變頻技術(shù)的發(fā)展及其應(yīng)用

0 引言

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

1)變極調(diào)速是通過(guò)改變電動(dòng)機(jī)定子繞組的接線(xiàn)方式以改變電機(jī)極數(shù)實(shí)現(xiàn)調(diào)速，這種調(diào)速方法是有級(jí)調(diào)速，不能平滑調(diào)速，而且只適用于鼠籠電動(dòng)機(jī)。

2)改變電機(jī)轉(zhuǎn)差率調(diào)速其中有通過(guò)改變電機(jī)轉(zhuǎn)子回路的電阻進(jìn)行調(diào)速，此種調(diào)速方式效率不高，且不經(jīng)濟(jì)。其次是采用滑差調(diào)速電機(jī)進(jìn)行調(diào)速，調(diào)速范圍寬且能平滑調(diào)速，但這種調(diào)速裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜(一般由異步電機(jī)、滑差離合器和控制裝置三部分組成)，滑差調(diào)速電機(jī)是在主電機(jī)轉(zhuǎn)速恒定不變的情況下調(diào)節(jié)勵(lì)磁實(shí)現(xiàn)調(diào)速的，即便輸出轉(zhuǎn)速很低，而主電機(jī)仍運(yùn)行在額定轉(zhuǎn)速，因此耗電較多，另外勵(lì)磁和滑差部分也有效率問(wèn)題和消耗問(wèn)題。較好的轉(zhuǎn)差率調(diào)速方式是串級(jí)調(diào)速。

3)變頻調(diào)速通過(guò)改變電機(jī)定子的供電頻率，以改變電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速達(dá)到調(diào)速的目的，其調(diào)速性能優(yōu)越，調(diào)速范圍寬，能實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速。

目前我國(guó)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)所使用的交流電動(dòng)機(jī)大多為非調(diào)速型，其耗能十分驚人。如采用變頻調(diào)速，則可節(jié)約大量能源。這對(duì)提高經(jīng)濟(jì)效益具有十分重要的意義。

1 變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展

上世紀(jì)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(yùn)用于工業(yè)生產(chǎn)，可控整流直流調(diào)速便成了調(diào)速系統(tǒng)中的主力軍。但由于直流電機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價(jià)比交流電機(jī)高，直流電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行中，炭刷接觸產(chǎn)生炭粉而易引起環(huán)火，須經(jīng)常維護(hù)，而且直流調(diào)速系統(tǒng)線(xiàn)路復(fù)雜，維修十分不便。因而便促進(jìn)了世界各國(guó)對(duì)交流調(diào)速技術(shù)的開(kāi)發(fā)和研制。

20 世紀(jì)80年代中期，隨著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(qū)動(dòng)型到電壓驅(qū)動(dòng)型全控器件等的發(fā)展，日本等國(guó)已先后研制開(kāi)發(fā)出了功率等級(jí)不同的把控制、驅(qū)動(dòng)、檢測(cè)、保護(hù)及功率輸出集于一體的變頻調(diào)速產(chǎn)品，如圖1所示。從而使交流變頻調(diào)速的關(guān)鍵裝置———逆變器性能優(yōu)良，主電路簡(jiǎn)單，驅(qū)動(dòng)方便，工作可靠。同時(shí)隨著控制理論、微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，使交流電機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)取得了突破性進(jìn)展，并以其優(yōu)越的調(diào)速性能和良好的節(jié)能效果逐漸取代了直流調(diào)速系統(tǒng)和其他的調(diào)速方式，如變極調(diào)速、串級(jí)調(diào)速、滑差電機(jī)調(diào)速、整流子電機(jī)調(diào)速等。

隨著全球能源短缺趨勢(shì)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(yīng)用在工業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域中。據(jù)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(dá)100萬(wàn)臺(tái)。除日本外，歐美等發(fā)達(dá)國(guó)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(diào)速技術(shù)的原理及特點(diǎn)

1)變頻調(diào)速技術(shù)的原理是把工頻50 Hz 的交流電轉(zhuǎn)換成三相頻率和電壓可調(diào)的交流電，通過(guò)改變交流電動(dòng)機(jī)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(dá)到調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的目的(即VVVF技術(shù))。目前的變頻器系統(tǒng)還采用微機(jī)控制技術(shù)，它可根據(jù)電動(dòng)機(jī)負(fù)載的變化實(shí)現(xiàn)自動(dòng)、平滑地增速或減速。

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

(1)異步電動(dòng)機(jī)比直流電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，重量輕，價(jià)格低，它沒(méi)有換向器，運(yùn)行可靠;

(2)控制電路比直流調(diào)速系統(tǒng)簡(jiǎn)單，易于維護(hù);

(3)變頻調(diào)速系統(tǒng)調(diào)速范圍寬，能平滑調(diào)速，其調(diào)速靜態(tài)精度及動(dòng)態(tài)品質(zhì)好，而且節(jié)能顯著，是目前世界公認(rèn)的交流電動(dòng)機(jī)的最理想、最有前途的調(diào)速技術(shù)，因而在國(guó)際上獲得了廣泛的應(yīng)用。

