http://www.mcaut.cn/bbs/index.php淺析變頻器的應用現狀與前景展望
淺析變頻器的應用現狀與前景展望 近年來(lái)，隨著(zhù)電力電子技術(shù)、計算機技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)的迅速發(fā)展，交流傳動(dòng)與控制技術(shù)成為目前發(fā)展最為迅速的技術(shù)之一，電氣傳動(dòng)技術(shù)面臨著(zhù)一場(chǎng)歷史革命，即交流調速取代直流調速和計算機數字控制技術(shù)取代模擬控制技術(shù)已成為發(fā)展趨勢。電機交流變頻調速技術(shù)是當今節電、改善工藝流程以提高產(chǎn)品質(zhì)量和改善環(huán)境、推動(dòng)技術(shù)進(jìn)步的一種主要手段。變頻調速以其優(yōu)異的調速和起制動(dòng)性能，高效率、高功率因數和節電效果，廣泛的適用范圍及其它許多優(yōu)點(diǎn)而被國內外公認為最有發(fā)展前途的調速方式。深入了解交流傳動(dòng)與控制技術(shù)的走向，具有十分積極的意義． 一、變頻器調速運行的節能原理 實(shí)現變頻調速的裝置稱(chēng)為變頻器。變頻器一般由整流器、濾波器、驅動(dòng)電路、保護電路以及控制器（MCU／DSP）等部分組成。首先將單相或三相交流電源通過(guò)整流器并經(jīng)電容濾波后，形成幅值基本固定的直流電壓加在逆變器上，利用逆變器功率元件的通斷控制，使逆變器輸出端獲得一定形狀的矩形脈沖波形。在這里，通過(guò)改變矩形脈沖的寬度控制其電壓幅值；通過(guò)改變調制周期控制其輸出頻率，從而在逆變器上同時(shí)進(jìn)行輸出電壓和頻率的控制，而滿(mǎn)足變頻調速對U／f協(xié)調控制的要求。PWM的優(yōu)點(diǎn)是能消除或抑制低次諧波，使負載電機在近正弦波的交變電壓下運行，轉矩脈沖小，調速范圍寬。 采用PWM控制方式的電機轉速受到上限轉速的限制。如對壓縮機來(lái)講，一般不超過(guò)7000r／rain。而采用PAM控制方式的壓縮機轉速可提高1．5倍左右，這樣大大提高了快速增速和減速能力。同時(shí)，由于PAM在調整電壓時(shí)具有對電流波形的整形作用，因而可以獲得比PWM更高的效率。此外，在抗干擾方面也有著(zhù)PWM無(wú)法比擬的優(yōu)越性，可抑制高次諧波的生成，減小對電網(wǎng)的污染。采用該控制方式的變頻調速技術(shù)后，電機定子電流下降64％ ，電源頻率降低30％ ，出膠壓力降低57％ 。由電機理論可知，異步電機的轉速可表示為： n=60·f 8（1—8）／p f s為電機定子頻率（也即是電網(wǎng)頻率），P電機定子的繞組極對數，s為轉差率。由上式可知，只要轉差率不太大，可以近似認為轉速n與f s成正比，這就意味著(zhù)連續平滑的改變電源頻率，就可以實(shí)現交流電動(dòng)機大范圍的連續平滑調速。例如一個(gè)額定轉速3000轉／分的電動(dòng)機，由變頻器供電，若啟動(dòng)頻率設定為5HZ，那么變頻器可以運行在5—50HZ之間的任一頻率上，則電動(dòng)機可以運行在30o——3000轉／分之間的任一轉速上·電動(dòng)機由市電啟動(dòng)，啟動(dòng)平衡，力矩大又節能。 50HZ380V的市電經(jīng)過(guò)整流濾波環(huán)節后成為直流電，再經(jīng)過(guò)逆變環(huán)節變成了頻率和幅度都可調的交流電。在變頻器主回路中電能經(jīng)過(guò)了交流— —直流— —交流的變換，所以這類(lèi)變頻器稱(chēng)作交— —直—— 交類(lèi)變頻器。 二、我國變頻器技術(shù)的發(fā)展及應用概況 （一）變頻器的發(fā)展 隨著(zhù)生產(chǎn)技術(shù)的不斷發(fā)展，直流拖動(dòng)的薄弱環(huán)節逐步顯露出來(lái)。