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摘 要：风机系统是工业设备中重要的耗能源，随着国家对于节能减排和能源利用程度重视程度的提高，对于风机调速系统的优化改造迫在眉睫。本文主要研究变频调速技术在风机系统中的应用，通过改变高压电动机的输入电源频率，实现风机设备的调速。在分析调速原理和方法的基础上，选用级联多电平电压源型高压变频器，并分析不同的调制方式，为实现风机变频调速奠定理论基础。
关键词：风机系统；变频调速；节能降耗
中图分类号：TD441 文献标识码：A 文章编号：1004-7344（2018）24-0256-01
引 文
工业循环水系统以及通风行业的运行成本中，风机消耗的电能占到了很大的比例。国家对于节能减排和能源利用率的重视程度越来越高，《节能减排规划》中提出采用高效节能电动机、风机、水泵来淘汰落后的耗电设备，对电机系统实现变频调速、永磁调速，优化系统运行和控制。变频器应用在各种工业设备中，通过对电机工作电源频率的控制和改变来控制电机的整体运转，本文主要研究变频调速技术在风机系统中的应用，分析变频器的不同调制方式，优化后的调速系统能够提高风机的工作效率，实现节约电能的同时保证设备运行的稳定性和可靠性。
1 变频器结构
变频器由主回路和控制回路组成，其中主回路又可以分为交-直回路，直-交回路，能耗制动电路，外部接线，控制回路又分为内部控制回路和外部控制回路。
（1）交-直回路：变频器的交-直回路中包含了整流电路、滤波电路、限流电路，整流电路可以将电源的三相交流全波整流成直流电，滤波电路采用电容消除整流后的电压纹波，能够保持电压的平稳性，限流电路限制电容中的电流强度，避免进入到设备内部对设备造成影响。
（2）直-交回路：变频器的直-交电路由逆变电路和续流电路，逆变电路是变频器的核心部分，通过逆变方式改变电流的波形，续流电路采用续流二级管实现，可以为无功电流提供返回到直流电源的通道，同时在交替導通和截止过程中提供通道。
（3）能耗制动电路：制动电阻是能耗制动电路的核心部件，电动机工作频率降低过程中，系统运转出现机械能向电能的转化，如果通过设备反馈到直流电路中会带设备带来巨大的安全隐患，制动电阻可以处理部分电压，控制其在合理的范围内。
（4）控制回路，控制回路的内部控制回路包括了控制板、键盘、电源板、驱动板等硬件部分，外部控制电路包括外接给定电路，外接输入和输出控制电路。
2 变频器调速方法
2.1 电流型高压变频调速
电流型的变频器调速采用了交-直-交变换技术，首先将三相交流电的A、B、C相通过整流器整流成为直流电，然后通过三相逆变电路变为需要的三相交流电、电流型变频器的优势是采用了大电阻抗器作为电流的滤波环节，在风机的运行过程中即使出现短路等故障，电流仍然可控，能量可以回馈电网。缺点是变频器输入、输出电压高，一般情况下额定输出电压在2300V以上，需要考虑器件的动静态均压问题。
2.2 电压型高压变频调速
三电平变频器调速，有正电平（P）、负电平（N）、零电平（O），设主开关器件的电压为u，三电平电路不仅可以使电压降低一半，还能使du/dt降低一半，降低输出电压的谐波，从而可以降低电动机的轴电压和轴功率。三电平电压型变频电路结构可以分为二级管钳位电路和电容钳位电路。电容钳位电路中增加了三个钳位电容，可以在电路中省略六个钳位二极管，控制不同的开关组合实现对电容的充电和放电，维持电容电压的平衡，但是电容型电路的体积大、可靠性低，如果控制不当还有可能造成电容及输出电压的波动。二级管钳位电路每相逆变桥由四个开关管、续流二极管和两个钳位二级管组成，控制每相中开关管的导通和关闭，可以实现P、O、N三种电平的输出。
2.3 级联型多电平高压变频调速
