基于變頻調速大型電機的發展問題分析

鄭 巍

（貴州省節能監測中心，貴州 貴陽 550001）

1 概述

隨著自動控制、電力電子等技術的發展，大型電機變頻調速憑借著自身的啟動和調速等優勢，已成為各領域應用最廣的調速方式之一。近幾年來，大型電機變頻調速的高效性、經濟性、節能性等都取得了很大的進步。因此，分析大型電機變頻調速發展歷程及趨勢，掌握和探究大型電機變頻調速的相關知識，對于實現現代化大型電機變頻調速具有重大的意義。

2 變頻調速的原理及發展方向

簡單的說變頻調速的原理就是通過改變頻率和電壓來進行調速。交流電通過整流變成直流，直流通過晶閘管的頻繁關斷，使之形成的矩形波近似成交流正弦波。通過改變頻率進而控制速度變化，這就是交直交變頻。變頻調速的發展方向（1）交流變頻向直流變頻方向轉化；（2）控制技術由PWM（脈寬調制）向PAM（脈幅調制）方向發展；（3）功率器件向高集成智能功率模塊化發展。

3 大型電機調速系統的組成、技術難點以及傳統調速的不足（1）大型電機調速系統的組成。大型電機變頻調速系統組成分為調速控制系統（主要由控制電路、轉子整流電路、斬波電路、有源逆變電路等部分組成）、電力電子變頻器（主要是由晶閘管、門極換向晶閘管和絕緣柵雙極晶體管組成）、交流變頻裝置（主要有寬頻電壓傳感器、寬頻電流傳感器、寬頻功率分析儀等組成）。（2）大型電機調速系統的技術難點。大型電機調速控制系統的難點為協調熱連軋機的高精度和高動態的響應指標。大型電機變頻調速電力電子變頻器的技術難題則是電力電子變頻器產生的諧波和無功沖擊等。而大型電機變頻調速的阻尼繞組事故和其變頻理論的一些技術難點有待進行深入研究。（3）大型電機傳統調速的不足。大型電機傳統調速的不足主要有①大型電機傳統調速的效率低、溫升范圍大。②大型電機傳統調速所承受的絕緣強度要較低，尤其是在DTC控制模式下，對大型電機的絕緣強度是個很大的考驗。③大型電機傳統調速的噪音和電磁振動都比較大。④大型電機傳統調速在頻繁啟動、頻繁調速、頻繁制動的場合表現的都比較差。

4 基于變頻調速大型電機發展及優勢

長久以來,為能夠實現大型電機的無級調速、平滑調速、寬范圍調速以及低耗調速，人們先后采取了很多措施，例如，在調壓方面采取水銀整流器、閘流管等，在變頻裝置方面，采取輔助大型電機的串級裝置，但都沒達到理想結果。到20世紀70年代，由于微電子技術和大規模的集成電路的快速發展，才逐步研制出交流電機的調速裝置，其各方面性能較以前有很大的提高。現在的大型電機都成功采用交流調速系統，這也證實交流調速的時代來臨。

（1）基于變頻調速大型電機的中外合作發展。為了搶先占領市場,很多大型電機企業采取中外相互合作方式，聯合競標的方法。它帶來的好處①迅速提升大型電機變頻調速的技術水平，使產品盡快達到國外先進水平；②國內市場竟標獲勝的概率較高；③實現雙贏，國外進行投資監管，國內提供設計、制造方案，又由于國內的勞動力成本較低，這樣不僅滿足國外對高利潤的追逐，而且使國內的很多大型電機企業的變頻調速技術得到快速發展。（2）基于變頻調速大型電機的優勢隨著科技的可持續發展，大型電機的變頻調速不僅改善了系統運行過程的可靠性還提高了其經濟性。在大型電機變頻調速運行的過程中，通過對管道的流量和壓力的調節，既減少了對管道的沖擊力，也降低了閥門管道接口處發生泄漏。從而使整體運行過程的安全性和可靠性得到極大提高。大型電機的變頻調速時，在較低負荷狀態運轉，不僅降低了整個系統運行的噪音，還降低了能耗和污染，對環境優化起了積極作用。

5 新型大型電機變頻裝置的現代化

新型大型電機變頻裝置主要包括電動機部分、變頻部分、控制系統部分和測速裝置等。從成本價格來看交流調速的現代化和變頻部分有著密切關系。（1）新型大型電機變頻裝置的交-交變頻器。交-交變頻器又稱周期變流器,分為非循環電流式和循環電流式。在頻率調速的過程中是由交流到交流,沒有中間的直流環節，因此有變換頻率高、低頻波動小等優點。缺點是它的功率因數低、相應的元件多,在整個電力系統發生短路或接地故障時難以繼續工作。（2）新型大型電機變頻裝置的GTO變流器。新型大型電機變頻裝置的GTO(門極關斷晶閘管)變流器是指交-直-交,包括整流、逆變和控制直流電壓等。它有功率因數高、結構構造簡單、寬頻率變換等優點。新型大型電機變頻裝置的GTO變流器在低次諧波方面具有很大優勢,能夠很好地抑制諧波。對于大型電機最好是采用GTO-PWM傳動方式，這樣可以提高調速的響應速率和高軋制板材精度。（3）新型大型電機變頻裝置的IGBT變流器。新型大型電機變頻裝置的IGBT變流器由BJT(雙極型三極管)和MOS(絕緣柵型場效應管)組成的復合全控型電壓驅動式功率半導體器件, 兼有MOSFET的高輸入阻抗和GTR的低導通壓降兩方面的優點。它既可以通過自身消弧，還能實現了MOS化。當容量比較小時，采用PIM（工智能電力電子模塊)以便提高保護性能。

6 新型大型電機變頻調速的展望

新型大型電機變頻調速發展方向 ①盡量降低新型大型電機變頻調速運營成本；②提高新型大型電機變頻調速的元件性能；③使新型大型電機變頻調速控制部分智能化；④使大型電機變頻調速的變頻裝置更加清潔化 ⑤提高大型電機變頻調速的系統效率；⑥提高大型電機變頻調速的堵轉強度。

結語

通過對大型電機變頻調速發展問題的分析，證實了我國須重視大型電機變頻調速技術，不斷深入研發向現代化發展的大型電機變頻裝置，進一步改善大型電機變頻裝置的性能指標、降低資金成本、減小大型電機變頻裝置占地面積、優化大型電機變頻裝置節能性等方向發展。

[1]李智.大型變頻調速交流電機現代化[J].電氣技術，2004（12）：14-20.

[2]孫景力.大型交流調速電機的新發展[J].電工文摘，2009（03）：05-09.