變頻技術(shù)的發(fā)展及其應(yīng)用

0 引言

在工業(yè)生產(chǎn)及國計民生中電機的使用十分廣泛，電機的傳動方式一般分為直流電機傳動及交流電機傳動。過去由于交流電機實現(xiàn)調(diào)速較困難或某些調(diào)速方式低效不夠理想，因而長期以來在調(diào)速領(lǐng)域大多采用直流電機，而交流電動機的優(yōu)點在調(diào)速領(lǐng)域中未能得到發(fā)揮。交流電動機的調(diào)速方式一般有以下三種。

1)變極調(diào)速是通過改變電動機定子繞組的接線方式以改變電機極數(shù)實現(xiàn)調(diào)速，這種調(diào)速方法是有級調(diào)速，不能平滑調(diào)速，而且只適用于鼠籠電動機。

2)改變電機轉(zhuǎn)差率調(diào)速其中有通過改變電機轉(zhuǎn)子回路的電阻進行調(diào)速，此種調(diào)速方式效率不高，且不經(jīng)濟。其次是采用滑差調(diào)速電機進行調(diào)速，調(diào)速范圍寬且能平滑調(diào)速，但這種調(diào)速裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜(一般由異步電機、滑差離合器和控制裝置三部分組成)，滑差調(diào)速電機是在主電機轉(zhuǎn)速恒定不變的情況下調(diào)節(jié)勵磁實現(xiàn)調(diào)速的，即便輸出轉(zhuǎn)速很低，而主電機仍運行在額定轉(zhuǎn)速，因此耗電較多，另外勵磁和滑差部分也有效率問題和消耗問題。較好的轉(zhuǎn)差率調(diào)速方式是串級調(diào)速。

3)變頻調(diào)速通過改變電機定子的供電頻率，以改變電機的同步轉(zhuǎn)速達到調(diào)速的目的，其調(diào)速性能優(yōu)越，調(diào)速范圍寬，能實現(xiàn)無級調(diào)速。

目前我國生產(chǎn)現(xiàn)場所使用的交流電動機大多為非調(diào)速型，其耗能十分驚人。如采用變頻調(diào)速，則可節(jié)約大量能源。這對提高經(jīng)濟效益具有十分重要的意義。

1 變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展

上世紀50 年代末，由于晶閘管(SCR)的研究成功，電力電子器件開始運用于工業(yè)生產(chǎn)，可控整流直流調(diào)速便成了調(diào)速系統(tǒng)中的主力軍。但由于直流電機結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價比交流電機高，直流電動機在運行中，炭刷接觸產(chǎn)生炭粉而易引起環(huán)火，須經(jīng)常維護，而且直流調(diào)速系統(tǒng)線路復(fù)雜，維修十分不便。因而便促進了世界各國對交流調(diào)速技術(shù)的開發(fā)和研制。

20 世紀80年代中期，隨著第三代電力電子器件，如門極可關(guān)斷晶閘管(GTO)、大功率晶體管(GTR)、絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)等全控型電力電子器件的研制成功，以及電力電子器件從電流驅(qū)動型到電壓驅(qū)動型全控器件等的發(fā)展，日本等國已先后研制開發(fā)出了功率等級不同的把控制、驅(qū)動、檢測、保護及功率輸出集于一體的變頻調(diào)速產(chǎn)品，如圖1所示。從而使交流變頻調(diào)速的關(guān)鍵裝置———逆變器性能優(yōu)良，主電路簡單，驅(qū)動方便，工作可靠。同時隨著控制理論、微電子技術(shù)和計算機技術(shù)的發(fā)展，使交流電機變頻調(diào)速技術(shù)取得了突破性進展，并以其優(yōu)越的調(diào)速性能和良好的節(jié)能效果逐漸取代了直流調(diào)速系統(tǒng)和其他的調(diào)速方式，如變極調(diào)速、串級調(diào)速、滑差電機調(diào)速、整流子電機調(diào)速等。

