淺談變頻器技術(shù)在工業(yè)節(jié)能領(lǐng)域的應(yīng)用

寧志剛

(海馬（鄭州）汽車有限公司，河南 鄭州 450016)

前言

變頻器主要用于交流電動(dòng)機(jī)（異步電機(jī)或同步電機(jī)）轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，是公認(rèn)的交流電動(dòng)機(jī)最理想、最有前途的調(diào)速方案，除了具有卓越的調(diào)速性能之外，變頻器還有顯著的節(jié)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(diào)速裝置。自上世紀(jì)80年代被引進(jìn)中國(guó)以來(lái)，變頻器作為節(jié)能應(yīng)用與速度工藝控制中越來(lái)越重要的自動(dòng)化設(shè)備，得到了快速發(fā)展和廣泛的應(yīng)用。

1 變頻器的應(yīng)用現(xiàn)狀

1.1 變頻器與節(jié)能

作為節(jié)能目的，變頻器廣泛應(yīng)用于各行業(yè)。以電力行業(yè)為例，由于中國(guó)大面積缺電，電力投資將持續(xù)增長(zhǎng)，同時(shí)，國(guó)家電改方案對(duì)電廠的成本控制提出了要求，降低內(nèi)部電耗成為電廠關(guān)注焦點(diǎn)，因此變頻器在電力行業(yè)有著巨大的發(fā)展?jié)摿?，尤其是高壓變頻器和大功率變頻器。

1.2 變頻器與工藝控制（速度控制）

目前，中國(guó)的設(shè)備控制水平與發(fā)達(dá)國(guó)家相比還比較低，制造工藝和效率都不高，因此提高設(shè)備控制水平至關(guān)重要。由于變頻調(diào)速具有調(diào)速范圍廣、調(diào)速精度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)好等優(yōu)點(diǎn)，在許多需要精確速度控制的應(yīng)用中，變頻器正在發(fā)揮著提升工藝質(zhì)量和生產(chǎn)效率的顯著作用。

2 國(guó)內(nèi)變頻技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展前景

2.1 變頻器的發(fā)展歷程

變頻技術(shù)是應(yīng)交流電機(jī)無(wú)級(jí)調(diào)速的需要而誕生的。20世紀(jì)50年代末，美國(guó)通用電氣公司推出了電力半導(dǎo)體組件晶閘管（可控硅SCR），給變頻技術(shù)提供了劃時(shí)代意義的基礎(chǔ)硬件。進(jìn)入70年代，由于直流電機(jī)的調(diào)速局限性，交流電機(jī)越來(lái)越受到人們的青睞。隨著市場(chǎng)需求的增長(zhǎng)，技術(shù)也日益發(fā)展和完善。1971年，美國(guó)、德國(guó)提出了矢量控制技術(shù)，使得變頻器的交流調(diào)速性能可以和直流調(diào)速相媲美。1973年，美國(guó)提出了電力電子技術(shù)這一新的技術(shù)學(xué)科，其最大應(yīng)用領(lǐng)域就是調(diào)速傳動(dòng)。1979年，日本采用矢量控制的變頻調(diào)速系統(tǒng)開(kāi)始實(shí)用化，技術(shù)又上了一個(gè)新臺(tái)階。到了20世紀(jì)80年代，由于電力半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)器件和微電子技術(shù)的進(jìn)步，變頻器性能及可靠性提高，生產(chǎn)成本下降，其應(yīng)用開(kāi)始普及。

幾十年間，電力電子器件也從最初的SCR（晶閘管）、GTO（門極可關(guān)斷晶閘管），經(jīng)過(guò)BJT（雙極型功率晶體管）、MOSFET（金屬氧化物場(chǎng)效應(yīng)管）、SIT（靜電感應(yīng)晶體管）、SITH（靜電感應(yīng)晶閘管）、MGT（MOS控制晶體管）、MCT（MOS控制晶閘管），發(fā)展到今天的IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）、HVIGBT（耐高壓絕緣柵雙極型晶閘管），器件的更新促使變頻器的應(yīng)用領(lǐng)域更為廣泛，市場(chǎng)規(guī)模隨之迅速擴(kuò)大。

