交流变频调速技术发展的现状及趋势

交流变频调速技术发展的现状及趋势概述交流电动机变频调速技术是在近几十年来迅猛发展起来的电力拖动先进技术，其应用领域十分广泛。

为了适应科技的发展，将先进技术推广到生产实践中去，交流变频调速技术已成为应用型本科、高职高专电类专业的必修或选修课程。

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在理论上以必需、够用为原则；精心选材，努力贯彻少而精、启发式的教学思想；变频调速技术是一种以改变交流电动机的供电频率来达到交流电动机调速目的的技术。

大家知道，从大范围来分，电动机有直流电动机和交流电动机。

由于直流电动机调速容易实现，性能好，因此，过去生产机械的调速多用直流电动机。

但直流电动机固有的缺点是，由于采用直流电源，它的滑环和碳刷要经常拆换，故费时费工，成本高，给人们带来不少的麻烦。

因此人们希望，让简单可靠价廉的笼式交流电动机也能像直流电动机那样调速。

这样就出现了定子调速、变极调速、滑差调速、转子串电阻调速和串极调速等交流调速方式；由此出现了滑差电机、绕线式电机、同步式交流电机。

但其调速性能都无法和直流电动机相比。

直到20世纪80年代，由于电力电子技术、微电子技术和信息技术的发展，才出现了变频调速技术。

它的出现就以其优异的性能逐步取代其他交流电动机调速方式，乃至直流电动机调速系统，而成为电气传动的中枢。

要学习交流电动机的变频调速技术，必须有电力拖动系统的知识。

因此，先温习电力拖动系统的基础知识。

电力拖动系统由电动机、负载和传动装置三部分组成。

描写电力拖动系统的物理量主要是转速，n和转矩T（有时也用电流，因转矩和电动机的电枢电流成正比）。

两者之间的关系式称为机械特性。

交流电动机是电力拖动系统中重要的能量转换装置,用来实现将电能转换为机械能。

长期以来人们一直在寻求对电动机转速进行调节和控制的方法,起初由于直流调速系统的调速性能优于交流调速系统,直流调速系统在调速领域内长期占居主导地位。

变频调速是通过变频器来实现的，对于变频器的容量确定至关重要。

合理的容量选择本身就是一种节能降耗措施。

根据现有资料和经验，比较简便的方法有三种对于可调速的电力拖动系统，工程上往往根据电动机电流形式分为直流调速系统和交流调速系统两类。

它们最大的不同之出主要在于交流电力拖动免除了改变直流电机电流流向变化的机械向器——整流子。

20世纪70年代后，大规模集成电路和计算机控制技术的发展，以及现代控制理论的应用，使得交流电力拖动系统逐步具备了宽的调速范围、高的稳速范围、高的稳速精度、快的动态响应以及在四象限作可逆运行等良好的技术性能，在调速性能方面可以与直流电力拖动媲美。