隨著全球能源短缺趨勢的加劇以及交流變頻技術(shù)及變頻器產(chǎn)品的性能和功能日趨完善，使其越來越廣泛地應(yīng)用在工業(yè)生產(chǎn)的各個領(lǐng)域中。據(jù)有關(guān)資料介紹，1994 年日本生產(chǎn)100 kW 以下的中小功變頻器已達100萬臺。除日本外，歐美等發(fā)達國家目前已形成了較完整的變頻器技術(shù)產(chǎn)業(yè)體系。

2 變頻調(diào)速技術(shù)的原理及特點

1)變頻調(diào)速技術(shù)的原理是把工頻50 Hz 的交流電轉(zhuǎn)換成三相頻率和電壓可調(diào)的交流電，通過改變交流電動機定子繞組的供電頻率，在改變頻率的同時也改變電壓，從而達到調(diào)節(jié)電動機轉(zhuǎn)速的目的(即VVVF技術(shù))。目前的變頻器系統(tǒng)還采用微機控制技術(shù)，它可根據(jù)電動機負載的變化實現(xiàn)自動、平滑地增速或減速。

2)交流變頻調(diào)速系統(tǒng)一般由三相交流異步電動機、變頻器及控制器組成，它與直流調(diào)速系統(tǒng)相比具有以下顯著優(yōu)點：

(1)異步電動機比直流電動機結(jié)構(gòu)簡單，重量輕，價格低，它沒有換向器，運行可靠;

(2)控制電路比直流調(diào)速系統(tǒng)簡單，易于維護;

(3)變頻調(diào)速系統(tǒng)調(diào)速范圍寬，能平滑調(diào)速，其調(diào)速靜態(tài)精度及動態(tài)品質(zhì)好，而且節(jié)能顯著，是目前世界公認的交流電動機的最理想、最有前途的調(diào)速技術(shù)，因而在國際上獲得了廣泛的應(yīng)用。

3 變頻牽引技術(shù)在國外的應(yīng)用情況

隨著變頻技術(shù)的發(fā)展，使電力牽引系統(tǒng)有了很大的變化，其牽引與調(diào)速系統(tǒng)由最初的變阻調(diào)速發(fā)展到斬波器調(diào)速，進而發(fā)展到應(yīng)用交流三相異步牽引電動機采用調(diào)壓變頻調(diào)速(VVVF)的牽引技術(shù)。目前世界上德、日等發(fā)達國家研制的地鐵和輕軌車輛幾乎全部采用交流變頻調(diào)速牽引技術(shù)。

例如，根據(jù)有關(guān)資料報導(dǎo)的德國采用BR120型交流變頻牽引電力機車試驗的結(jié)果表明，這種性能的機車比直流牽引車輛具有以下顯著的優(yōu)點：

1)在相同粘重時牽引力提高30%;

2)功率因數(shù)高(cos漬可達到1)，電網(wǎng)利用率提高30%;

3)由于它采用電力電子器件取代了有觸點元件，維修費可降低50%;

4)無故障運行超過40萬km;

5)節(jié)能顯著，采用GTO變頻器的交流電牽引裝置比相同容量使用斬波調(diào)速的直流牽引裝置效率可提高6%～7%。

據(jù)有關(guān)資料報導(dǎo)，一輛5 600 kW 的機車每小時可節(jié)電392 kW，若按年運行3 000 h 計算，則每年節(jié)電可達117.6萬kW。

國際上在交流牽引處于領(lǐng)先水平的日本和德國，基本都是采用PWM(交- 直- 交)型GTO-VVVF逆變器(簡稱GTO 變頻器)和異步牽引電動機配套組成變頻牽引系統(tǒng)。

日本在1990年后生產(chǎn)的GTO 變頻器容量就達到了4 500 V/3 000 A。日本于1991年11月統(tǒng)計公布的所有日本交流變頻調(diào)速車的主要參數(shù)基本上都是采用由日立、東芝、三菱電機、富士電機和東洋公司制造的GTO變頻器。東洋公司從1986年到1990年底止，就已為23種車型提供了GTO變頻器。

