基于變頻調(diào)速大型電機(jī)的發(fā)展問題分析

鄭 巍

（貴州省節(jié)能監(jiān)測中心，貴州 貴陽 550001）

1 概述

隨著自動控制、電力電子等技術(shù)的發(fā)展，大型電機(jī)變頻調(diào)速憑借著自身的啟動和調(diào)速等優(yōu)勢，已成為各領(lǐng)域應(yīng)用最廣的調(diào)速方式之一。近幾年來，大型電機(jī)變頻調(diào)速的高效性、經(jīng)濟(jì)性、節(jié)能性等都取得了很大的進(jìn)步。因此，分析大型電機(jī)變頻調(diào)速發(fā)展歷程及趨勢，掌握和探究大型電機(jī)變頻調(diào)速的相關(guān)知識，對于實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化大型電機(jī)變頻調(diào)速具有重大的意義。

2 變頻調(diào)速的原理及發(fā)展方向

簡單的說變頻調(diào)速的原理就是通過改變頻率和電壓來進(jìn)行調(diào)速。交流電通過整流變成直流，直流通過晶閘管的頻繁關(guān)斷，使之形成的矩形波近似成交流正弦波。通過改變頻率進(jìn)而控制速度變化，這就是交直交變頻。變頻調(diào)速的發(fā)展方向（1）交流變頻向直流變頻方向轉(zhuǎn)化；（2）控制技術(shù)由PWM（脈寬調(diào)制）向PAM（脈幅調(diào)制）方向發(fā)展；（3）功率器件向高集成智能功率模塊化發(fā)展。

3 大型電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的組成、技術(shù)難點(diǎn)以及傳統(tǒng)調(diào)速的不足（1）大型電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的組成。大型電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)組成分為調(diào)速控制系統(tǒng)（主要由控制電路、轉(zhuǎn)子整流電路、斬波電路、有源逆變電路等部分組成）、電力電子變頻器（主要是由晶閘管、門極換向晶閘管和絕緣柵雙極晶體管組成）、交流變頻裝置（主要有寬頻電壓傳感器、寬頻電流傳感器、寬頻功率分析儀等組成）。（2）大型電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的技術(shù)難點(diǎn)。大型電機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)的難點(diǎn)為協(xié)調(diào)熱連軋機(jī)的高精度和高動態(tài)的響應(yīng)指標(biāo)。大型電機(jī)變頻調(diào)速電力電子變頻器的技術(shù)難題則是電力電子變頻器產(chǎn)生的諧波和無功沖擊等。而大型電機(jī)變頻調(diào)速的阻尼繞組事故和其變頻理論的一些技術(shù)難點(diǎn)有待進(jìn)行深入研究。（3）大型電機(jī)傳統(tǒng)調(diào)速的不足。大型電機(jī)傳統(tǒng)調(diào)速的不足主要有①大型電機(jī)傳統(tǒng)調(diào)速的效率低、溫升范圍大。②大型電機(jī)傳統(tǒng)調(diào)速所承受的絕緣強(qiáng)度要較低，尤其是在DTC控制模式下，對大型電機(jī)的絕緣強(qiáng)度是個(gè)很大的考驗(yàn)。③大型電機(jī)傳統(tǒng)調(diào)速的噪音和電磁振動都比較大。④大型電機(jī)傳統(tǒng)調(diào)速在頻繁啟動、頻繁調(diào)速、頻繁制動的場合表現(xiàn)的都比較差。

4 基于變頻調(diào)速大型電機(jī)發(fā)展及優(yōu)勢

長久以來,為能夠?qū)崿F(xiàn)大型電機(jī)的無級調(diào)速、平滑調(diào)速、寬范圍調(diào)速以及低耗調(diào)速，人們先后采取了很多措施，例如，在調(diào)壓方面采取水銀整流器、閘流管等，在變頻裝置方面，采取輔助大型電機(jī)的串級裝置，但都沒達(dá)到理想結(jié)果。到20世紀(jì)70年代，由于微電子技術(shù)和大規(guī)模的集成電路的快速發(fā)展，才逐步研制出交流電機(jī)的調(diào)速裝置，其各方面性能較以前有很大的提高。現(xiàn)在的大型電機(jī)都成功采用交流調(diào)速系統(tǒng)，這也證實(shí)交流調(diào)速的時(shí)代來臨。

