淺談交流變頻調速在客運索道上的應用

隨著交流變頻器技術的越來越成熟并精進，與傳統的交流變壓、變極調速和可控硅（晶閘管）直流調速系統相比較而言，交流變頻調速的優越性亦日益被廣大用戶認可和接受，因而在各行各業中得到廣泛應用。尤其在我國各大景區的大型客運索道，三相交流變頻調速已廣泛替代其他調速系統而作為主要電力驅動系統的首選。

一、交流變頻器組成電路分析

首先，我們來認識一下何謂交流變頻器。所謂交流變頻器就是應用現代電力電子、微電子技術，通過整流、逆變等手段，從而改變交流電機工作電源頻率，以達到調整電機轉速的電力控制設備。交流變頻器主要由整流電路、緩沖電路、濾波電路、逆變電路等組成（見圖1）。

根據上圖，下面就交流變頻器各組成電路一一作簡單介紹。

①整流電路。所謂整流電路就是將電網交流電（市電）經過電力電子電路整流后得到直流電，主要由橋式整流電路組成。對三相交流電而言，經整流后，其輸出的直流電壓理論值為*U=*400≈567V;而對于單相交流電而言，經整流后，其輸出的直流電壓理論值為*U=*220≈310V。

②緩沖電路。主要是為了保護整流橋不被損壞而設置的電路。由電解電容的工作原理可知，變頻器在受電瞬間，電容器的兩端電壓不會突變，而電容器兩端的電流會突變，此時電容器兩端相當于短路，電容器將承受瞬間沖擊電流。若沒有緩沖電路（充電電阻），整流橋會因為瞬間沖擊電流過大而損壞。

③濾波電路。一般電解電容器的耐壓值為400V，而三相交流電，經全橋整流后，其直流電壓理論值約為567V。考慮到電容器的耐壓因素，因此濾波電容器只能由兩級電解電容串聯而成。由于兩級電解電容的容量不可能絕對相同，串聯之后兩級電解電容上的電壓分配很難達到絕對的均衡，這樣會致使兩個電解電容器所受的電壓不相等，從而導致它們的使用壽命不一樣。我們通過在兩個電解電容的兩端分別并聯阻值相同的均壓電阻，便很好地解決了這個問題。

④逆變電路。所謂逆變電路就是將直流電（直流母線）轉換成交流電的電力電子電路。在逆變橋里由多個IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor即絕緣柵雙極型晶體管芯片與FWD二極管芯片，通過特定的電路橋接封裝而成的模塊化半導體產品）組成。每個IGBT里都集成一個續流二極管，其作用是為電機的定子繞組反饋能量（電機處于發電狀態）提供回路。當電機處于發電狀態時，其電能可通過續流二極管流向直流回路，對電解電容進行充電。

二、變頻器的功能

變頻器主要有軟啟動、調速和節能三項功能，下面對三項功能作逐一簡述。

1.軟啟動功能

由電機啟動過程與電流沖擊曲線圖（見圖2）可知，若將交流電動機不通過其他設備接入電網進行直接啟動，其啟動電流值將達到電機額定電流值的4-7倍。尤其直接啟動大功率電機的情況下，由于瞬間電機啟動電流過大，將會導致電網末端電壓值突然下降，從而影響電網末端其他用電設備的正常運行，這是供電管理部門所堅決不允許的。

如果通過接入交流變頻器對電機進行軟啟動，其啟動電流值一般為電機額定電流值的1.2-1.5倍（見圖2），這樣很大程度抑制了電機的啟動電流值，從而有效降低了啟動沖擊電流對電網末端電壓值的影響，不會導致電網末端電壓大幅波動，幾乎不影響其他用電設備的正常運行。

2.調速功能

2.1傳統的變極調速

根據三相異步電動機同步轉速公式no （式中no為電機同步轉速、f為電源頻率、p為電機磁極對數）可知，通過改變電機定子繞組的磁極對數，就能改變它的同步轉速，從而改變轉子轉速。通過繞組的不同組合連接方式，一般可得到兩對極、三對極、四對極速度。顯而易見，其調速范圍較窄且受限（見下表1）。