2.1.1 品種和規(guī)格

品種和規(guī)格往往反應(yīng)了一個(gè)企業(yè)所具有的技術(shù)實(shí)力的高低?？v觀目前市場(chǎng)中的主流變頻，歐美品牌通過(guò)模塊化設(shè)計(jì)，可以做到很寬的功率段。而我國(guó)變頻器配套產(chǎn)業(yè)的實(shí)力相對(duì)較弱，國(guó)產(chǎn)品牌無(wú)論在技術(shù)、加工制造、工業(yè)設(shè)計(jì)等方面還是在資金實(shí)力方面，都與國(guó)外品牌存在一定差距。目前，外資品牌在國(guó)內(nèi)變頻器市場(chǎng)的占有率約為80%。本土變頻器企業(yè)主要生產(chǎn)V/F控制產(chǎn)品。對(duì)于性能優(yōu)越、技術(shù)含量高的矢量變頻器等產(chǎn)品，國(guó)內(nèi)絕大多數(shù)企業(yè)還沒(méi)有開(kāi)發(fā)出成熟的產(chǎn)品。（這個(gè)是最大的問(wèn)題，沒(méi)有真正的高端產(chǎn)品，就只有在低端拼價(jià)格，最終的結(jié)果是內(nèi)資品牌互斗俱傷）雖然個(gè)別表現(xiàn)突出的內(nèi)資品牌如深圳英威騰、成都希望森蘭等，已有同類檔次較高的變頻器產(chǎn)品問(wèn)世，但與國(guó)際巨頭相比，其產(chǎn)品的種類、規(guī)格還有待進(jìn)一步充實(shí)和豐富。

2.1.2 高可靠性（穩(wěn)定性）

變頻器是利用電力半導(dǎo)體器件的通斷作用將工頻電源變換為另一頻率的電能控制裝置。通常情況下采用變頻器運(yùn)轉(zhuǎn)，隨著電機(jī)的加速相應(yīng)提高頻率和電壓，起動(dòng)電流被限制在150%額定電流以下（根據(jù)機(jī)種不同，為125%～200%）。用工頻電源直接起動(dòng)時(shí)，起動(dòng)電流為6～7倍，因此，將產(chǎn)生機(jī)械電氣上的沖擊。采用變頻器傳動(dòng)可以平滑地起動(dòng)（起動(dòng)時(shí)間變長(zhǎng)）。起動(dòng)電流為額定電流的1.2～1.5倍，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩為70%～120%額定轉(zhuǎn)矩；對(duì)于帶有轉(zhuǎn)矩自動(dòng)增強(qiáng)功能的變頻器，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩為100%以上，可以帶全負(fù)載起動(dòng)。

2.1.3 智能化與網(wǎng)絡(luò)化

在網(wǎng)絡(luò)化日益普及的今天，與普通的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)硬線連接方式而言，通過(guò)高速通訊網(wǎng)絡(luò)連接的變頻器系統(tǒng)可以最大程度上降低系統(tǒng)維護(hù)時(shí)間、提高生產(chǎn)效率、減少運(yùn)行成本。另外，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線模塊，不同型號(hào)的變頻器以同一種編程語(yǔ)言和通訊協(xié)議來(lái)與不同功率段、不同型號(hào)的變頻器進(jìn)行組態(tài)，如功率、速度、轉(zhuǎn)矩、電流、設(shè)定值等。

隨著國(guó)內(nèi)對(duì)大規(guī)模變頻裝置的需求上升，高檔變頻產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)成功，變頻器智能化的開(kāi)發(fā)已經(jīng)成為當(dāng)務(wù)之急。我們的變頻基本性能還沒(méi)有達(dá)到相應(yīng)的水準(zhǔn)，市場(chǎng)還沒(méi)有發(fā)育到這個(gè)程度?？上驳氖?，我們已經(jīng)看到國(guó)內(nèi)一些變頻企業(yè)進(jìn)行了有益的研發(fā)實(shí)踐，一方面消化國(guó)外的先進(jìn)技術(shù)，一方面嘗試推出自己的變頻標(biāo)準(zhǔn)。

