變頻調(diào)速技術(shù)發(fā)展問題研究

張小龍

[摘要]隨著電力電子技術(shù)、計算機技術(shù)、自動控制技術(shù)的迅速發(fā)展，電氣傳動技術(shù)面臨著一場歷史革命，即交流調(diào)速取代直流調(diào)速和計算機數(shù)字控制技術(shù)取代模擬控制技術(shù)已成為發(fā)展趨勢。交流電機變頻調(diào)速技術(shù)是當今節(jié)電、改善工藝流程以提高產(chǎn)品質(zhì)量和改善環(huán)境、推動技術(shù)進步的一種主要手段。變頻調(diào)速以其有益的調(diào)速和起制動性能、高效率、高功率因數(shù)的節(jié)電效果、適用范圍廣等優(yōu)點，而被國內(nèi)外公認為最有發(fā)展前途的調(diào)速方式。本文對變頻調(diào)速技術(shù)在國內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀進行對比分析，并對其應(yīng)用進行了闡述。

[關(guān)鍵詞]變頻器：控制技術(shù)：應(yīng)用

[中圖分類號]TN773 [文獻標識碼]A [文章編號]1672-5158（2013）06-0230-01

1 變頻調(diào)速技術(shù)的現(xiàn)狀

電氣傳動控制系統(tǒng)通常由電動機、控制裝置和信息裝置三部分組成。電氣傳動可分為調(diào)速和不調(diào)速兩大類，調(diào)速又分為交流調(diào)速和直流調(diào)速兩種方式。不調(diào)速電動機直接由電網(wǎng)供電。但是，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，原本不調(diào)速的機械越來越多地改用調(diào)速傳動以節(jié)約電能，改善產(chǎn)品質(zhì)量，提高產(chǎn)量。以我國為例，60%的發(fā)電量是通過電動機消耗的。因此，調(diào)速傳動有著巨大的節(jié)能潛力，變頻調(diào)速是交流調(diào)速的基礎(chǔ)和主干內(nèi)容，變頻調(diào)速技術(shù)的出現(xiàn)使頻率變?yōu)榭梢猿浞掷玫馁Y源。近年來。變頻調(diào)速技術(shù)已成為交流調(diào)速中最活躍、發(fā)展最快的技術(shù)。

（1）國外現(xiàn)狀

采用變頻的方法，實現(xiàn)對電機轉(zhuǎn)速的控制，大約已有40年的歷史，但變頻調(diào)速技術(shù)的高速發(fā)展，則是近十年的事情，主要是由下面幾個因素決定：

①市場有大量需求

②功率器件發(fā)展迅速

③控制理論和微電子技術(shù)的支持

（2）國內(nèi)現(xiàn)狀

從整體上看我國電氣傳動系統(tǒng)制造技術(shù)水平較國際先進水平差距10-15年。在大功率交交，無換向器電動機等變頻技術(shù)方面，國內(nèi)只有少數(shù)科研單位有能力制造，但在數(shù)字化及系統(tǒng)可靠性方面與國外還有相當差距。而這方面產(chǎn)品在諸如抽水蓄能電站機組啟動及運行、大容量風機、壓縮機和軋機傳動、礦井卷揚機方面有很大需求。在中小頻率技術(shù)方面，國內(nèi)學者做了大量變頻理論的基礎(chǔ)研究。早在80年代，已成功引入矢量控制的理論，針對交流電機具有多變量、強耦合、非線性的特點，采用了線性解耦和非線性解耦的方法，探討交流電機變頻調(diào)速的控制策略。進入90年代，隨著高性能單片機和數(shù)字信號處理器的使用，國內(nèi)學者緊跟國外最新控制策略，針對交流電機感應(yīng)特點，采用高次諧波注入SPWM和空間磁通矢量PWM等方法，控制算法采用模糊控制，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論對感應(yīng)電機轉(zhuǎn)子電阻、磁鏈和轉(zhuǎn)矩進行在線觀測，在實現(xiàn)無速度傳感器交流變頻調(diào)速系統(tǒng)的研究上作了有益的基礎(chǔ)研究。在新型電力電子器件應(yīng)用方面，由于GTR，GTO，IGBT，IPM等全控制器件的使用，使得中小功率的變流主電路大大簡化，大功率SCR，GTO，IG-BT，IGCT等器件的并聯(lián)、串聯(lián)技術(shù)應(yīng)用，使高電壓、大電流變頻器產(chǎn)品的生產(chǎn)及應(yīng)用成為現(xiàn)實。在控制器件方面，實現(xiàn)了從16位單片機到32位DSP的應(yīng)用。國內(nèi)學者一直致力于變頻調(diào)速新型控制策略的研究，但由于半導體功率器件和DSP等器件依賴進口，使得變頻器的制造成本較高，無法形成產(chǎn)業(yè)化，與國外的知名品牌相抗衡。國內(nèi)幾乎所有的產(chǎn)品都是普通的V/f控制，僅有少量的樣機采用矢量控制，品種與質(zhì)量還不能滿足市場需要，每年需大量進口高興能的變頻器。

