變頻技術(shù)的發(fā)展及其應用

0 引言

在工業(yè)生產(chǎn)及國計民生中電機的使用十分廣泛，電機的傳動(dòng)方式一般分為直流電機傳動(dòng)及交流電機傳動(dòng)。過(guò)去由于交流電機實(shí)現調速較困難或某些調速方式低效不夠理想，因而長(cháng)期以來(lái)在調速領(lǐng)域大多采用直流電機，而交流電動(dòng)機的優(yōu)點(diǎn)在調速領(lǐng)域中未能得到發(fā)揮。交流電動(dòng)機的調速方式一般有以下三種。

1)變極調速是通過(guò)改變電動(dòng)機定子繞組的接線(xiàn)方式以改變電機極數實(shí)現調速，這種調速方法是有級調速，不能平滑調速，而且只適用于鼠籠電動(dòng)機。

2)改變電機轉差率調速其中有通過(guò)改變電機轉子回路的電阻進(jìn)行調速，此種調速方式效率不高，且不經(jīng)濟。其次是采用滑差調速電機進(jìn)行調速，調速范圍寬且能平滑調速，但這種調速裝置結構復雜(一般由異步電機、滑差離合器和控制裝置三部分組成)，滑差調速電機是在主電機轉速恒定不變的情況下調節勵磁實(shí)現調速的，即便輸出轉速很低，而主電機仍運行在額定轉速，因此耗電較多，另外勵磁和滑差部分也有效率問(wèn)題和消耗問(wèn)題。較好的轉差率調速方式是串級調速。

3)變頻調速通過(guò)改變電機定子的供電頻率，以改變電機的同步轉速達到調速的目的，其調速性能優(yōu)越，調速范圍寬，能實(shí)現無(wú)級調速。

目前我國生產(chǎn)現場(chǎng)所使用的交流電動(dòng)機大多為非調速型，其耗能十分驚人。如采用變頻調速，則可節約大量能源。這對提高經(jīng)濟效益具有十分重要的意義。

1 變頻調速技術(shù)的發(fā)展

上世紀50 年代末，由于晶閘管(SCR)的研究成功，電力電子器件開(kāi)始運用于工業(yè)生產(chǎn)，可控整流直流調速便成了調速系統中的主力軍。但由于直流電機結構復雜，造價(jià)比交流電機高，直流電動(dòng)機在運行中，炭刷接觸產(chǎn)生炭粉而易引起環(huán)火，須經(jīng)常維護，而且直流調速系統線(xiàn)路復雜，維修十分不便。因而便促進(jìn)了世界各國對交流調速技術(shù)的開(kāi)發(fā)和研制。

20 世紀80年代中期，隨著(zhù)第三代電力電子器件，如門(mén)極可關(guān)斷晶閘管(GTO)、大功率晶體管(GTR)、絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)等全控型電力電子器件的研制成功，以及電力電子器件從電流驅動(dòng)型到電壓驅動(dòng)型全控器件等的發(fā)展，日本等國已先后研制開(kāi)發(fā)出了功率等級不同的把控制、驅動(dòng)、檢測、保護及功率輸出集于一體的變頻調速產(chǎn)品，如圖1所示。從而使交流變頻調速的關(guān)鍵裝置———逆變器性能優(yōu)良，主電路簡(jiǎn)單，驅動(dòng)方便，工作可靠。同時(shí)隨著(zhù)控制理論、微電子技術(shù)和計算機技術(shù)的發(fā)展，使交流電機變頻調速技術(shù)取得了突破性進(jìn)展，并以其優(yōu)越的調速性能和良好的節能效果逐漸取代了直流調速系統和其他的調速方式，如變極調速、串級調速、滑差電機調速、整流子電機調速等。

