變頻調(diào)速技術(shù)及其應(yīng)用綜述

劉高燕

【摘 要】本文闡述了變頻調(diào)速技術(shù)的原理、調(diào)速方法分類、發(fā)展?fàn)顩r等，并以該技術(shù)在山西蘭花科技創(chuàng)業(yè)股份有限公司大陽煤礦分公司的應(yīng)用情況為例，對其應(yīng)用情況進(jìn)行了介紹。最后，本文對該技術(shù)未來的發(fā)展趨勢進(jìn)行了展望。

【關(guān)鍵詞】變頻調(diào)速；煤礦；交流電動機(jī)

變頻調(diào)速技術(shù)是一種以改變電動機(jī)頻率和改變電壓來達(dá)到電動機(jī)調(diào)速為目的的技術(shù)。眾所周知，無論哪種機(jī)械調(diào)速，都是通過電動機(jī)來實現(xiàn)的。從大范圍來分，電動機(jī)有直流電動機(jī)和交流電動機(jī)。過去的簡單調(diào)速，多數(shù)都用直流電動機(jī)，它容易實現(xiàn)調(diào)速的目的。但是，直流動機(jī)固有的缺點是：滑環(huán)和碳刷需要經(jīng)常拆換，給人們帶來了太大的麻煩。如此以來，很多人設(shè)想，若把可靠簡單的籠式交流電動機(jī)用來調(diào)速那該多好??！因而相繼就出現(xiàn)了定子調(diào)速、變極調(diào)速、滑差調(diào)速、轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速、串極調(diào)速、液力偶和調(diào)速等交流調(diào)速方式。當(dāng)然也出現(xiàn)了滑差電動機(jī)、繞線式電動機(jī)、同步電動機(jī)，總而言之這些都是針對交流電動機(jī)的調(diào)速。

1 變頻調(diào)速的原理與分類

三相異步電動機(jī)轉(zhuǎn)速公式為：n=60f/p（1-s）。從此式可見，改變供電頻率f、電動機(jī)的極對數(shù)p及轉(zhuǎn)差率s均可達(dá)到改變電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。如果沒有調(diào)速裝置，電機(jī)工作在額定轉(zhuǎn)速下，當(dāng)負(fù)載或工況變化時，系統(tǒng)所積累的多余能量只能通過不同的手段消耗掉，否則系統(tǒng)將無法穩(wěn)定工作。對于交流電動機(jī)來說，根據(jù)電機(jī)軸功率和轉(zhuǎn)速的三次方成正比的原理，在滿足負(fù)載要求（功率、力矩）的前提下，只要能降低速度，其節(jié)電效果是不言而喻的。

交流電機(jī)調(diào)速從根本上分為三大類：變頻調(diào)速、串極調(diào)速和變極調(diào)速。

1.1 串極調(diào)速（包括轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速）

轉(zhuǎn)子串電阻是通過改變串接在轉(zhuǎn)子線圈上的電阻改變電機(jī)轉(zhuǎn)子電勢，從而改變電機(jī)機(jī)械特性達(dá)到調(diào)速的目的。這種方式常用在吊車和傳統(tǒng)的提升機(jī)的調(diào)速上。長時間工作的大功率繞線式電機(jī)調(diào)速用電阻串接，將大量的電能消耗在轉(zhuǎn)子電阻上，且只能實現(xiàn)有級調(diào)速。如果是轉(zhuǎn)子串可控硅，通過控制可控硅的導(dǎo)通角控制電流。相當(dāng)于改變回路中的電阻達(dá)到同樣效果。而轉(zhuǎn)子的電能經(jīng)可控硅組整流后，再逆變送回電網(wǎng)。但其機(jī)械特性較軟，其中轉(zhuǎn)子串電阻屬于低效調(diào)速方式，串極調(diào)速的應(yīng)用情況不能令人滿意，已多不采用。

1.2 變極調(diào)速

主要針對多極電機(jī)，這種電機(jī)有一組或多組繞組。通過改變電機(jī)接線腔盒中的繞組引線接法，從而改變電機(jī)的極數(shù)進(jìn)行調(diào)速。如通常所說的星角變換等方式。它只能實現(xiàn)有級調(diào)速應(yīng)用范圍有限。

