淺析阿爾法變頻器的應用現(xiàn)狀與前景展望

前言

    近年來，隨著電力電子技術、計算機技術、自動控制技術的迅速發(fā)展，交流傳動與控制技術成為目前發(fā)展最為迅速的技術之一，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(shù)字控制技術取代模擬控制技術已成為發(fā)展趨勢。電機交流變頻調速技術是當今節(jié)電、改善工藝流程以提高產品質量和改善環(huán)境、推動技術進步的一種主要手段。變頻調速以其優(yōu)異的調速和起制動性能，高效率、高功率因數(shù)和節(jié)電效果，廣泛的適用范圍及其它許多優(yōu)點而被國內外公認為最有發(fā)展前途的調速方式。深入了解交流傳動與控制技術的走向，具有十分積極的意義．

一、變頻器調速運行的節(jié)能原理

    實現(xiàn)變頻調速的裝置稱為變頻器。變頻器一般由整流器、濾波器、驅動電路、保護電路以及控制器（MCU／DSP）等部分組成。首先將單相或三相交流電源通過整流器并經電容濾波后，形成幅值基本固定的直流電壓加在逆變器上，利用逆變器功率元件的通斷控制，使逆變器輸出端獲得一定形狀的矩形脈沖波形。在這里，通過改變矩形脈沖的寬度控制其電壓幅值；通過改變調制周期控制其輸出頻率，從而在逆變器上同時進行輸出電壓和頻率的控制，而滿足變頻調速對U／f協(xié)調控制的要求。PWM的優(yōu)點是能消除或抑制低次諧波，使負載電機在近正弦波的交變電壓下運行，轉矩脈沖小，調速范圍寬。

    采用PWM控制方式的電機轉速受到上限轉速的限制。如對壓縮機來講，一般不超過7000r／rain。而采用PAM控制方式的壓縮機轉速可提高1．5倍左右，這樣大大提高了快速增速和減速能力。同時，由于PAM在調整電壓時具有對電流波形的整形作用，因而可以獲得比PWM更高的效率。此外，在抗干擾方面也有著PWM無法比擬的優(yōu)越性，可抑制高次諧波的生成，減小對電網的污染。采用該控制方式的變頻調速技術后，電機定子電流下降64％ ，電源頻率降低30％ ，出膠壓力降低57％ 。由電機理論可知，異步電機的轉速可表示為：
n=60·f 8（1—8）／p
    f s為電機定子頻率（也即是電網頻率），P電機定子的繞組極對數(shù)，s為轉差率。由上式可知，只要轉差率不太大，可以近似認為轉速n與f s成正比，這就意味著連續(xù)平滑的改變電源頻率，就可以實現(xiàn)交流電動機大范圍的連續(xù)平滑調速。例如一個額定轉速3000轉／分的電動機，由變頻器供電，若啟動頻率設定為5HZ，那么變頻器可以運行在5—50HZ之間的任一頻率上，則電動機可以運行在30o——3000轉／分之間的任一轉速上·電動機由市電啟動，啟動平衡，力矩大又節(jié)能。

    50HZ380V的市電經過整流濾波環(huán)節(jié)后成為直流電，再經過逆變環(huán)節(jié)變成了頻率和幅度都可調的交流電。在變頻器主回路中電能經過了交流— —直流— —交流的變換，所以這類變頻器稱作交— —直—— 交類變頻器。

二、我國變頻器技術的發(fā)展及應用概況

（一）變頻器的發(fā)展

    隨著生產技術的不斷發(fā)展，直流拖動的薄弱環(huán)節(jié)逐步顯露出來。由于換向器的存，直流電機的維護量加大，單機容量、最高轉速以及使用環(huán)境都受到限制。人們開始轉向結構簡單、運行可靠、維護方便、價格低廉的異步電動機。但異步電動機的調速性能難以滿足生產的需要。于是，從20世紀30年代開始，人們致力于交流調速技術的研究，然而進展緩慢。在相當長的時期內，直流調速一直以其優(yōu)異的性能統(tǒng)治著電氣傳動領域。20世紀60年代以后，特別是70年代以來，電力電子技術、控制技術和微電子技術的飛速發(fā)展，使得交流調速性能可以與直流調速相媲美。目前，交流調速已進入逐步代替直流調速的時代。

（二）我國變頻器的應用

    變頻器主要用于交流電動機（異步電機或同步電機）轉速的調節(jié)，是公認的交流電動機最理想、最有前途的調速方案，除了具有卓越的調速性能之外，變頻器還有顯著的節(jié)能作用，是企業(yè)技術改造和產品更新?lián)Q代的理想調速裝置。自上世紀80年代被引進中國以來，變頻器作為節(jié)能應用與速度工藝控制中越來越重要的自動化設備，得到了快速發(fā)展和廣泛的應用。

1、變頻器與節(jié)能

    變頻器產生的最初用途是速度控制，但目前在國內應用較多的是節(jié)能。中國是能耗大國，能源利用率很低，而能源儲備不足。在2003年的中國電力消耗中，60—70％為動力電，而在總容量為5．8億千瓦的電動機總容量中，只有不到2000萬千瓦的電動機是帶變頻控制的。據(jù)分析，在中國，帶變動負載、具有節(jié)能潛力的電機至少有1．8億千瓦。因此國家大力提倡節(jié)能措施，并著重推薦了變頻調速技術。

