UL=UC=XLI0=ω0LIO=ω0LU/R。式中ω0L/R称为谐振电路的品质因数，它代表电压比。即UC/U或UL/U。

品质因数是衡量谐振电路特性的一个重要参数。如电路中电抗越大，电阻越小，则品质因数越高。因此电容或电感上的电压值将比外加电压大的多。一般电感、电容谐振电路的品质因数可达几十甚至几百。所以串联谐振又叫电压谐振。在电力系统中，串联谐振将会产生高出电网额定电压数倍的过电压，对电力设备的安全造成很大危害。

在R-L-C串联电路中，出现线路端电压和电流同相位的现象叫串联谐振。

产品特性

稳定性、可靠性高

系统采用进口功率元件作为功率变换的核心，电压输出和频率输出稳定，电磁兼容设计合理，保护功能完善，经过多次高压直接对地短路的测试，系统仍然保持完好，同时系统也有很强的过载能力。

自动调谐功能强大

系统自动调谐时，从30Hz到300Hz自动扫频，显示扫频曲线，用户能直观地看到系统调谐过程；扫频完成后，系统根据扫频初步找到的谐振频点，在其±5Hz范围内以0.01Hz为分辨率进行频率细扫，最后精确锁定谐振频率。

支持多种试验模式

系统支持“自动调谐+手动调压”，“自动调谐+自动调压”，“手动调谐+手动调压”等试验模式，推荐使用“自动调谐+手动调压”模式，既能快速找到谐振点，又能通过手动调压控制试验过程，安全性更高。

人机交互界面

试验参数设置、试验控制、试验结果等同屏显示，直观清晰，并具有自动计时及操作提示功能。全触摸屏操作及显示，具备试验数据保存和查询功能。

保护功能完善

具备零位保护（电压输出控制旋钮不在零位时，禁止系统启动），过压保护，过流保护，闪络保护等功能，保证了系统的可靠性。

该系列装置既可以采用调整电抗器电感量的方式达到谐振状态，也可以采用调整系统工作频率的方式达到谐振状态，还可以同时采用上述两种方式达到谐振状态。当需要什么频率做试验时，就将激励源的频率调整到需要的频率，然后根据被试品的电容量调节电抗器的感抗，使系统谐振，产生高压，在升压过程中，如果谐振点偏离，可以通过微调频率的方式准确找到谐振点，保证高Q值，从而最大程度的减小电源容量和试验设备体积重量。

耐压试验

1、6kV-500kV高压交联电缆：交流耐压试验

2、发电机：交流耐压试验

3、GIS和SF6开关：交流耐压试验

4、6kV-500kV变压器：工频耐压试验

5、其它电力高压设备如母线，套管，互感器的交流耐压试验。

决定系统参数

◇系统谐振电压等级和容量取决于试品的电容量C，试验电压U试验频率f。

1、对于交联聚乙烯电缆决定系统配置的主要是：电缆的电压等级、电缆的截面积、试验电缆的长度及电缆要求的谐振频率范围。

2、对于GIS决定系统配置的因素为：GIS的电压等级、GIS的间隔数和每个间隔的电容量C，GIS允许的试验频率范围。

3、对于变压器、发电机等设备，系统的配置取决于试品的容量试验电压、试品的等效电容量C、要求的谐振频率和试品的空载损耗的大小。

ACF变频串联谐振试验装置主要适用于电力、冶金、工矿企业动力部门等针对10V～35V高压交联电缆进行交接和预防性试验的现场试验装置。整套装置由变频控制箱、励磁变压器、电抗器和电容分压器组成。利用励磁变压器激发串联谐振回路，通过调节输出频率，使回路中电抗器和试品电容发生串联谐振，是当前高压试验的一种新方法，已得到广泛的应用。应用脉冲宽度调制PWM方式，输出电压的调节和变频器的逆变均采用先进、可靠的绝缘栅场效应IGBT开关管主要器件均采用进口元器件。变频控制箱大屏幕液晶显示，一键式操作。

参考资料