交流變頻調速技術及其發展

　　摘 要： 本文作者闡述了交流變頻調速技術的原理、特點，以及變頻器的組成結構，并結合目前的變頻調速技術的特點介紹了交流變頻調速技術的發展方向。
　　關鍵詞： 交流變頻調速技術 原理 特點 發展方向
　　
　　1.引言
　　以直流電動機為拖動動力源，且以電動機轉速為控制目標的電力拖動自動控制系統稱為“直流調速系統”；以交流電動機為拖動動力源、以電動機轉速為控制目標的電力拖動自動控制系統稱為“交流調速系統”。20世紀60年代以前的調速系統以直流機組為主，20世紀60年代開始由晶閘管構成的直流V—M系統逐步取代了直流機組。20世紀70年代中期全世界范圍內出現的能源危機迫使各國投入了大量的人力財力來研究交流調速系統，交流調速技術得到了快速的發展。20世紀80年代隨著以IGBT為代表的新型電力電子器件的發明和不斷完善，以及以矢量控制為代表的各種交流調速控制理論的深入發展，加上計算機（單片機、數字信號處理器DSP）控制技術迅速發展的配合，使交流調速系統在性能上開始可以與直流調速系統相媲美。之后，交流調速系統在調速領域中的比重逐步加大，目前已經成為調速系統的主流。在交流調速技術中，變頻調速具有絕對優勢，并且它的調速性能與可靠性不斷完善，價格不斷降低，特別是變頻調速節電效果明顯，而且易于實現過程自動化，深受工業用戶的青睞。
　　2.交流變頻調速的原理
　　異步電機的轉速N可以表示為：
　　N=60（f/p）×（1-s）=n2-△n1
　　式中，n2是同步轉速，△n1是轉差損失的轉速，p是磁極對數，s是轉差率，f是電源的頻率。所以，改變電源頻率就可以改變同步轉速和電機轉速。
　　交流異步電動機的轉速是與電源的頻率和電壓等有關，只要改變電源的頻率或電壓，就能改變電動機的轉速。要實現交流變頻調速，可將單相（或三相）交流電整流濾波成直流電，再把直流電接人大功率驅動模塊（IGPT）逆變成交流電，再按交流電動機繞組的運行規律去改變功率模塊的導通時間和相位，就能產生一種三相變頻電（其波形為脈沖寬度不同的矩形波），并使模塊輸出的矩形波中的調制波按正弦規律變化（這種方式為脈沖寬度調制PWM），也就是使驅動電動機的電流為正弦波，這就是常見的VVVF變頻電壓型變頻器。
　　實現變頻調速的裝置可稱為變頻器。其由整流電路、直流中間電路、逆變電路和控制電路組成。如圖1：
　　2.1整流電路。一般的三相變頻器的整流電路由三相全波整流橋組成，它的主要作用是對工頻的外部電源進行整流，并給逆變電路和控制電路提供所需要的直流電源。
　　2.2直流中間電路。直流中間電路是對整流電路輸出進行平滑，以保證逆變電路和控制電源能夠得到質量較高的直流電源。
　　2.3逆變電路。它是變頻器最主要的部分之一，其作用是在控制電路的控制下將平滑電路輸出的直流電源轉換為頻率和電壓都任意可調的交流電源。
　　2.4控制電路。控制電路包括主控制電路、信號檢測電路、門極驅動電路、外部接口電路和保護電路等。其作用是將檢測電路得到的各種信號送至運算電路，使運算電路能夠根據要求為變頻器主電路提供必要的門極驅動信號，并對變頻器及異步電動機提供必要的保護；同時通過A/D、D/A等外部接口電路接收/發送多種形式的外部信號和給出系統內部工作狀態，以便使變頻器能夠和外部設備配合進行各種高性能控制，以便使變頻器能夠和外部設備配合進行各種高性能控制。
　　3.交流變頻調速的特點
　　3.1調速時平滑性好，效率高。低速時，特性靜差率較高，相對穩定性好。
　　3.2調速范圍較大，精度高。
　　3.3啟動電流低，對系統及電網無沖擊，節電效果明顯。
　　3.4變頻器體移，便于安裝、調試、維修簡便。
　　3.5易于實現過程自動化。
　　3.6必須有專用的變頻電源，目前造價較高。
　　3.7在恒轉矩調速時，低速段電動機的過載能力大為降低。
　　雖然變頻調速有諸多優點，可達到與直流變頻調速器同樣高的精度，且由于交流異步電動機的普及性和可靠性、交流變頻調速的歷史較長（以有十多年）等原因發展迅速，技術和工藝日臻成熟，但也有其不利因素，主要問題是電流中含高次諧波較多，除對電網有污染外，也使電機自身增加損耗，引起電機發熱。再有，變頻器價格貴，投資回收期長，技術復雜，尤其在實現閉環自動控制時，還需進行技術處理。此外，不是任何情況下變頻器都節電，如果電機負載變化不大，或深井泵配有水塔，節電、節水效果都不大，就不宜使用變頻調速。
　　4.交流變頻調速技術的發展方向
　　4.1交流變頻向直流變頻方向轉化。直流變頻是以數字轉換電路代替交流變頻中的交流轉換電路，使負載電機始終處于最佳運行狀態。它拋棄了交流變頻技術的交流—直流—交流—變轉速方式交流電機的循環工作方式，采用先進的交流直流—變轉速方式數字電機的控制技術，無逆變環節，因而減少電流在工作中轉變次數，使電能轉化效率大大提高，能夠實現精確控制，平穩安靜高效地運轉。同時，避免了交流變頻電機電磁噪聲較大的缺點，使噪聲更低。
　　4.2控制技術有PWM（脈寬調制）向PAM（脈幅調制）方向發展。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/min。采用PAM控制的壓縮機轉速可提高1.5倍左右，這樣可大大提高快速制冷和制熱能力。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，PAM在抗干擾方面也有著PWM無法比的優勢，可仰止高次諧波的生成，減少對電網的污染。
　　4.3功率器件向高集成智能功率模塊發展。雖然單個功率器件的效率越來越高，控制簡化，但總電路的復雜性給生產和測試帶來不便。智能功率模塊（IPM）是將功率器件的配置、散熱乃至驅動問題在模塊中解決，因而易于使用，可靠性高。以變頻空調為例，我國的變頻空調幾乎都采用IPM方式。
　　近年來帶驅動和保護電路的智能功率模塊（IPM）相繼面市，IPM是將三相逆變IGBT、驅動電路及保護電路集成在一塊芯片上。它的出現推動了變頻家電市場的啟動和發展。新型IPM模塊甚至將開關電源也設計在模塊內，更加方便用戶使用，用戶只需要了解接口電路和定義，很快可以組成運行系統。
　　5.結語
　　交流變頻調速是異步電動機最有發展前途的調速方法。隨著電力電子技術的不斷發展，性能可靠、匹配完善、價格便宜的變頻器會不斷出現，這一技術會得到更為廣泛、普遍的應用。變頻調速技術作為高新技術、基礎技術和節能技術，已滲透到經濟領域的所有技術部門中。目前，國外先進國家的變頻技術正向小型化、高可靠性、抗公害、多功能、高性能等方向發展，我國也在加快發展步伐，并且在交流變頻調速技術的應用上取得了很好的成果，經濟效益顯著。
　　
　　參考文獻：
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　　注：“本文中所涉及到的圖表、公式、注解等請以PDF格式閱讀”