    應用變頻調速，可以大大提高電機轉速的控制精度，使電機在最節(jié)能的轉速下運行。以風機水泵為例，根據(jù)流體力學原理，軸功率與轉速的三次方成正比。當所需風量減少，風機轉速降低時，其功率按轉速的三次方下降。因此，精確調速的節(jié)電效果非?？捎^。與此類似，許多變動負載電機一般按最大需求來生產電動機的容量，故設計裕量偏大。而在實際運行中，輕載運行的時間所占比例卻非常高。如采用變頻調速，可大大提高輕載運行時的工作效率。因此，變動負載的節(jié)能潛力巨大。

    作為節(jié)能目的，變頻器廣泛應用于各行業(yè)。以電力行業(yè)為例，由于中國大面積缺電，電力投資將持續(xù)增長，同時，國家電改方案對電廠的成本控制提出了要求，降低內部電耗成為電廠關注焦點，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。

2、變頻器與工藝控制（速度控制）

    目前，中國的設備控制水平與發(fā)達國家相比還比較低，制造工藝和效率都不高，因此提高設備控制水平至關重要。由于變頻調速具有調速范圍廣、調速精度高、動態(tài)響應好等優(yōu)點，在許多需要精確速度控制的應用中，變頻器正在發(fā)揮著提升工藝質量和生產效率的顯著作用。

3、變頻家電

    除了工業(yè)相關行業(yè)，在普通家庭中，節(jié)約電費、提高家電性能、保護環(huán)境等受到越來越多的關注，變頻家電成為變頻器的另一個廣闊市場和應用趨勢。帶有變頻控制的冰箱、洗衣機、家用空調等，在節(jié)電、減小電壓沖擊、降低噪音、提高控制精度等方面有很大的優(yōu)勢。

三、國內變頻技術的現(xiàn)狀和發(fā)展前景

    國內已經有較多的變頻器生產廠，但大部分的產品都是V／F控制和電壓空間矢量控制變頻器，使用在調速精度和動態(tài)性能要求不高的負載上應該沒有問題。工業(yè)應用中絕大部分都是這種負載，變頻器在這種場合應用最重要的要求是可靠性，國產變頻器占國內市場份額不高的主要原因是產品品質不過硬。V／F控制和電壓空間矢量控制變頻器比矢量控制變頻器從技術上來看要簡單得多，由于國內廠家大部分都是手工作坊式的生產，工藝欠佳，檢測手段有限，品質的一致性和穩(wěn)定性難以保證。同樣是V／F控制的變頻器，國外的產品比國內的產品品質要好，這可能是生產工藝方面的差距。差距最大的是半導體功率器件的制造業(yè)，至今在國內這仍是一個空白。

    變頻器技術的另外一個層面是應用技術。多年來，國家經貿委一直會同國家有關部門致力于變頻器技術的開發(fā)及推廣應用，在技術開發(fā)及技術改造方面給予了重點扶持，組織了變頻調速技術的評測推薦工作，并把推廣應用變頻調速技術作為風機、水泵節(jié)能技改專項的重點投資方向，同時鼓勵單位開展同貸同還方式，抓開發(fā)、抓示范工程、抓推廣應用，還處理了風機、水泵節(jié)能中心，開展信息咨詢和培訓。1995—1997年，3年間我國風機、水泵變頻調速技術改造投入資金3．5億元，改造總容量達100萬千瓦，可年節(jié)電7億度，平均投資回收期約2年。據(jù)有關資料表明，我國變頻調速技術應用已經取得了相當大的成績，每年有數(shù)十億元的銷售額，說明我國的變頻器應用已非常廣泛。從簡單的手動控制到基于RS一485網絡的多機控制，與計算機和PLC聯(lián)網組成復雜的控制系統(tǒng)。在大型綜合自動化系統(tǒng)，先進控制與優(yōu)化技術，大型成套專用系統(tǒng)，如連鑄連軋生產線、高速造紙生產線、電纜光纖生產線、化纖生產線、建材生產線等，變頻器的作用是電氣傳動控制，其控制的復雜性、控制精度和動態(tài)響應都有很高的要求，已經完全取代了直流調速技術。近年來，變頻器在功能上，利用先進的控制理論，開發(fā)出了諸如卷取、提升、主從等控制功能，使應用系統(tǒng)的構成更加方便和容易，使變頻器的應用技術提高到一個新的水平。

四、結論

    變頻調速這一技術正越來越廣泛的深入到行業(yè)中。它的節(jié)能、省力、易于構成自控系統(tǒng)的顯著優(yōu)勢應用變頻調速技術也是改造挖潛、增加效益的一條有效途徑。尤其是在高能耗、低產出的設備較多的企業(yè)，采用變頻調速裝置將使企業(yè)獲得巨大的經濟利益，同時這也是國民經濟可持續(xù)發(fā)展的需要。