近年來，德、日等國家新研制的地鐵和輕軌列車，幾乎全部采用交流變頻牽引技術(shù);而用于交流牽引系統(tǒng)的新型三點式逆變器，在德國和日本則已有應(yīng)用。1993年德國就已經(jīng)有成千臺用此方案構(gòu)成的IGBT 三點式逆變器用于輕軌電車上。IGBT 器件與可關(guān)斷器件GTO 相比有較多優(yōu)點。IGBT 為電壓驅(qū)動，其開關(guān)頻率高，抗干擾和貫穿短路保護能力強，損耗小，性能好及工作可靠，雖然IGBT耐壓不如GTO高，但采用新型的三點式電壓型逆變器，則可用耐電壓等級低一半的器件，而且還有效地減少了諧波電流，抑制了電磁噪聲。因此，目前高壓大電流的GTO 和IGBT模塊構(gòu)成的變壓變頻裝置和微機技術(shù)在機車車輛上的應(yīng)用已取得了很大的進展。

4 變頻技術(shù)在我國城市交通車輛上的應(yīng)用根據(jù)有關(guān)資料報導(dǎo)，廣州本田公司已用200臺變頻電車取代了152 臺電阻式控制的舊電車和48臺斬波控制電車。在實際的營運路線上，分別對各種電車進行了耗電測定，其測量結(jié)果如表1所列。

測量結(jié)果表明，新型車耗電量為電阻式控制車的72.6%。根據(jù)他們對200臺新型變頻車與200臺舊車一年的耗電量比較計算，新型車的耗電約減少24%。由此可見采用變頻技術(shù)的車輛節(jié)電效果十分明顯。因此，我國電子工業(yè)部在電子工業(yè)早在“九五”規(guī)劃中就將以變頻牽引裝置為代表的節(jié)能技術(shù)列為發(fā)展的重點。

我國于1996年研制成功了AC4000型交流牽引電力機車。目前DC 750 V系統(tǒng)下的地鐵車輛每臺牽引電機功率為90~160 kW，因此采用600～1 000 A/1 200V IBGT構(gòu)成的三點式逆變器牽引系統(tǒng)，已能達到所需的容量。我國原來規(guī)劃的廣州地鐵和上海地鐵準備用直流斬波調(diào)速車，后考慮到與國際先進水平、節(jié)約能源及經(jīng)濟合理性等因素，最終確定了選擇三相交流異步牽引機變頻調(diào)速的傳動方案。

5 結(jié)語

我國地鐵車輛電力牽引系統(tǒng)從變阻調(diào)速到斬波器調(diào)速，進而發(fā)展到使用三相異步電動機的變頻牽引技術(shù)。在DC 750 V系統(tǒng)下運行的地鐵中，采用成熟的、批量生產(chǎn)的、價廉的耐壓1 200 V的IGBT器件構(gòu)成三點式逆變器，實現(xiàn)地鐵車輛交流傳動方案，造價也不貴，而且對于城市軌道交通DC 750 V系統(tǒng)中地鐵或輕軌車輛上所采用的交流傳動所需的電氣設(shè)備，我國已完全能夠自已設(shè)計和制造，從而使我國鐵路機車工業(yè)跨入了研制發(fā)展綠色交通車輛的國際先進行列。

近年來，變頻器產(chǎn)品已在國際、國內(nèi)工業(yè)生產(chǎn)和國計民生中得到了廣泛的應(yīng)用。低壓電動機變頻調(diào)速產(chǎn)品目前應(yīng)用已非常普及和成熟，高壓電動機變頻調(diào)速也在被人們關(guān)注和逐漸應(yīng)用。交流變頻器已成為對工業(yè)生產(chǎn)進行技術(shù)改造和對產(chǎn)品、設(shè)備更新?lián)Q代的理想調(diào)速裝置。

關(guān)鍵詞：