變頻電源在風機測試中的應用

1 引言

　　由于世界各國電網指標不統一，出口電器廠商需要電源模擬不同國家的電網狀況，為工程師在設計開發、生產線測試及品保的產品檢測、壽命、過高壓/低壓模擬測試等應用中提供純凈可靠的、低諧波失真、高穩定的頻率和穩壓率的正弦波電力輸出。然而，在實驗室采用變頻器調節時，給測試帶來了極大的困難，振動增大、電磁噪音增大、溫升提高、測試儀表無法正常工作等問題凸顯，因此，能提供純凈正弦波輸出的變頻電源就成為實驗室不可缺少的設備。

2 變頻器的應用

　　當今變頻器產業得到飛速發展，變頻器產品的產業化規模日趨壯大。交流變頻器自20世紀60年代問世后，80年代就在工業化國家廣泛使用，進入90年代，隨著人們節能環保意識的加強，變頻器的應用越來越普及。

　　變頻器節能主要表現在風機、水泵的應用上。為了保證生產的可靠性，各種生產機械在設計配用動力驅動時，都留有一定的富余量。當電機不能在滿負荷下運行時，除達到動力驅動要求外，多余的力矩增加了有功功率的消耗，造成電能的浪費。

　　同時，風機、泵在使用變頻調速后，可以控制電機的啟動電流，降低電力線路電壓波動，啟動時需要的功率更低，具有可控的加速功能、運行速度和轉矩極限，具備減速停車、自由停車、減速停車+直流制動等受控的停止方式，能大幅降低能耗，節約了齒輪箱等機械傳動部件。

3 變頻器在實驗室應用時帶來的問題

　　隨著出口產品的增長，世界各地電壓等級、頻率各異，其它國家和地區的工頻以60hz居多，電壓又有400v、415v的區別，由于對變頻器技術的相關知識掌握得較少，對變頻器電氣特性的測定方法掌握得不夠全面，開始我們采用變頻器提供所需的60hz電源，在測試過程中發現了諸多問題：

　　（1）風機轉速和電壓變化。輸出60hz電源時，電機轉速并不是50hz時的1.2倍，將輸入側的電壓調整為380v時，輸出側的電壓和輸入測的電壓不同，差異較大。這是因為變頻器是采用逆變技術的，通用的變頻器都是變頻變壓（vvvf），頻率發生變化，電壓也會成正比發生變化，如圖1所示。

　　（2）電機運行電磁噪音增加。變頻器輸出的是矩形波電壓，存在高頻分量，因此電機會產生刺耳的高頻噪音，該噪音明顯大于風機的噪音，給噪音測量帶來了難題。

　　（3）電機溫升升高。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電流比工頻時要多出約10%左右，所以溫升比工頻時略有提高（低次電流諧波使銅損增大，高次諧波使鐵損增大），給電機溫升試驗帶來不便，使得溫升試驗結果偏差較大。

　　（4）普通電磁、數字測試儀表失靈。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，高次諧波電流所產生的電磁場具有輻射能力，使其他設備（尤其是通信設備）因接收到電磁波信號而受到干擾，使得電磁式儀表、數字式儀表都不能用來直接測量交流電壓和電流，必須采用整流式儀表才能進行較為準確的測量。

　　針對出現的問題，我們和變頻器廠家的工程師進行了多次討論和分析，對變頻器的參數進行了合理地調整，通過調整載波頻率來減小電磁噪音、降低電機溫升，然而，電磁噪音和電機溫升在載波頻率面前是一對矛盾體，無法達到全部減小甚至消失的效果。

4 變頻器和變頻電源的區別

　　為了解決使用變頻器時的噪聲、溫升、測試等問題，就必須仔細分析變頻器的工作原理，盡量將影響降到最低。在學習、分析的過程中，我們發現了更為理想的實驗室電源設備-變頻電源。下面對比變頻器和變頻電源的原理及區別，以方便工程技術人員進行合理的選擇，在選擇變頻設備時少走彎路。

　　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（調制波）等電路構成的，將電網三相交流電經過三相橋式整流成脈動直流，再通過電解電容和電感濾波成平滑直流，最后通過逆變器，逆變成電壓和頻率可調的三相交流電。變頻器標準叫法為變頻調速器。

　　變頻器的輸入電路是三相交流電源經全波整流后向濾波電容器充電的電路，輸入電流總是出現在電壓的振幅值附近，呈不連續的沖擊波形式，如圖2所示，變頻器的輸出電路是把直流變成頻率連續可調的三相調制交流電壓的逆變橋電路，其輸出電壓波形是正弦調制spwm波，如圖3所示。

　　高次諧波電流在線路上所造成諧波壓降，引起電網電壓波形畸變，這個畸變影響到其它負載，導致用電設備效率降低，噪音增大，甚至在一些設備里發生共振，導致設備過熱，還會給儀表裝置和電訊設備帶來嚴重的電磁干擾，給測試裝置的精度及數據的可靠性帶來了嚴重的后果。因此，我們需要尋找替代變頻器的更為精密的電源裝置，變頻電源就是十分合適的選擇。
　變頻電源是將工業電網中的交流電經過ac-dc-ac變換，輸出為純凈的正弦波，輸出頻率和電壓一定范圍內可調。它有別于用于電機調速用的變頻器，也有別于普通交流穩壓電源。理想的交流電源的特點是頻率穩定、電壓穩定、內阻等于零、電壓波形為純正弦波（無失真）。變頻電源十分接近于理想交流電源，輸出相位偏差在±2°內，頻率穩定率≤0.01%，負載穩壓率在±0.5%范圍內，波形失真度≤2%（阻性負載），反應時間最大值為2ms，效率≥85%，帶有輸入、輸出無熔絲開關，電子電路快速偵測過電壓、過電流、過載、過高溫＆短路并自動跳脫保護及告警等保護裝置。因此，先進發達國家越來越多地將變頻電源用作標準供電電源，以便為用電器提供最優良的供電環境，便于客觀考核用電器的技術性能。

　　變頻電源可以帶載各種阻抗特性的負載，包括電感類、電阻類、整流類常見負載，需引起重視的是負載類型不同，所需變頻電源的功率容量有很大不同。

　　電源容量選擇方法：

　　阻性：電源容量 = 1.1×負載功率

　　感性：電源容量 =負載啟動電流/負載額定電流×負載功率

　　整流：電源容量 = 負載電流波峰系數/1.5×負載功率

　　混合型：請按照不同負載所占比例適當選取

　　注：對于冰箱、空調之類的感性負載，應按照啟動功率來選擇電源容量。啟動功率一般為額定功率的5-7倍。

　　通過選擇合理的變頻電源，就能模擬世界各地的電壓、頻率，獲得可靠的實驗室數據，對于使用最為普遍的電機而言，要按照感性負載進行選擇。我廠使用的電機最大功率為3kw，啟動電流約為額定電流的3倍，因此選擇15kva的電源容量已經足夠。當然，變頻器和變頻電源的價格也不在一個數量級，變頻電源的價格約為變頻器的10倍。

5 結束語

　　通過對變頻器和變頻電源原理的研究和分析，掌握了變頻器和變頻電源的輸出電源特性，了解了實驗室使用變頻器所帶來的諸多問題，為實驗室選擇合理的變頻電源裝置提供了依據，特別是對電氣知識掌握較少的機械類工程技術人員來說，合理選擇實驗室電源裝置，才能對產品性能檢測、型式試驗提供保證，才能使產品在世界各地暢通無阻。