2.2變頻調速

根據三相異步電動機轉速公式（式中：n為電機轉速、f為電源頻率、s為電機轉差率、p為電機磁極對數），可知電機轉速n與工作電源輸入頻率f成正比例關系。

觀察上式，不難發現通過改變電機工作電源頻率f可以達到改變電機轉速n的目的（見圖3：變頻器頻率與電機轉速的關系曲線）。從圖3曲線可以發現，利用交流變頻器改變電機電源頻率，從而調整電機轉速，其調速平滑便利，且調速范圍廣。

3.節電功能

客運索道負載產生的阻力（驅動輪與鋼絲繩間的摩擦力）大致與電機轉速n2成正比，驅動所需的功率大致與電機轉速n3成正比。

在我國的各大風景名勝區，尤其是山岳型景區，基本存在旅游淡旺季之分的共性，也就是說根據旅游淡旺季的不同，旅游人次存在很大的區別。當旅游景區處在旺季的時段，乘坐客運索道的游客多，索道可在滿載全速工況下運行;當景區進入旅游淡季，乘坐索道的客人銳減時，客運索道無需在全速的工況下運行，我們可以利用變頻器調速的方式來降低索道運行速度，可以大幅度地節約電能。下表是此類負載節電理論依據（附表2）。

通過上表的數據，可以明顯地看出，當景區游客不多的情況下，客運索道無需在額定轉速下運行時，利用變頻器降低索道運行速度可以節約大量電能。尤其是索道在半載半速工況下運行，節電率可達87.5%，這樣索道在在乘客非高峰期，通過減速運行，可以減少大量能耗，有效降低年運行費用。

三、交流變頻器技術的發展趨勢

隨著科技不斷進步，電力電子器件的基片材料已從過去的Si（硅）更新為如今的SiC（碳化硅），由于基礎材料的改變，使得電力電子新器件具有以下優點：一是耐高壓、耐高溫、低功耗;二是能制造出體積小、容量大的驅動裝置;三是永久勵磁電動機以其功能獨特性，正在推廣和應用之中。隨著信息技術的迅猛進步并普及，以及人類對相關科技瓶頸地不斷突破，使得交流變頻器技術也得到了前所未有的提升，未來主要朝以下幾個方向發展。

1.專門化

變頻器向專門化方向發展，就是使變頻器在某個行業領域的性能更強，如起重機械專用變頻器、電梯專用變頻器、張力控制專用變頻器（客運架空索道行業使用的就是這款變頻器）等。

2.一體化

變頻器向一體化發展，就是將變頻器與電動機進行一體化裝配，這樣可以使組件總成的體積更小，控制更方便。

3.網絡智能化

變頻器向智能化方向發展，就是可以實現以下三項功能。一是在利用互聯網的情況下，可以實現多臺變頻器聯動;二是根據用戶需要，變頻器買來就可以用，不需要進行很多復雜的具體設定;三是其可以自行診斷出現的故障，同時可以實現遙控診斷以及零部件自動置換功能。

四、客運索道變頻調速的發展方向

當前，客運索道行業的拖動系統正推廣使用直接驅動器，所謂直接驅動器就是一種無需附加減速機（齒輪箱）便能驅動索道裝置的驅動系統（電機轉速低，只有幾十轉/分鐘）。整個驅動系統包含一個或多個獨立的電機環。每個電機環均為一個獨立的永久勵磁同步電機（每個電機環的功率為315KW），若想得到更大的驅動功率，可以將多個電機環進行拼裝。該驅動電機的冷卻方式為強迫水循環冷卻，散熱好，運行噪音低。這樣每個電機環都有一套與之匹配的交流調速系統，來控制電機的轉速。即使某一環電機或與之匹配的交流變頻調速器故障，切除該環電機工作，不影響整機運行，索道可以在減速減載的工況下運行。該項技術的應用，省去了傳統驅動系統中的減速機（齒輪箱）環節，降低了機械損耗，使得驅動效率大為提高，減少了維護設備的工作量，有效節約了企業的年運行成本，同時很大程度提高了索道安全運行的保障率。

作者簡介：鐘華明，安徽省廬江人，1972年11月1日，男，研究方向：技術安全管理，大學本科，工程師。