變頻技術的應用與發展

郭 健

(長春汽車工業高等專科學校機電學院 吉林 長春 130011)

變頻技術的應用可分為兩大類：一種，是用于傳動調速；另一種，是用于各種靜止電源。而變頻器最為典型的應用是以各種機械的節能為目的。

1 變頻技術在電梯設備上的應用

電梯是一種垂直運輸工具，它在運行中不但具有動能，而且具有勢能。它經常處在正反轉、反復啟制動過程中。對于載重大、速度高的電梯來說，提高運行效率、節約電能是重點要解決的問題。如果均勻地改變定子供電電源的頻率，則可平滑地改變交流電動機的同步轉速。在調速時，為了保持電動機的最大轉矩不變，需要維持氣隙磁通恒定，這就要求定子電壓也隨之作相應調節，通常是保持U／f=常數。因此，要求向電動機供電的同時要兼有調壓與調頻兩種功能，通常簡稱VVVF型變頻器；用于電梯時常稱為VVVF型電梯，簡稱變頻電梯。

電梯動力來自電動機，一般選11kW或15kW的異步電動機。曳引機的作用有三點：一是調速，二是驅動曳引鋼絲繩，三是在電梯停車時實施制動。為了加大載重能力，鋼絲繩的一端是轎廂，另一端加裝了配重裝置，配重的重量隨電梯載重量的大小而變化。計算公式如下：配重的重量=(載重量／2十轎廂自重)×45%。公式中的45%是平衡系數，一般要求平衡系數在45%～50%之間。為滿足乘客的舒適感和平層精度，要求電動機在各種負載下都有良好的調速性能和難確停車性能。

圖1 電壓源變頻電梯電力傳動系統框圖

1.1 系統構成

主要有以下幾部分：

1.1.1 整流與再生部分。這部分的功能有兩個，一是，將電網三相正弦交流電壓整流成直流，向逆變部分提供直流電源；二是，在減速制動時，有效地控制傳動系統能量回饋給電網。

1.1.2 逆變器部分。逆變器部分同樣是由IGBT或IPM模塊組成，其作為無源逆變器，向交流電動機供電。

1.1.3 平波部分。在電壓源系統中，由電解電容器構成平波器。（如果是電流源，將由電感器組成。）

1.1.4 檢測部分。PG作為交流電機速度與位置傳感器，CT作為主回路交流電流檢測器，TP作為與三相交流電網同步的信號檢測，R為直流母線電壓檢測器。

1.2 工作原理

如圖所示，電壓反饋信號UF與交流電源同步信號US送入PWM1回路產生出符合電動機作為電動狀態運行的PWM1信號，控制正弦與再生部分中的開關器件，使之只作為二極管整流橋工作。當電動機減速或制動時便產生再生作用，功率開關器件在PWM1信號作用下進入再生狀態，電能回饋給交流電網。交流電抗器ACL主要是限制回饋到電網的再生電流，減少對電網的干擾，又能起到保護功率開關元件的作用。

1.3 系統特點

1.3.1 使用交流感應電動機結構簡單，制造容易，維護少，適于高速運行。

1.3.2 電力傳動效率高，節省電能。電梯屬于一種位勢負載，在運行時具有動能；因此在制動時，將其回饋電網具有很大意義。

1.3.3 結構緊湊，體積小，重量輕，占地面積大為減少。

圖2 高速超高速電梯變頻器控制方式構成圖

2 變頻技術在自動扶梯應用

2.1 自動扶梯變頻化的要點

一般由商用電源供電的自動扶梯是恒速運行的，從早到晚不管有無乘客均連續運行，因此，能量消耗大，皮帶磨損嚴重。而節電的變頻自動扶梯則在乘客的上和落口處設置專用的傳感器，當檢測出無乘客時，讓驅動電機從商用電源上斷開，使自動扶梯停止運動，達到節電的目的。