由于換向器的存，直流電機的維護量加大，單機容量、最高轉速以及使用環(huán)境都受到限制。人們開(kāi)始轉向結構簡(jiǎn)單、運行可靠、維護方便、價(jià)格低廉的異步電動(dòng)機。但異步電動(dòng)機的調速性能難以滿(mǎn)足生產(chǎn)的需要。于是，從20世紀30年代開(kāi)始，人們致力于交流調速技術(shù)的研究，然而進(jìn)展緩慢。在相當長(cháng)的時(shí)期內，直流調速一直以其優(yōu)異的性能統治著(zhù)電氣傳動(dòng)領(lǐng)域。20世紀60年代以后，特別是70年代以來(lái)，電力電子技術(shù)、控制技術(shù)和微電子技術(shù)的飛速發(fā)展，使得交流調速性能可以與直流調速相媲美。目前，交流調速已進(jìn)入逐步代替直流調速的時(shí)代。 （二）我國變頻器的應用 變頻器主要用于交流電動(dòng)機（異步電機或同步電機）轉速的調節，是公認的交流電動(dòng)機最理想、最有前途的調速方案，除了具有卓越的調速性能之外，變頻器還有顯著(zhù)的節能作用，是企業(yè)技術(shù)改造和產(chǎn)品更新?lián)Q代的理想調速裝置。自上世紀80年代被引進(jìn)中國以來(lái)，變頻器作為節能應用與速度工藝控制中越來(lái)越重要的自動(dòng)化設備，得到了快速發(fā)展和廣泛的應用。 1、變頻器與節能 變頻器產(chǎn)生的最初用途是速度控制，但目前在國內應用較多的是節能。中國是能耗大國，能源利用率很低，而能源儲備不足。在2003年的中國電力消耗中，60—70％為動(dòng)力電，而在總容量為5．8億千瓦的電動(dòng)機總容量中，只有不到2000萬(wàn)千瓦的電動(dòng)機是帶變頻控制的。據分析，在中國，帶變動(dòng)負載、具有節能潛力的電機至少有1．8億千瓦。因此國家大力提倡節能措施，并著(zhù)重推薦了變頻調速技術(shù)。 應用變頻調速，可以大大提高電機轉速的控制精度，使電機在最節能的轉速下運行。以風(fēng)機水泵為例，根據流體力學(xué)原理，軸功率與轉速的三次方成正比。當所需風(fēng)量減少，風(fēng)機轉速降低時(shí)，其功率按轉速的三次方下降。因此，精確調速的節電效果非�？捎^(guān)。與此類(lèi)似，許多變動(dòng)負載電機一般按最大需求來(lái)生產(chǎn)電動(dòng)機的容量，故設計裕量偏大。而在實(shí)際運行中，輕載運行的時(shí)間所占比例卻非常高。如采用變頻調速，可大大提高輕載運行時(shí)的工作效率。因此，變動(dòng)負載的節能潛力巨大。 作為節能目的，變頻器廣泛應用于各行業(yè)。以電力行業(yè)為例，由于中國大面積缺電，電力投資將持續增長(cháng)，同時(shí)，國家電改方案對電廠(chǎng)的成本控制提出了要求，降低內部電耗成為電廠(chǎng)關(guān)注焦點(diǎn)，因此變頻器在電力行業(yè)有著(zhù)巨大的發(fā)展潛力，尤其是高壓變頻器和大功率變頻器。 2、變頻器與工藝控制（速度控制） 目前，中國的設備控制水平與發(fā)達國家相比還比較低，制造工藝和效率都不高，因此提高設備控制水平至關(guān)重要。由于變頻調速具有調速范圍廣、調速精度高、動(dòng)態(tài)響應好等優(yōu)點(diǎn)，在許多需要精確速度控制的應用中，變頻器正在發(fā)揮著(zhù)提升工藝質(zhì)量和生產(chǎn)效率的顯著(zhù)作用。 3、變頻家電 除了工業(yè)相關(guān)行業(yè)，在普通家庭中，節約電費、提高家電性能、保護環(huán)境等受到越來(lái)越多的關(guān)注，變頻家電成為變頻器的另一個(gè)廣闊市場(chǎng)和應用趨勢。