因此，國內(nèi)交流變頻調(diào)速技術(shù)產(chǎn)業(yè)狀況表現(xiàn)如下：（1）變頻器控制策略的基礎(chǔ)研究與國外差距不大。（2）變頻器的整機技術(shù)落后，國內(nèi)雖有很多單位投入了一定的人力、物力，但由于力量分散，并沒形成一定的技術(shù)和生產(chǎn)規(guī)模。（3）變頻器產(chǎn)品所用半導體功率器件的制造業(yè)幾乎是空白。（4）相關(guān)配套產(chǎn)業(yè)及行業(yè)落后。（5）產(chǎn)銷量少，可靠性及工藝水平不高。

2 變頻調(diào)速技術(shù)未來發(fā)展的方向

變頻調(diào)速技術(shù)主要向著兩個方向發(fā)展：一是實現(xiàn)高功率因數(shù)、高效率、無諧波干擾，研制具有良好電磁兼容性能的“綠色電器”；二是向變頻器應(yīng)用的深度和廣度發(fā)展。隨著變頻器應(yīng)用領(lǐng)域深度和廣度的不斷開拓，變頻調(diào)速技術(shù)將越來越清楚地展示它在一個國家國民經(jīng)濟中的重要性?？梢灶A(yù)料，現(xiàn)代控制理論和人工智能技術(shù)在變頻調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用和推廣，將賦予它更強的生命力和更高的技術(shù)含量。其發(fā)展方向具有如下幾項：（1）實現(xiàn)高水平的控制；（2）開發(fā)清潔電能的變頻器；（3）縮小裝置的尺寸；（4）高速度的數(shù)字控制；（5）模擬與計算機輔助設(shè)計（CAD）技術(shù)。

3 變頻調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用

縱觀我國變頻調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用，總的說來走的是一個由試驗到實用，由零星到大范圍，由輔助系統(tǒng)到生產(chǎn)裝置，由單純考慮節(jié)能到全面改善工藝水平，由手動控制到自動控制，由低壓中小容量到高壓大容量，一句話，由低級到高級的過程。我國是一個能耗大國，60%的發(fā)電量被電動機消耗掉，據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計，我國大約有風機、水泵、空氣壓縮機4200萬臺，裝機容量約1.1億萬千瓦，然而實際工作效率只有40%-60%，損耗電能占總發(fā)電量的40%，已有經(jīng)驗表明，應(yīng)用變頻調(diào)速技術(shù)，節(jié)電率一般可達10%-30%，有的甚至高達40%，節(jié)能潛力巨大。

有關(guān)資料表明，我國火力發(fā)電廠有八種泵與風機配套電動機的總?cè)萘繛?2829MW，年總用電量為450.2億千瓦小時。還有總?cè)萘考s為3913MW的泵與風機需要進行節(jié)能改造，完成改造后，估計年節(jié)電量可達25.69億千瓦小時；冶金企業(yè)也是我國的能耗大戶，單位產(chǎn)品能耗高出日本3倍，法國4.9倍，印度1.9倍，冶金企業(yè)使用的風機泵類非常多，實施變頻改造，不僅可以大幅度節(jié)約電能，還可改善產(chǎn)品質(zhì)量。

我國變頻調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用已取得顯著成績，主要表現(xiàn)在下面二個方面：

（1）變頻調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用范圍已發(fā)展到新階段，以石油、石化、冶金、機械等行業(yè)為例，都經(jīng)過了單系統(tǒng)試用、大量使用和整套裝置系統(tǒng)使用3個發(fā)展階段。如廣東茂名石化公司和九江石油化工廠現(xiàn)已發(fā)展到引用常減壓和催裂化變頻裝置，取得了節(jié)能、增產(chǎn)的顯著效果。

（2）變頻調(diào)速技術(shù)已成為節(jié)約能源及提高產(chǎn)品質(zhì)量的有效措施，很多用戶實踐結(jié)果證明，節(jié)電率一般在10%30%，有的高達40%，更重要的是生產(chǎn)中一些技術(shù)難點也得到解決。例如包鋼1150軋機采用變頻裝置后，年平均事故時間達到工作時間的0.1%以下，大幅度提高了產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量，且年節(jié)約電費約50萬元。

4 結(jié)束語

變頻調(diào)速技術(shù)作為高新技術(shù)、基礎(chǔ)技術(shù)、節(jié)能技術(shù)，已經(jīng)滲透經(jīng)濟領(lǐng)域的所有技術(shù)部門中。今后我國在變頻調(diào)速技術(shù)方面應(yīng)積極作好如下工作。

（1）應(yīng)用變頻調(diào)速技術(shù)來改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，節(jié)約能源及提高產(chǎn)品質(zhì)量，獲得較好的經(jīng)濟效益和社會效益。

（2）大力發(fā)展變頻調(diào)速技術(shù)，必須把我國變頻調(diào)速技術(shù)提高到一個新水平，縮小與世界先進水平的差距，提高自主開發(fā)能力，滿足重點工程建設(shè)和市場的需求。

（3）規(guī)范我國變頻調(diào)速技術(shù)方面的標準，提高產(chǎn)品可靠性工藝水平，實現(xiàn)規(guī)?；藴驶a(chǎn)。

參考文獻

[1]王樹，交流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計及應(yīng)用，北京機械工業(yè)出版社，2005