功率单元的串联型多电平高压变频调速技术采用隔离变压器将高压交流电转变为低压交流电，通过交-直-交低压变频，然后通过串联叠加在逆变测实现高压交流电的输出。功率单元的串联式多电平高压变频技术具有较多优势，采用的直流电源相互隔离，不需要考虑电压均衡的问题，变频器的发热量低，运行稳定噪声小。同时，变压器采用了多重化设计，能够明显降低谐波电流，在不增加滤波器的条件下降低了对电网的干扰。本文选用的单元串联级联多电平电压源高压变频器实现对于风机的调速控制，提高了风机变频器的可维护性和可靠性。
3 变频器在风机调速中的应用
级联多电平电压源型高压变频器调制方式可以分为基于载波脉宽调制方式和多电平基频调制技术，基于载波脉宽调制方式包括了载波移相调制方式和载波层叠调制方式。载波移相调制方式解决了高开关频率损耗大的问题，载波层叠脉宽调制技术由载波移相调制技术衍生而来，采用了N个幅值和频率相同的三角波，在横轴方向连续层叠后与正弦调制波进行比较，得到N组触发信号，实现对功率单元的触发。
载波层叠脉宽调制方法可以采用同相层叠脉宽调制、反相层叠脉宽调制以及载波交替反相层叠脉宽调制，三种调制方式存在着谐波分量，同相层叠调制方法变频器输出电压中不存在偶次谐波，但是含有低次谐波；反相层叠调制方法变频器输出电压低次谐波含量少，但是含有较多的高次谐波并且含有偶次谐波；交替反相层叠调制方法中含有偶次谐波。
采用基于零序分量注入载波移相调制，在相电压正弦调制信号中注入零序分量，零序分量是三相正弦波瞬时最大与最小值的平均值，基于零序分量注入载波移相调制可以有效降低变频器输出电压中的谐波分量，提高电压利用率，高变频器的输出能力，保证风机系统的稳定性。
4 总 结
本文主要分析和研究变频调速技术在风机改造中的应用，在对比不同类型变频调速技术的基础上，重点分析级联多电平电压源型高压变频器，介绍载波移相脉宽调制和载波层叠脉冲调制方式，最终采用基于零序分量注入载波移相调制方式，实现了风机变频调速的目的，奠定了变频技术在风机调速中的应用基础。
参考文献
[1]卞劲松.变频器在风机节能降耗改造中的应用[J].轻工科技，2018，34（03）：26～27.
[2]郝文科.变频调速技术在煤矿通风机节能的应用研究[J].煤炭与化工，2017，40（09）：141～142+145.
[3]高 花.变频调速技术在引风机改造中的应用[D].华北电力大学（北京），2017.
收稿日期：2018-7-21
关键词：风机系统；变频调速；节能降耗
中图分类号：TD441 文献标识码：A 文章编号：1004-7344（2018）24-0256-01
引 文
工业循环水系统以及通风行业的运行成本中，风机消耗的电能占到了很大的比例。国家对于节能减排和能源利用率的重视程度越来越高，《节能减排规划》中提出采用高效节能电动机、风机、水泵来淘汰落后的耗电设备，对电机系统实现变频调速、永磁调速，优化系统运行和控制。变频器应用在各种工业设备中，通过对电机工作电源频率的控制和改变来控制电机的整体运转，本文主要研究变频调速技术在风机系统中的应用，分析变频器的不同调制方式，优化后的调速系统能够提高风机的工作效率，实现节约电能的同时保证设备运行的稳定性和可靠性。
1 变频器结构
变频器由主回路和控制回路组成，其中主回路又可以分为交-直回路，直-交回路，能耗制动电路，外部接线，控制回路又分为内部控制回路和外部控制回路。
（1）交-直回路：变频器的交-直回路中包含了整流电路、滤波电路、限流电路，整流电路可以将电源的三相交流全波整流成直流电，滤波电路采用电容消除整流后的电压纹波，能够保持电压的平稳性，限流电路限制电容中的电流强度，避免进入到设备内部对设备造成影响。
（2）直-交回路：变频器的直-交电路由逆变电路和续流电路，逆变电路是变频器的核心部分，通过逆变方式改变电流的波形，续流电路采用续流二级管实现，可以为无功电流提供返回到直流电源的通道，同时在交替導通和截止过程中提供通道。
（3）能耗制动电路：制动电阻是能耗制动电路的核心部件，电动机工作频率降低过程中，系统运转出现机械能向电能的转化，如果通过设备反馈到直流电路中会带设备带来巨大的安全隐患，制动电阻可以处理部分电压，控制其在合理的范围内。