1.3 變頻調(diào)速（交交和交直交變頻）

通過變頻器改變電源頻率和電壓的調(diào)速（F/U）。其機(jī)械性能為平行于自然特性曲線的一組曲線，特性較硬，可實現(xiàn)無級調(diào)速，調(diào)速性能優(yōu)良。

2 變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

（1）由晶閘管變流器和可關(guān)斷器件（DJT、IGBT、VDMOS）斬波器供電的直流調(diào)速設(shè)備市場很大。自行開發(fā)的控制器多為模擬控制，近年來主要采用進(jìn)口數(shù)字控制器配國產(chǎn)功率裝置。

（2）IGBT或BJTPWM逆變器供電的交流變頻調(diào)速設(shè)備總?cè)萘空嫉谋壤淮螅_數(shù)多，增長快，應(yīng)用范圍從單機(jī)擴(kuò)展到全生產(chǎn)線，從簡單的V/f控制到高性能的矢量控制。

（3）負(fù)載換流式電流型晶閘管逆變器供電的變頻調(diào)速設(shè)備在抽水蓄能電站的機(jī)組起動，大容量風(fēng)機(jī)、泵、壓縮機(jī)和軋機(jī)傳動方面有很大需求。國內(nèi)只有少數(shù)科研單位有能力制造，目前容量最大做到12 MW。功率裝置由國內(nèi)配套，自行開發(fā)的控制裝置只有模擬式的，數(shù)字裝置需進(jìn)口，自己開發(fā)應(yīng)用軟件。

（4）交-交變頻器供電的變頻調(diào)速設(shè)備由于在低頻段運行特性十分穩(wěn)定，主要在鋼廠軋機(jī)和礦井卷揚機(jī)傳動方面有需求，臺數(shù)不多，功率大。主要靠進(jìn)口，國內(nèi)只有少數(shù)科研單位有能力制造。目前最大容量做到7000～8000kW。功率部分國產(chǎn)，數(shù)字控制裝置依靠進(jìn)口（包括開發(fā)應(yīng)用軟件）。但交-交變頻器功率因數(shù)低，且高次諧波分量大，污染電網(wǎng)，往往需要附加消諧裝置。隨著電力電子技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)迅速發(fā)展，推動了交直交變頻技術(shù)的快速發(fā)展，交直交變頻在低頻段運行不穩(wěn)定的問題得到了有效的抑制，由于其功率因數(shù)高（在95%以上），對電網(wǎng)污染小，現(xiàn)在很多鋼廠軋機(jī)和礦井提升機(jī)都選擇了交直交變頻調(diào)速。

3 變頻調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用

變頻調(diào)速由于其優(yōu)良的調(diào)速性能，在許多行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用：①工礦企業(yè)行車設(shè)備變頻調(diào)速系統(tǒng)；②發(fā)電鍋爐的風(fēng)機(jī)和水泵；③自來水廠、污水處理廠變頻節(jié)電系統(tǒng)；④水泥生產(chǎn)線變頻節(jié)電系統(tǒng)；⑤風(fēng)機(jī)、泵高低變頻節(jié)電系統(tǒng)；⑥大量的輸送各種工業(yè)原料和物資的運輸系統(tǒng)。在實際應(yīng)用中，由于交流調(diào)速技術(shù)特別是交-直-交變頻調(diào)速不僅具有優(yōu)良的調(diào)速性能，而且還帶來節(jié)約能源、減少維護(hù)費用、節(jié)約占地面積等優(yōu)點，尤其具有適合在大容量或惡劣工作環(huán)境。還有變頻調(diào)速以其優(yōu)異的調(diào)速和起制動性能，高效率、高功率因數(shù)，廣泛的適用范圍而被國內(nèi)外公認(rèn)為最有發(fā)展前途的調(diào)速方式。下面以該技術(shù)在我們山西蘭花科技創(chuàng)業(yè)股份有限公司大陽煤礦分公司的應(yīng)用情況來舉例說明。