在交流调速技术中，变频调速具有绝对优势，并且它的调速性能与可靠性不断完善，价格不断降低，特别是变频调速节电效果明显，而且易于实现过程自动化，深受工业行业的青睐。

1.交流变频调速的优异特性(1)调速时平滑性好，效率高。

低速时，特性静关率较高，相对稳定性好。

(2)调速范围较大，精度高。

(3)起动电流低，对系统及电网无冲击，节电效果明显。

(4)变频器体积小，便于安装、调试、维修简便。

(5)易于实现过程自动化。

(6)必须有专用的变频电源，目前造价较高。

(7)在恒转矩调速时，低速段电动机的过载能力大为降低。

2.与其它调速方法的比较交流电动机的调速方法有三种：变极调速、改变转差率调速和变频调速。

其中，变频调速最具优势。

这里仅就交流变频调速系统与直流调速系统做一比较。

在直流调速系统中，由于直流电动机具有电刷和整流子，因而必须对其进行检查，电机安装环境受到限制。

例如：不能在有易爆气体及尘埃多的场合使用。

此外，也限制了电机向高转速、大容量发展。

而交流电机就不存在这些问题，主要表现为以下几点：第一，直流电机的单机容量一般为12-14MW，还常制成双电枢形式，而交流电机单机容量却可以数倍于它。

第二，直流电机由于受换向限制，其电枢电压最高只能做到一千多伏，而交流电机可做到6-10kV。

第三，直流电机受换向器部分机械强度的约束，其额定转速随电机额定功率而减小，一般仅为每分钟数百转到一千多转，而交流电机的达到每分钟数千转。

第四，直流电机的体积、重量、价格要比同等容量的交流电机大。

最后，特别要指出的是交流调速系统在节约能源方面有着很大的优势。

一方面，交流拖动的负荷在总用电量中占一半或一半以上的比重，这类负荷实现节能，可以获得十分可观的节电效益。

另一方面，交流拖动本身存在可以挖掘的节电潜力。

在交流调速系统中，选用电机时往往留有一定余量，电机又不总是在最大负荷情况下运行；如果利用变频调速技术，轻载时，通过对电机转速进行控制，就能达到节电的目的。

工业上大量使用风机、水泵、压缩机等，其用电量约占工业用电量的50%；如果采用变频调速技术，既可大大提高其效率，又可减少10%的电能消耗。

3.合理应用交流变频调速技术在工业发达国已得到广泛应用。

美国有60%-65%的发电量用于电机驱动，由于有效地利用了变频调速技术，仅工业传动用电就节约了15%-20%的电量。

采用变频调速，一是根据要求调速用，二是节能。

它主要基于下面几个因素：(1)变频调速系统自身损耗小，工作效率高。

(2)电机总是保持在低转差率运行状态，减小转子损耗。

(3)可实现软启、制动功能，减小启动电流冲击。

在采用变频调速时，需从工艺要求、节约效益、投资回收期等各方面考虑。

如果仅从工艺要求、节约效益考虑，下面几种情况选用变频调速较有利：根据工艺要求，生产线或单台设备需要按程序或按要求调整电机速度的。

如：包装机传送系统，根据不同品种的产品，需要改变系统传送速度，使用变频调速可使调速控制系统结构简单，控制准确，并易于实现程序控制。

用变频调速代替机械变速。

如：机床，不仅可以省去复杂的齿轮变速箱，还能提高精度、满足程序控制要求。

用变频调速代替用闸门或挡板调整流量适于风机、水泵、压缩机等。

例如：锅炉上水泵、鼓风机、引风机实行了变频调速控制，不仅省去了伺服放大器、电动操作器、电动执行器和给水阀门(或挡风板)，而且使得整个锅炉锅炉控制系统得到了快速的动态响应、高的控制精度和稳定性。

4.变频器容量的确定变频调速是通过变频器来实现的，对于变频器的容量确定至关重要。

合理的容量选择本身就是一种节能降耗措施。

根据现有资料和经验，比较简便的方法有三种：(1)电机实际功率确定发首先测定电机的实际功率，以此来选用变频器的容量。

(2)公式法设安全系数取1.05，则变频器的容量Pb为Pb=1.05Pm/hm×cosy(kW)式中，Pm为电机负载；hm为电机功率。

计算出Pb后，按变频器产品目录可选出具体规格。

In为第n台电动机的额定电流，n为电机的台数。

在任何情况下，都不能在连续使用时超过额定电流I。

(3)电机额定电流法变频器变频器容量选定过程，实际上是一个变频器与电机的最佳匹配过程，最常见、也较安全的是使变频器的容量大于或等于电机的额定功率，但实际匹配中要考虑电机的实际功率与额定功率相差多少，通常都是设备所选能力偏大，而实际需要的能力小，因此按电机的实际功率选择变频器是合理的，避免选用的变频器过大，使投资增大。