（4）控制回路，控制回路的内部控制回路包括了控制板、键盘、电源板、驱动板等硬件部分，外部控制电路包括外接给定电路，外接输入和输出控制电路。
2 变频器调速方法
2.1 电流型高压变频调速
电流型的变频器调速采用了交-直-交变换技术，首先将三相交流电的A、B、C相通过整流器整流成为直流电，然后通过三相逆变电路变为需要的三相交流电、电流型变频器的优势是采用了大电阻抗器作为电流的滤波环节，在风机的运行过程中即使出现短路等故障，电流仍然可控，能量可以回馈电网。缺点是变频器输入、输出电压高，一般情况下额定输出电压在2300V以上，需要考虑器件的动静态均压问题。
2.2 电压型高压变频调速
三电平变频器调速，有正电平（P）、负电平（N）、零电平（O），设主开关器件的电压为u，三电平电路不仅可以使电压降低一半，还能使du/dt降低一半，降低输出电压的谐波，从而可以降低电动机的轴电压和轴功率。三电平电压型变频电路结构可以分为二级管钳位电路和电容钳位电路。电容钳位电路中增加了三个钳位电容，可以在电路中省略六个钳位二极管，控制不同的开关组合实现对电容的充电和放电，维持电容电压的平衡，但是电容型电路的体积大、可靠性低，如果控制不当还有可能造成电容及输出电压的波动。二级管钳位电路每相逆变桥由四个开关管、续流二极管和两个钳位二级管组成，控制每相中开关管的导通和关闭，可以实现P、O、N三种电平的输出。
2.3 级联型多电平高压变频调速
功率单元的串联型多电平高压变频调速技术采用隔离变压器将高压交流电转变为低压交流电，通过交-直-交低压变频，然后通过串联叠加在逆变测实现高压交流电的输出。功率单元的串联式多电平高压变频技术具有较多优势，采用的直流电源相互隔离，不需要考虑电压均衡的问题，变频器的发热量低，运行稳定噪声小。同时，变压器采用了多重化设计，能够明显降低谐波电流，在不增加滤波器的条件下降低了对电网的干扰。本文选用的单元串联级联多电平电压源高压变频器实现对于风机的调速控制，提高了风机变频器的可维护性和可靠性。
3 变频器在风机调速中的应用
级联多电平电压源型高压变频器调制方式可以分为基于载波脉宽调制方式和多电平基频调制技术，基于载波脉宽调制方式包括了载波移相调制方式和载波层叠调制方式。载波移相调制方式解决了高开关频率损耗大的问题，载波层叠脉宽调制技术由载波移相调制技术衍生而来，采用了N个幅值和频率相同的三角波，在横轴方向连续层叠后与正弦调制波进行比较，得到N组触发信号，实现对功率单元的触发。
载波层叠脉宽调制方法可以采用同相层叠脉宽调制、反相层叠脉宽调制以及载波交替反相层叠脉宽调制，三种调制方式存在着谐波分量，同相层叠调制方法变频器输出电压中不存在偶次谐波，但是含有低次谐波；反相层叠调制方法变频器输出电压低次谐波含量少，但是含有较多的高次谐波并且含有偶次谐波；交替反相层叠调制方法中含有偶次谐波。
采用基于零序分量注入载波移相调制，在相电压正弦调制信号中注入零序分量，零序分量是三相正弦波瞬时最大与最小值的平均值，基于零序分量注入载波移相调制可以有效降低变频器输出电压中的谐波分量，提高电压利用率，高变频器的输出能力，保证风机系统的稳定性。
4 总 结
本文主要分析和研究变频调速技术在风机改造中的应用，在对比不同类型变频调速技术的基础上，重点分析级联多电平电压源型高压变频器，介绍载波移相脉宽调制和载波层叠脉冲调制方式，最终采用基于零序分量注入载波移相调制方式，实现了风机变频调速的目的，奠定了变频技术在风机调速中的应用基础。
参考文献
[1]卞劲松.变频器在风机节能降耗改造中的应用[J].轻工科技，2018，34（03）：26～27.
[2]郝文科.变频调速技术在煤矿通风机节能的应用研究[J].煤炭与化工，2017，40（09）：141～142+145.
[3]高 花.变频调速技术在引风机改造中的应用[D].华北电力大学（北京），2017.
收稿日期：2018-7-21