變頻調速技術及其應用綜述

劉高燕

【摘 要】本文闡述了變頻調速技術的原理、調速方法分類、發展狀況等，并以該技術在山西蘭花科技創業股份有限公司大陽煤礦分公司的應用情況為例，對其應用情況進行了介紹。最后，本文對該技術未來的發展趨勢進行了展望。

【關鍵詞】變頻調速；煤礦；交流電動機

變頻調速技術是一種以改變電動機頻率和改變電壓來達到電動機調速為目的的技術。眾所周知，無論哪種機械調速，都是通過電動機來實現的。從大范圍來分，電動機有直流電動機和交流電動機。過去的簡單調速，多數都用直流電動機，它容易實現調速的目的。但是，直流動機固有的缺點是：滑環和碳刷需要經常拆換，給人們帶來了太大的麻煩。如此以來，很多人設想，若把可靠簡單的籠式交流電動機用來調速那該多好啊！因而相繼就出現了定子調速、變極調速、滑差調速、轉子串電阻調速、串極調速、液力偶和調速等交流調速方式。當然也出現了滑差電動機、繞線式電動機、同步電動機，總而言之這些都是針對交流電動機的調速。

1 變頻調速的原理與分類

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

交流電機調速從根本上分為三大類：變頻調速、串極調速和變極調速。

1.1 串極調速（包括轉子串電阻調速）

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

1.2 變極調速

主要針對多極電機，這種電機有一組或多組繞組。通過改變電機接線腔盒中的繞組引線接法，從而改變電機的極數進行調速。如通常所說的星角變換等方式。它只能實現有級調速應用范圍有限。

1.3 變頻調速（交交和交直交變頻）

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

2 變頻調速技術的發展現狀

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

（2）IGBT或BJTPWM逆變器供電的交流變頻調速設備總容量占的比例不大，但臺數多，增長快，應用范圍從單機擴展到全生產線，從簡單的V/f控制到高性能的矢量控制。

（3）負載換流式電流型晶閘管逆變器供電的變頻調速設備在抽水蓄能電站的機組起動，大容量風機、泵、壓縮機和軋機傳動方面有很大需求。國內只有少數科研單位有能力制造，目前容量最大做到12 MW。功率裝置由國內配套，自行開發的控制裝置只有模擬式的，數字裝置需進口，自己開發應用軟件。

（4）交-交變頻器供電的變頻調速設備由于在低頻段運行特性十分穩定，主要在鋼廠軋機和礦井卷揚機傳動方面有需求，臺數不多，功率大。主要靠進口，國內只有少數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，數字控制裝置依靠進口（包括開發應用軟件）。但交-交變頻器功率因數低，且高次諧波分量大，污染電網，往往需要附加消諧裝置。隨著電力電子技術和計算機技術迅速發展，推動了交直交變頻技術的快速發展，交直交變頻在低頻段運行不穩定的問題得到了有效的抑制，由于其功率因數高（在95%以上），對電網污染小，現在很多鋼廠軋機和礦井提升機都選擇了交直交變頻調速。

3 變頻調速技術的應用

變頻調速由于其優良的調速性能，在許多行業得到了廣泛應用：①工礦企業行車設備變頻調速系統；②發電鍋爐的風機和水泵；③自來水廠、污水處理廠變頻節電系統；④水泥生產線變頻節電系統；⑤風機、泵高低變頻節電系統；⑥大量的輸送各種工業原料和物資的運輸系統。在實際應用中，由于交流調速技術特別是交-直-交變頻調速不僅具有優良的調速性能，而且還帶來節約能源、減少維護費用、節約占地面積等優點，尤其具有適合在大容量或惡劣工作環境。還有變頻調速以其優異的調速和起制動性能，高效率、高功率因數，廣泛的適用范圍而被國內外公認為最有發展前途的調速方式。下面以該技術在我們山西蘭花科技創業股份有限公司大陽煤礦分公司的應用情況來舉例說明。

山西蘭花科技創業股份有限公司大陽煤礦分公司副斜井絞車電控系統原來采用的是TKD型轉子串電阻調速方式，此調速方式是靠消耗轉差功率的辦法進行調速，耗能嚴重、效率低、調速特性軟，速度穩定性差，再者，TKD型控制系統也是國家要求強制淘汰的。改造用變頻調速系統是在原提升機的電控系統的基礎上，用變頻調速系統替代原調速系統，同時保留原調速系統，使兩套系統互為備用，以增加系統運行的可靠性。本項目投資總額139萬元，其中各種設備花費的金額如下：高壓電源切換柜9萬元；變壓器柜15萬元；聯絡柜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）29萬元。

通過對副斜井提升機進行變頻調速改造，實現了動機的軟啟動、軟停止，轉速連續可調，避免電流沖擊，不僅可以提高工藝的高效性，減少機械沖擊，延長機械壽命，節省維護成本，同時和原來的控制系統相比，改造后節電率約為30%，節約能源的效果非常明顯，具有很好的經濟和社會效益。

4 變頻調速技術未來發展趨勢

（1）實現高水平的控制。基于電動機和機械模型的控制策略，有矢量控制、磁場控制、直接傳矩控制和機械扭振補償等；基于現代理論的控制策略，有滑模變結構技術、模型參考自適應技術、采用微分幾何理論的非線性解耦、魯棒觀察器，在某種指標意義下的最優控制技術和逆奈奎斯特陣列設計方法等；基于智能控制思想的控制策略，有模糊控制、神經元網絡、專家系統和各種各樣的自優化、自診斷技術等。

（2）模擬與計算機輔助設計（CAD）技術。電機模擬器、負載模擬器以及各種CAD軟件的引入對變頻器的設計和測試提供了強有力的支持。

（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、蒸發冷卻和熱管）對縮小裝置的尺寸也很有效。

（4）高速度的數字控制。以32位高速微處理器為基礎的數字控制模板有足夠的能力實現各種控制算法，Windows操作系統的引入使得可自由設計，圖形編程的控制技術也有很大的發展。

5 結語

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

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[責任編輯：楊玉潔]