隨著(zhù)全球能源短缺趨勢的加劇以及交流變頻技術(shù)及變頻器產(chǎn)品的性能和功能日趨完善，使其越來(lái)越廣泛地應用在工業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域中。據有關(guān)資料介紹，1994 年日本生產(chǎn)100 kW 以下的中小功變頻器已達100萬(wàn)臺。除日本外，歐美等發(fā)達國家目前已形成了較完整的變頻器技術(shù)產(chǎn)業(yè)體系。

2 變頻調速技術(shù)的原理及特點(diǎn)

1)變頻調速技術(shù)的原理是把工頻50 Hz 的交流電轉換成三相頻率和電壓可調的交流電，通過(guò)改變交流電動(dòng)機定子繞組的供電頻率，在改變頻率的同時(shí)也改變電壓，從而達到調節電動(dòng)機轉速的目的(即VVVF技術(shù))。目前的變頻器系統還采用微機控制技術(shù)，它可根據電動(dòng)機負載的變化實(shí)現自動(dòng)、平滑地增速或減速。

2)交流變頻調速系統一般由三相交流異步電動(dòng)機、變頻器及控制器組成，它與直流調速系統相比具有以下顯著(zhù)優(yōu)點(diǎn)：

(1)異步電動(dòng)機比直流電動(dòng)機結構簡(jiǎn)單，重量輕，價(jià)格低，它沒(méi)有換向器，運行可靠;

(2)控制電路比直流調速系統簡(jiǎn)單，易于維護;

(3)變頻調速系統調速范圍寬，能平滑調速，其調速靜態(tài)精度及動(dòng)態(tài)品質(zhì)好，而且節能顯著(zhù)，是目前世界公認的交流電動(dòng)機的最理想、最有前途的調速技術(shù)，因而在國際上獲得了廣泛的應用。

3 變頻牽引技術(shù)在國外的應用情況

隨著(zhù)變頻技術(shù)的發(fā)展，使電力牽引系統有了很大的變化，其牽引與調速系統由最初的變阻調速發(fā)展到斬波器調速，進(jìn)而發(fā)展到應用交流三相異步牽引電動(dòng)機采用調壓變頻調速(VVVF)的牽引技術(shù)。目前世界上德、日等發(fā)達國家研制的地鐵和輕軌車(chē)輛幾乎全部采用交流變頻調速牽引技術(shù)。

例如，根據有關(guān)資料報導的德國采用BR120型交流變頻牽引電力機車(chē)試驗的結果表明，這種性能的機車(chē)比直流牽引車(chē)輛具有以下顯著(zhù)的優(yōu)點(diǎn)：

1)在相同粘重時(shí)牽引力提高30%;

2)功率因數高(cos漬可達到1)，電網(wǎng)利用率提高30%;

3)由于它采用電力電子器件取代了有觸點(diǎn)元件，維修費可降低50%;

4)無(wú)故障運行超過(guò)40萬(wàn)km;

5)節能顯著(zhù)，采用GTO變頻器的交流電牽引裝置比相同容量使用斬波調速的直流牽引裝置效率可提高6%～7%。

據有關(guān)資料報導，一輛5 600 kW 的機車(chē)每小時(shí)可節電392 kW，若按年運行3 000 h 計算，則每年節電可達117.6萬(wàn)kW。

國際上在交流牽引處于領(lǐng)先水平的日本和德國，基本都是采用PWM(交- 直- 交)型GTO-VVVF逆變器(簡(jiǎn)稱(chēng)GTO 變頻器)和異步牽引電動(dòng)機配套組成變頻牽引系統。

日本在1990年后生產(chǎn)的GTO 變頻器容量就達到了4 500 V/3 000 A。日本于1991年11月統計公布的所有日本交流變頻調速車(chē)的主要參數基本上都是采用由日立、東芝、三菱電機、富士電機和東洋公司制造的GTO變頻器。東洋公司從1986年到1990年底止，就已為23種車(chē)型提供了GTO變頻器。

