變頻調速技術發展問題研究

張小龍

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

[關鍵詞]變頻器：控制技術：應用

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

1 變頻調速技術的現狀

電氣傳動控制系統通常由電動機、控制裝置和信息裝置三部分組成。電氣傳動可分為調速和不調速兩大類，調速又分為交流調速和直流調速兩種方式。不調速電動機直接由電網供電。但是，隨著電力電子技術的發展，原本不調速的機械越來越多地改用調速傳動以節約電能，改善產品質量，提高產量。以我國為例，60%的發電量是通過電動機消耗的。因此，調速傳動有著巨大的節能潛力，變頻調速是交流調速的基礎和主干內容，變頻調速技術的出現使頻率變為可以充分利用的資源。近年來。變頻調速技術已成為交流調速中最活躍、發展最快的技術。

（1）國外現狀

采用變頻的方法，實現對電機轉速的控制，大約已有40年的歷史，但變頻調速技術的高速發展，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功率器件發展迅速

③控制理論和微電子技術的支持

（2）國內現狀

從整體上看我國電氣傳動系統制造技術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方面，國內只有少數科研單位有能力制造，但在數字化及系統可靠性方面與國外還有相當差距。而這方面產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。在中小頻率技術方面，國內學者做了大量變頻理論的基礎研究。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速的控制策略。進入90年代，隨著高性能單片機和數字信號處理器的使用，國內學者緊跟國外最新控制策略，針對交流電機感應特點，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，神經網絡理論對感應電機轉子電阻、磁鏈和轉矩進行在線觀測，在實現無速度傳感器交流變頻調速系統的研究上作了有益的基礎研究。在新型電力電子器件應用方面，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、串聯技術應用，使高電壓、大電流變頻器產品的生產及應用成為現實。在控制器件方面，實現了從16位單片機到32位DSP的應用。國內學者一直致力于變頻調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，無法形成產業化，與國外的知名品牌相抗衡。國內幾乎所有的產品都是普通的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，國內交流變頻調速技術產業狀況表現如下：（1）變頻器控制策略的基礎研究與國外差距不大。（2）變頻器的整機技術落后，國內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和生產規模。（3）變頻器產品所用半導體功率器件的制造業幾乎是空白。（4）相關配套產業及行業落后。（5）產銷量少，可靠性及工藝水平不高。

2 變頻調速技術未來發展的方向

變頻調速技術主要向著兩個方向發展：一是實現高功率因數、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”；二是向變頻器應用的深度和廣度發展。隨著變頻器應用領域深度和廣度的不斷開拓，變頻調速技術將越來越清楚地展示它在一個國家國民經濟中的重要性。可以預料，現代控制理論和人工智能技術在變頻調速技術的應用和推廣，將賦予它更強的生命力和更高的技術含量。其發展方向具有如下幾項：（1）實現高水平的控制；（2）開發清潔電能的變頻器；（3）縮小裝置的尺寸；（4）高速度的數字控制；（5）模擬與計算機輔助設計（CAD）技術。

3 變頻調速技術的應用

縱觀我國變頻調速技術的應用，總的說來走的是一個由試驗到實用，由零星到大范圍，由輔助系統到生產裝置，由單純考慮節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%的發電量被電動機消耗掉，據有關資料統計，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%，損耗電能占總發電量的40%，已有經驗表明，應用變頻調速技術，節電率一般可達10%-30%，有的甚至高達40%，節能潛力巨大。

有關資料表明，我國火力發電廠有八種泵與風機配套電動機的總容量為12829MW，年總用電量為450.2億千瓦小時。還有總容量約為3913MW的泵與風機需要進行節能改造，完成改造后，估計年節電量可達25.69億千瓦小時；冶金企業也是我國的能耗大戶，單位產品能耗高出日本3倍，法國4.9倍，印度1.9倍，冶金企業使用的風機泵類非常多，實施變頻改造，不僅可以大幅度節約電能，還可改善產品質量。

我國變頻調速技術的應用已取得顯著成績，主要表現在下面二個方面：

（1）變頻調速技術的應用范圍已發展到新階段，以石油、石化、冶金、機械等行業為例，都經過了單系統試用、大量使用和整套裝置系統使用3個發展階段。如廣東茂名石化公司和九江石油化工廠現已發展到引用常減壓和催裂化變頻裝置，取得了節能、增產的顯著效果。

（2）變頻調速技術已成為節約能源及提高產品質量的有效措施，很多用戶實踐結果證明，節電率一般在10%30%，有的高達40%，更重要的是生產中一些技術難點也得到解決。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，大幅度提高了產品質量和產量，且年節約電費約50萬元。

4 結束語

變頻調速技術作為高新技術、基礎技術、節能技術，已經滲透經濟領域的所有技術部門中。今后我國在變頻調速技術方面應積極作好如下工作。

（1）應用變頻調速技術來改造傳統產業，節約能源及提高產品質量，獲得較好的經濟效益和社會效益。

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

（3）規范我國變頻調速技術方面的標準，提高產品可靠性工藝水平，實現規模化、標準化生產。

參考文獻

[1]王樹，交流調速系統設計及應用，北京機械工業出版社，2005