3 變頻牽引技術(shù)在國(guó)外的應(yīng)用情況

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

例如，根據(jù)有關(guān)資料報(bào)導(dǎo)的德國(guó)采用BR120型交流變頻牽引電力機(jī)車(chē)試驗(yàn)的結(jié)果表明，這種性能的機(jī)車(chē)比直流牽引車(chē)輛具有以下顯著的優(yōu)點(diǎn)：

1)在相同粘重時(shí)牽引力提高30%;

2)功率因數(shù)高(cos漬可達(dá)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(fèi)可降低50%;

4)無(wú)故障運(yùn)行超過(guò)40萬(wàn)km;

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

據(jù)有關(guān)資料報(bào)導(dǎo)，一輛5 600 kW 的機(jī)車(chē)每小時(shí)可節(jié)電392 kW，若按年運(yùn)行3 000 h 計(jì)算，則每年節(jié)電可達(dá)117.6萬(wàn)kW。

國(guó)際上在交流牽引處于領(lǐng)先水平的日本和德國(guó)，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(jī)配套組成變頻牽引系統(tǒng)。

日本在1990年后生產(chǎn)的GTO 變頻器容量就達(dá)到了4 500 V/3 000 A。日本于1991年11月統(tǒng)計(jì)公布的所有日本交流變頻調(diào)速車(chē)的主要參數(shù)基本上都是采用由日立、東芝、三菱電機(jī)、富士電機(jī)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(guó)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(tǒng)的新型三點(diǎn)式逆變器，在德國(guó)和日本則已有應(yīng)用。1993年德國(guó)就已經(jīng)有成千臺(tái)用此方案構(gòu)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(qū)動(dòng)，其開(kāi)關(guān)頻率高，抗干擾和貫穿短路保護(hù)能力強(qiáng)，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(jí)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(gòu)成的變壓變頻裝置和微機(jī)技術(shù)在機(jī)車(chē)車(chē)輛上的應(yīng)用已取得了很大的進(jìn)展。

4 變頻技術(shù)在我國(guó)城市交通車(chē)輛上的應(yīng)用根據(jù)有關(guān)資料報(bào)導(dǎo)，廣州本田公司已用200臺(tái)變頻電車(chē)取代了152 臺(tái)電阻式控制的舊電車(chē)和48臺(tái)斬波控制電車(chē)。在實(shí)際的營(yíng)運(yùn)路線(xiàn)上，分別對(duì)各種電車(chē)進(jìn)行了耗電測(cè)定，其測(cè)量結(jié)果如表1所列。

測(cè)量結(jié)果表明，新型車(chē)耗電量為電阻式控制車(chē)的72.6%。根據(jù)他們對(duì)200臺(tái)新型變頻車(chē)與200臺(tái)舊車(chē)一年的耗電量比較計(jì)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(jié)電效果十分明顯。因此，我國(guó)電子工業(yè)部在電子工業(yè)早在“九五”規(guī)劃中就將以變頻牽引裝置為代表的節(jié)能技術(shù)列為發(fā)展的重點(diǎn)。

我國(guó)于1996年研制成功了AC4000型交流牽引電力機(jī)車(chē)。目前DC 750 V系統(tǒng)下的地鐵車(chē)輛每臺(tái)牽引電機(jī)功率為90~160 kW，因此采用600～1 000 A/1 200V IBGT構(gòu)成的三點(diǎn)式逆變器牽引系統(tǒng)，已能達(dá)到所需的容量。我國(guó)原來(lái)規(guī)劃的廣州地鐵和上海地鐵準(zhǔn)備用直流斬波調(diào)速車(chē)，后考慮到與國(guó)際先進(jìn)水平、節(jié)約能源及經(jīng)濟(jì)合理性等因素，最終確定了選擇三相交流異步牽引機(jī)變頻調(diào)速的傳動(dòng)方案。

5 結(jié)語(yǔ)

我國(guó)地鐵車(chē)輛電力牽引系統(tǒng)從變阻調(diào)速到斬波器調(diào)速，進(jìn)而發(fā)展到使用三相異步電動(dòng)機(jī)的變頻牽引技術(shù)。在DC 750 V系統(tǒng)下運(yùn)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(gòu)成三點(diǎn)式逆變器，實(shí)現(xiàn)地鐵車(chē)輛交流傳動(dòng)方案，造價(jià)也不貴，而且對(duì)于城市軌道交通DC 750 V系統(tǒng)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(shè)備，我國(guó)已完全能夠自已設(shè)計(jì)和制造，從而使我國(guó)鐵路機(jī)車(chē)工業(yè)跨入了研制發(fā)展綠色交通車(chē)輛的國(guó)際先進(jìn)行列。

近年來(lái)，變頻器產(chǎn)品已在國(guó)際、國(guó)內(nèi)工業(yè)生產(chǎn)和國(guó)計(jì)民生中得到了廣泛的應(yīng)用。低壓電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速產(chǎn)品目前應(yīng)用已非常普及和成熟，高壓電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速也在被人們關(guān)注和逐漸應(yīng)用。交流變頻器已成為對(duì)工業(yè)生產(chǎn)進(jìn)行技術(shù)改造和對(duì)產(chǎn)品、設(shè)備更新?lián)Q代的理想調(diào)速裝置。