近年來(lái)，德、日等國家新研制的地鐵和輕軌列車(chē)，幾乎全部采用交流變頻牽引技術(shù);而用于交流牽引系統的新型三點(diǎn)式逆變器，在德國和日本則已有應用。1993年德國就已經(jīng)有成千臺用此方案構成的IGBT 三點(diǎn)式逆變器用于輕軌電車(chē)上。IGBT 器件與可關(guān)斷器件GTO 相比有較多優(yōu)點(diǎn)。IGBT 為電壓驅動(dòng)，其開(kāi)關(guān)頻率高，抗干擾和貫穿短路保護能力強，損耗小，性能好及工作可靠，雖然IGBT耐壓不如GTO高，但采用新型的三點(diǎn)式電壓型逆變器，則可用耐電壓等級低一半的器件，而且還有效地減少了諧波電流，抑制了電磁噪聲。因此，目前高壓大電流的GTO 和IGBT模塊構成的變壓變頻裝置和微機技術(shù)在機車(chē)車(chē)輛上的應用已取得了很大的進(jìn)展。

4 變頻技術(shù)在我國城市交通車(chē)輛上的應用根據有關(guān)資料報導，廣州本田公司已用200臺變頻電車(chē)取代了152 臺電阻式控制的舊電車(chē)和48臺斬波控制電車(chē)。在實(shí)際的營(yíng)運路線(xiàn)上，分別對各種電車(chē)進(jìn)行了耗電測定，其測量結果如表1所列。

測量結果表明，新型車(chē)耗電量為電阻式控制車(chē)的72.6%。根據他們對200臺新型變頻車(chē)與200臺舊車(chē)一年的耗電量比較計算，新型車(chē)的耗電約減少24%。由此可見(jiàn)采用變頻技術(shù)的車(chē)輛節電效果十分明顯。因此，我國電子工業(yè)部在電子工業(yè)早在“九五”規劃中就將以變頻牽引裝置為代表的節能技術(shù)列為發(fā)展的重點(diǎn)。

我國于1996年研制成功了AC4000型交流牽引電力機車(chē)。目前DC 750 V系統下的地鐵車(chē)輛每臺牽引電機功率為90~160 kW，因此采用600～1 000 A/1 200V IBGT構成的三點(diǎn)式逆變器牽引系統，已能達到所需的容量。我國原來(lái)規劃的廣州地鐵和上海地鐵準備用直流斬波調速車(chē)，后考慮到與國際先進(jìn)水平、節約能源及經(jīng)濟合理性等因素，最終確定了選擇三相交流異步牽引機變頻調速的傳動(dòng)方案。

5 結語(yǔ)

我國地鐵車(chē)輛電力牽引系統從變阻調速到斬波器調速，進(jìn)而發(fā)展到使用三相異步電動(dòng)機的變頻牽引技術(shù)。在DC 750 V系統下運行的地鐵中，采用成熟的、批量生產(chǎn)的、價(jià)廉的耐壓1 200 V的IGBT器件構成三點(diǎn)式逆變器，實(shí)現地鐵車(chē)輛交流傳動(dòng)方案，造價(jià)也不貴，而且對于城市軌道交通DC 750 V系統中地鐵或輕軌車(chē)輛上所采用的交流傳動(dòng)所需的電氣設備，我國已完全能夠自已設計和制造，從而使我國鐵路機車(chē)工業(yè)跨入了研制發(fā)展綠色交通車(chē)輛的國際先進(jìn)行列。

近年來(lái)，變頻器產(chǎn)品已在國際、國內工業(yè)生產(chǎn)和國計民生中得到了廣泛的應用。低壓電動(dòng)機變頻調速產(chǎn)品目前應用已非常普及和成熟，高壓電動(dòng)機變頻調速也在被人們關(guān)注和逐漸應用。交流變頻器已成為對工業(yè)生產(chǎn)進(jìn)行技術(shù)改造和對產(chǎn)品、設備更新?lián)Q代的理想調速裝置。