虽然变频调速有诸多优点，但也有其不利因素，主要问题是电流中含高次谐波较多，除对电网有污染外，也使电机自身增加损耗，引起电机发热。

再有，变频器价格贵、投资回收器长、技术复杂、尤其在实现闭环自动控制时，还需进行技术处理。

此外，不是任何情况下变频器都节电，如果电机负载变化不大，或深井泵配有水塔，节电、节水效果都不大，就不宜使用变频调速。

交流变频调速的优异特性1)调速时平滑性好、效率高。

低速时，特性静差率高、相对稳定性好；2)调速范围较大、精度高；3)起动电流低，对系统及电网无冲击，节电效果明显；4)变频器体积小，便于安装、调试、维修简便；5)易于实现过程自动化；6)必须有专用的变频电源，目前造价较高；7)在恒转矩调速时，低速段电动机的过载能力大为降低。

与其它调速方法的比较由电机学可知，电动机的转速 'g／与同步转速凡。

之间的关系为：式中：s为电动机转差率为电网频率；P为极对数。

改变电动机的转速有三种方法，即改变转差率s，改变频率厂和改变极对数P，由此产生了多种调速方法。

变频调速的发展方向交流变频调速技术是强弱电混合、机电一体的综合性技术，既要处理巨大电能的转换(整流、逆变)，又要处理信息的收集、变换和传输，因此它的共性技术必定分为功率和控制两大部分。

前者要解决与高压大电流有关的技术问题和新型电力电子器件的应用技术问题，后者要解决基于现代控制理论的控制策略和智能控制策略的软硬件开发问题。

目前主要发展动向有：( 1 ) 新的控制策略异步电动机是一个多变量、强耦合、时变的非线性系统，瞬时转矩的控制困难，使它的动态性能很长时间内不如直流电机。

矢量控制技术开创了交流电机高性能控制的新时代，但矢量控制对电机参数的依赖很大，使之也有不尽人意之处，磁链跟踪型 P WM控制逆变器及与之相关的转矩直接控制正受到广泛关注。

基于现代控制理论的滑模结构控制、自适应控制等均已引入电机控制，又如把模糊控制、人工神经网络控制、专家系统等无需精确数学模型的智能控制技术应用于变频调速中也得到了广泛的研究。

( 2 ) 新型变流装置和变流技术随着电力电子元器件的不断发展，调速系统用的变流装置正朝向高电压、大容量、小型化、高频化的方向发展，中高电压( 1 0 k V) 、大容量( I O MW) 的变频器已得到了应用，变流主元件的开发频率越来越高，装置的体积越来越小，为提高开关频率、降低开关损耗，软开关技术已经开始得到实际应用。

变流装置对电网的谐波问题已引起高度的重视，把不控整流桥改成 P WM双向整流桥已成为当前的热门课题。

( 3 ) 全数字化控制随着微机运算速度的提高和存储器的大容量化，全数字化控制已成为调速系统的主流方向，各类单片机和数字信号处理器( D S P ) 在调速系统得到了较为普遍的应用。

全数字化控制技术及集成化技术还在飞速发展，年年都有新的芯片诞生，这不仅提高了系统的性能和可靠性，降低了成本，还使控制器向着小型化、智能化的方向发展。

( 4 ) 模拟与计算机辅助设计技术电机模拟器、负载模拟器以及各种 C A D软件的引入对变频器的设计和测试提供了强有力的支持。

变频调速的应用交流变频调速技术在工业发达国家已得到广泛应用。

美国有 6 0 ％～ 6 5 ％的发电量用于电机驱动，由于有效地利用了变频调速技术，仅工业传动用电就节约了 1 5 ％～ 2 0 ％的电量。

采用变频调速，一是根据要求调速用，二是节能。

它主要基于下面几个因素：( 1 ) 变频调速系统自身损耗小，工作效率高；( 2 ) 电机总是保持在低转差率运行状态，减少转子损耗；( 3 ) 可实现软启、制动功能，减少启动电流冲击。