山西蘭花科技創(chuàng)業(yè)股份有限公司大陽煤礦分公司副斜井絞車電控系統(tǒng)原來采用的是TKD型轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速方式，此調(diào)速方式是靠消耗轉(zhuǎn)差功率的辦法進(jìn)行調(diào)速，耗能嚴(yán)重、效率低、調(diào)速特性軟，速度穩(wěn)定性差，再者，TKD型控制系統(tǒng)也是國家要求強(qiáng)制淘汰的。改造用變頻調(diào)速系統(tǒng)是在原提升機(jī)的電控系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，用變頻調(diào)速系統(tǒng)替代原調(diào)速系統(tǒng)，同時保留原調(diào)速系統(tǒng)，使兩套系統(tǒng)互為備用，以增加系統(tǒng)運行的可靠性。本項目投資總額139萬元，其中各種設(shè)備花費的金額如下：高壓電源切換柜9萬元；變壓器柜15萬元；聯(lián)絡(luò)柜8萬元；變頻柜（3臺）69萬元；通訊控制柜4.5萬元；換向智能站4.5萬元；BPDKPLC變頻電控（主控臺）一套（含后備保護(hù)）29萬元。

通過對副斜井提升機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)速改造，實現(xiàn)了動機(jī)的軟啟動、軟停止，轉(zhuǎn)速連續(xù)可調(diào)，避免電流沖擊，不僅可以提高工藝的高效性，減少機(jī)械沖擊，延長機(jī)械壽命，節(jié)省維護(hù)成本，同時和原來的控制系統(tǒng)相比，改造后節(jié)電率約為30%，節(jié)約能源的效果非常明顯，具有很好的經(jīng)濟(jì)和社會效益。

4 變頻調(diào)速技術(shù)未來發(fā)展趨勢

（1）實現(xiàn)高水平的控制?；陔妱訖C(jī)和機(jī)械模型的控制策略，有矢量控制、磁場控制、直接傳矩控制和機(jī)械扭振補(bǔ)償?shù)龋换诂F(xiàn)代理論的控制策略，有滑模變結(jié)構(gòu)技術(shù)、模型參考自適應(yīng)技術(shù)、采用微分幾何理論的非線性解耦、魯棒觀察器，在某種指標(biāo)意義下的最優(yōu)控制技術(shù)和逆奈奎斯特陣列設(shè)計方法等；基于智能控制思想的控制策略，有模糊控制、神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)、專家系統(tǒng)和各種各樣的自優(yōu)化、自診斷技術(shù)等。

（2）模擬與計算機(jī)輔助設(shè)計（CAD）技術(shù)。電機(jī)模擬器、負(fù)載模擬器以及各種CAD軟件的引入對變頻器的設(shè)計和測試提供了強(qiáng)有力的支持。

（3）縮小裝置的尺寸。緊湊型變頻器要求功率和控制元件具有高的集成度，其中包括智能化的功率模塊、緊湊型的光耦合器、高頻率的開關(guān)電源，以及采用新型電工材料制造的小體積變壓器、電抗器和電容器。功率器件冷卻方式的改變（如水冷、蒸發(fā)冷卻和熱管）對縮小裝置的尺寸也很有效。

（4）高速度的數(shù)字控制。以32位高速微處理器為基礎(chǔ)的數(shù)字控制模板有足夠的能力實現(xiàn)各種控制算法，Windows操作系統(tǒng)的引入使得可自由設(shè)計，圖形編程的控制技術(shù)也有很大的發(fā)展。

5 結(jié)語

變頻調(diào)速技術(shù)是一項節(jié)電效果很顯著的節(jié)電技術(shù)，特別適應(yīng)變流量或壓力的地點使用，也是當(dāng)今國家重點推廣和普遍推廣的一項技術(shù)。變頻技術(shù)在大大小小的場合下都可以使用，只是需要考慮當(dāng)前的投資效益與規(guī)模。

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[責(zé)任編輯：楊玉潔]