帶有變頻控制的冰箱、洗衣機、家用空調等，在節電、減小電壓沖擊、降低噪音、提高控制精度等方面有很大的優(yōu)勢。 三、國內變頻技術(shù)的現狀和發(fā)展前景 國內已經(jīng)有較多的變頻器生產(chǎn)廠(chǎng)，但大部分的產(chǎn)品都是V／F控制和電壓空間矢量控制變頻器，使用在調速精度和動(dòng)態(tài)性能要求不高的負載上應該沒(méi)有問(wèn)題。工業(yè)應用中絕大部分都是這種負載，變頻器在這種場(chǎng)合應用最重要的要求是可靠性，國產(chǎn)變頻器占國內市場(chǎng)份額不高的主要原因是產(chǎn)品品質(zhì)不過(guò)硬。V／F控制和電壓空間矢量控制變頻器比矢量控制變頻器從技術(shù)上來(lái)看要簡(jiǎn)單得多，由于國內廠(chǎng)家大部分都是手工作坊式的生產(chǎn)，工藝欠佳，檢測手段有限，品質(zhì)的一致性和穩定性難以保證。同樣是V／F控制的變頻器，國外的產(chǎn)品比國內的產(chǎn)品品質(zhì)要好，這可能是生產(chǎn)工藝方面的差距。差距最大的是半導體功率器件的制造業(yè)，至今在國內這仍是一個(gè)空白。 變頻器技術(shù)的另外一個(gè)層面是應用技術(shù)。多年來(lái)，國家經(jīng)貿委一直會(huì )同國家有關(guān)部門(mén)致力于變頻器技術(shù)的開(kāi)發(fā)及推廣應用，在技術(shù)開(kāi)發(fā)及技術(shù)改造方面給予了重點(diǎn)扶持，組織了變頻調速技術(shù)的評測推薦工作，并把推廣應用變頻調速技術(shù)作為風(fēng)機、水泵節能技改專(zhuān)項的重點(diǎn)投資方向，同時(shí)鼓勵單位開(kāi)展同貸同還方式，抓開(kāi)發(fā)、抓示范工程、抓推廣應用，還處理了風(fēng)機、水泵節能中心，開(kāi)展信息咨詢(xún)和培訓。1995—1997年，3年間我國風(fēng)機、水泵變頻調速技術(shù)改造投入資金3．5億元，改造總容量達100萬(wàn)千瓦，可年節電7億度，平均投資回收期約2年。據有關(guān)資料表明，我國變頻調速技術(shù)應用已經(jīng)取得了相當大的成績(jì)，每年有數十億元的銷(xiāo)售額，說(shuō)明我國的變頻器應用已非常廣泛。從簡(jiǎn)單的手動(dòng)控制到基于RS一485網(wǎng)絡(luò )的多機控制，與計算機和PLC聯(lián)網(wǎng)組成復雜的控制系統。在大型綜合自動(dòng)化系統，先進(jìn)控制與優(yōu)化技術(shù)，大型成套專(zhuān)用系統，如連鑄連軋生產(chǎn)線(xiàn)、高速造紙生產(chǎn)線(xiàn)、電纜光纖生產(chǎn)線(xiàn)、化纖生產(chǎn)線(xiàn)、建材生產(chǎn)線(xiàn)等，變頻器的作用是電氣傳動(dòng)控制，其控制的復雜性、控制精度和動(dòng)態(tài)響應都有很高的要求，已經(jīng)完全取代了直流調速技術(shù)。近年來(lái)，變頻器在功能上，利用先進(jìn)的控制理論，開(kāi)發(fā)出了諸如卷取、提升、主從等控制功能，使應用系統的構成更加方便和容易，使變頻器的應用技術(shù)提高到一個(gè)新的水平。 四、結論 變頻調速這一技術(shù)正越來(lái)越廣泛的深入到行業(yè)中。它的節能、省力、易于構成自控系統的顯著(zhù)優(yōu)勢應用變頻調速技術(shù)也是改造挖潛、增加效益的一條有效途徑。尤其是在高能耗、低產(chǎn)出的設備較多的企業(yè)，采用變頻調速裝置將使企業(yè)獲得巨大的經(jīng)濟利益，同時(shí)這也是國民經(jīng)濟可持續發(fā)展的需要。
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