2.1.4性能指標(biāo)

變頻器的性能指標(biāo)可以從輸出功率電壓等級(jí)等方面來(lái)衡量.變頻器可以分為低壓（110V，220V，380V 等）、 中 壓（660V/690V，1140V，2300V） 和 高 壓（3kv，3.3kv，6kv，6.6kv，10kv等）變頻器，高壓變頻器通常采用IGBT多級(jí)串聯(lián)的技術(shù)，而中壓變頻器和低壓變頻器不需要，由于這一技術(shù)方面明顯的分界線，使得業(yè)內(nèi)人士通常把中低壓變頻器歸為一個(gè)大類，和高壓變頻器分開(kāi)。

2.2 變頻器的現(xiàn)狀

2.2.1 可調(diào)的轉(zhuǎn)矩極限

通過(guò)變頻調(diào)速后，能夠設(shè)置相應(yīng)的轉(zhuǎn)矩極限來(lái)保護(hù)機(jī)械不致?lián)p壞，從而保證工藝過(guò)程的連續(xù)性和產(chǎn)品的可靠性。目前的變頻技術(shù)使得不僅轉(zhuǎn)矩極限可調(diào)，甚至轉(zhuǎn)矩的控制精度都能達(dá)到3%～5%左右。在工頻狀態(tài)下，電機(jī)只能通過(guò)檢測(cè)電流值或熱保護(hù)來(lái)進(jìn)行控制，而無(wú)法像在變頻控制一樣設(shè)置精確的轉(zhuǎn)矩值來(lái)動(dòng)作。

2.2.2 受控的停止方式

如同可控的加速一樣，在變頻調(diào)速中，停止方式可以受控，并且有不同的停止方式可以選擇(減速停車、自由停車、減速停車＋直流制動(dòng))，同樣它能減少對(duì)機(jī)械部件和電機(jī)的沖擊，從而使整個(gè)系統(tǒng)更加可靠，壽命也會(huì)相應(yīng)增加。

2.2.3 可逆運(yùn)行控制

在變頻器控制中，要實(shí)現(xiàn)可逆運(yùn)行控制無(wú)須額外的可逆控制裝置，只需要改變輸出電壓的相序即可，這樣就能降低維護(hù)成本和節(jié)省安裝空間。

2.2.4 減少機(jī)械傳動(dòng)部件

由于目前矢量控制變頻器加上同步電機(jī)就能實(shí)現(xiàn)高效的轉(zhuǎn)矩輸出，從而節(jié)省齒輪箱等機(jī)械傳動(dòng)部件，最終構(gòu)成直接變頻傳動(dòng)系統(tǒng)。從而就能降低成本和空間，提高穩(wěn)定性。

當(dāng)然，使用變頻器進(jìn)行工藝控制，其優(yōu)點(diǎn)還有很多，根據(jù)不同的工藝控制選擇不同的變頻器運(yùn)行方式，所產(chǎn)生的效果也不一樣。

3 結(jié)語(yǔ)

采用變頻調(diào)速技術(shù)是工業(yè)企業(yè)中節(jié)能降耗、保證工藝的重要途徑，在實(shí)際應(yīng)用中取得的效果和效益有目共睹，以上試圖從市場(chǎng)的角度剖析變頻器的容量、占有率和主要的應(yīng)用領(lǐng)域，與廣大讀者一同探討變頻器的發(fā)展。

[1]劉曉玲，李建壯，萬(wàn)國(guó)平.基于PLC技術(shù)的銑床電氣控制系統(tǒng)改造[J].黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2010，(02):46-48，51.

[2]楊維劍，王梅英.變頻器在機(jī)油泵測(cè)試系統(tǒng)中的應(yīng)用 [J].河北軟件職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2010，(01):59-61.

[3]劉洋，屈虹，汪祥兵.“可編程控制器”講練一體課程教學(xué)改革與實(shí)踐[J].武漢電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2008，(04):13-15.