由于自動扶梯是公共場所運送乘客的主要設備，不能簡單的像貨物傳送帶一樣，任意地從商用電源接入、切出，若處理不當有可能造成設備和人身的事故。所以應注意以下幾個問題：

1）自動扶梯停止時，乘客可能會誤解自動扶梯發生故障，造成誤判斷；

2）電動機接入電源時，會產生大的起動沖擊電流；

3）對于升降兼用的自動扶梯，不斷的進行可逆切換，會損壞機械部件。

具體的做法是：自動扶梯進入變頻調速運行后，當無乘客時并非完全切除交流電源，而是先降頻低速節能運行。此外，應用變頻調速可以進行電機軟起動，起動效率高，小的起動電流能產生高轉矩。結果，使電動機發熱減低，且可進行頻繁的運轉、停止。對于可逆自動扶梯也可利用變頻器正反轉功能進行柔性切換，不會損傷電機。

2.2 對變頻器的要求

對變頻器的要求主要從安全性、舒適性和經濟性三個方面來考慮。

1）安全性：有完善的硬件及其保護功能，使可靠性提高。

2）舒適性：低速時產生了轉矩；低噪音；轉矩波動小。

3）經濟性：程序控制功能完善(不需再附加外部設備)。變頻器系統應含商用電源切換的部件。

3 變頻技術在機床設備上的應用

數控機床是由數字控制技術操縱的一切工作母機的總稱，是集現代機械制造技術、微電子技術、功率電子技術、通訊技術、控制技術、傳感技術、光電技術、液壓氣動技術等為一體的機電一體化產品，是兼有高精度、高效率、高柔性的高度自動化生產制造設備。

3.1 數控機床的電力驅動

這里從節電的角度來考慮數控機床的電氣拖動問題。

數控機床的電力驅動主要分為3種類型：

1）進給伺服驅動系統；

2）主軸驅動系統；

3）電機內裝式高速交流主軸驅動系統。

3.2 主軸變頻交流調速

使用通用型變頻器可以對標準電機直接變速傳動，所以除去離合器很容易實現主軸的無級調速。對于通常采用主軸直流調速的高級機種，引入主軸專用變頻器進行交流調速后，可以得到以下的效果：

1）由于有更高的主軸速度，可以實現對鋁等軟工件的高效率切削以及更高精度的最終切削；

2）由于不需要維護電刷，主軸電機的安裝位置可更自由地選擇；

3）由于采用全封閉式電機，適應環境性更好；

4）由于不需要勵磁線圈，更節省電能。

另外，對于通常采用離合器變速的車床，引入通用變頻器后，也可取得如下的效果：

1）簡化了動力傳遞機構；

2）能實現精細的恒線速控制；

3）不用對離合器進行維護；

4）容易實現高速恒功率運轉。

圖3 立式車床變頻調速框圖

對于自動車床，采用具有下列功能的變頻器可以縮短加工周期：

（1）可不經過停止狀態直接由正轉變反轉；

（2）變頻器輸出頻率為120Hz以上，可加快速度；

（3）備有相應于急劇減速的再生制動裝置，而且有制動功能，減速結束時不用機械閘就能完全停止；

（4）低速時速度變化率小，運行平滑。

3.3 磨床變頻調速

旋轉平面磨床變頻調速工作示意圖4。

圖4

使用效果有：

1）與以往方式(油壓電機方式)相比，對機械部件的熱影響降低，因而提高了工件的研磨精度；

2）與以往方式相比，速度跟蹤性能提高使線速度變化減小，降低了工件的表面粗糙度；

3）速度設定較以往方式更容易，操作簡便；

4）不需要油壓保養，機器運轉率提高。

變頻技術已深入我們生活的每個角落，變頻調速系統的控制方式包括V/F、矢量控制(VC)、直接轉矩控制(DTC)等。V/F控制主要應用在低成本、性能要求較低的場合;而矢量控制的引入，則開始了變頻調速系統在高性能場合的應用。隨著變頻技術的應用于發展和市場競爭的加劇，要掌握市場經濟的主導，必須注重研發技術，加大力度，在人力資源和資金要給予大力支持。開發具有自主產權特點鮮明的產品，不久后，我國在變頻技術方面，將會走在世界前列。

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