（1）基于變頻調(diào)速大型電機(jī)的中外合作發(fā)展。為了搶先占領(lǐng)市場,很多大型電機(jī)企業(yè)采取中外相互合作方式，聯(lián)合競標(biāo)的方法。它帶來的好處①迅速提升大型電機(jī)變頻調(diào)速的技術(shù)水平，使產(chǎn)品盡快達(dá)到國外先進(jìn)水平；②國內(nèi)市場竟標(biāo)獲勝的概率較高；③實(shí)現(xiàn)雙贏，國外進(jìn)行投資監(jiān)管，國內(nèi)提供設(shè)計(jì)、制造方案，又由于國內(nèi)的勞動力成本較低，這樣不僅滿足國外對高利潤的追逐，而且使國內(nèi)的很多大型電機(jī)企業(yè)的變頻調(diào)速技術(shù)得到快速發(fā)展。（2）基于變頻調(diào)速大型電機(jī)的優(yōu)勢隨著科技的可持續(xù)發(fā)展，大型電機(jī)的變頻調(diào)速不僅改善了系統(tǒng)運(yùn)行過程的可靠性還提高了其經(jīng)濟(jì)性。在大型電機(jī)變頻調(diào)速運(yùn)行的過程中，通過對管道的流量和壓力的調(diào)節(jié)，既減少了對管道的沖擊力，也降低了閥門管道接口處發(fā)生泄漏。從而使整體運(yùn)行過程的安全性和可靠性得到極大提高。大型電機(jī)的變頻調(diào)速時(shí)，在較低負(fù)荷狀態(tài)運(yùn)轉(zhuǎn)，不僅降低了整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的噪音，還降低了能耗和污染，對環(huán)境優(yōu)化起了積極作用。

5 新型大型電機(jī)變頻裝置的現(xiàn)代化

新型大型電機(jī)變頻裝置主要包括電動機(jī)部分、變頻部分、控制系統(tǒng)部分和測速裝置等。從成本價(jià)格來看交流調(diào)速的現(xiàn)代化和變頻部分有著密切關(guān)系。（1）新型大型電機(jī)變頻裝置的交-交變頻器。交-交變頻器又稱周期變流器,分為非循環(huán)電流式和循環(huán)電流式。在頻率調(diào)速的過程中是由交流到交流,沒有中間的直流環(huán)節(jié)，因此有變換頻率高、低頻波動小等優(yōu)點(diǎn)。缺點(diǎn)是它的功率因數(shù)低、相應(yīng)的元件多,在整個(gè)電力系統(tǒng)發(fā)生短路或接地故障時(shí)難以繼續(xù)工作。（2）新型大型電機(jī)變頻裝置的GTO變流器。新型大型電機(jī)變頻裝置的GTO(門極關(guān)斷晶閘管)變流器是指交-直-交,包括整流、逆變和控制直流電壓等。它有功率因數(shù)高、結(jié)構(gòu)構(gòu)造簡單、寬頻率變換等優(yōu)點(diǎn)。新型大型電機(jī)變頻裝置的GTO變流器在低次諧波方面具有很大優(yōu)勢,能夠很好地抑制諧波。對于大型電機(jī)最好是采用GTO-PWM傳動方式，這樣可以提高調(diào)速的響應(yīng)速率和高軋制板材精度。（3）新型大型電機(jī)變頻裝置的IGBT變流器。新型大型電機(jī)變頻裝置的IGBT變流器由BJT(雙極型三極管)和MOS(絕緣柵型場效應(yīng)管)組成的復(fù)合全控型電壓驅(qū)動式功率半導(dǎo)體器件, 兼有MOSFET的高輸入阻抗和GTR的低導(dǎo)通壓降兩方面的優(yōu)點(diǎn)。它既可以通過自身消弧，還能實(shí)現(xiàn)了MOS化。當(dāng)容量比較小時(shí)，采用PIM（工智能電力電子模塊)以便提高保護(hù)性能。

6 新型大型電機(jī)變頻調(diào)速的展望

新型大型電機(jī)變頻調(diào)速發(fā)展方向 ①盡量降低新型大型電機(jī)變頻調(diào)速運(yùn)營成本；②提高新型大型電機(jī)變頻調(diào)速的元件性能；③使新型大型電機(jī)變頻調(diào)速控制部分智能化；④使大型電機(jī)變頻調(diào)速的變頻裝置更加清潔化 ⑤提高大型電機(jī)變頻調(diào)速的系統(tǒng)效率；⑥提高大型電機(jī)變頻調(diào)速的堵轉(zhuǎn)強(qiáng)度。

結(jié)語

通過對大型電機(jī)變頻調(diào)速發(fā)展問題的分析，證實(shí)了我國須重視大型電機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)，不斷深入研發(fā)向現(xiàn)代化發(fā)展的大型電機(jī)變頻裝置，進(jìn)一步改善大型電機(jī)變頻裝置的性能指標(biāo)、降低資金成本、減小大型電機(jī)變頻裝置占地面積、優(yōu)化大型電機(jī)變頻裝置節(jié)能性等方向發(fā)展。

[1]李智.大型變頻調(diào)速交流電機(jī)現(xiàn)代化[J].電氣技術(shù)，2004（12）：14-20.

[2]孫景力.大型交流調(diào)速電機(jī)的新發(fā)展[J].電工文摘，2009（03）：05-09.