張小龍

[摘要]隨著電力電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)的迅速發(fā)展，電氣傳動(dòng)技術(shù)面臨著一場(chǎng)歷史革命，即交流調(diào)速取代直流調(diào)速和計(jì)算機(jī)數(shù)字控制技術(shù)取代模擬控制技術(shù)已成為發(fā)展趨勢(shì)。交流電機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)是當(dāng)今節(jié)電、改善工藝流程以提高產(chǎn)品質(zhì)量和改善環(huán)境、推動(dòng)技術(shù)進(jìn)步的一種主要手段。變頻調(diào)速以其有益的調(diào)速和起制動(dòng)性能、高效率、高功率因數(shù)的節(jié)電效果、適用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，而被國(guó)內(nèi)外公認(rèn)為最有發(fā)展前途的調(diào)速方式。本文對(duì)變頻調(diào)速技術(shù)在國(guó)內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行對(duì)比分析，并對(duì)其應(yīng)用進(jìn)行了闡述。

[關(guān)鍵詞]變頻器：控制技術(shù)：應(yīng)用

[中圖分類號(hào)]TN773 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A [文章編號(hào)]1672-5158（2013）06-0230-01

1 變頻調(diào)速技術(shù)的現(xiàn)狀

電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)通常由電動(dòng)機(jī)、控制裝置和信息裝置三部分組成。電氣傳動(dòng)可分為調(diào)速和不調(diào)速兩大類，調(diào)速又分為交流調(diào)速和直流調(diào)速兩種方式。不調(diào)速電動(dòng)機(jī)直接由電網(wǎng)供電。但是，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，原本不調(diào)速的機(jī)械越來越多地改用調(diào)速傳動(dòng)以節(jié)約電能，改善產(chǎn)品質(zhì)量，提高產(chǎn)量。以我國(guó)為例，60%的發(fā)電量是通過電動(dòng)機(jī)消耗的。因此，調(diào)速傳動(dòng)有著巨大的節(jié)能潛力，變頻調(diào)速是交流調(diào)速的基礎(chǔ)和主干內(nèi)容，變頻調(diào)速技術(shù)的出現(xiàn)使頻率變?yōu)榭梢猿浞掷玫馁Y源。近年來。變頻調(diào)速技術(shù)已成為交流調(diào)速中最活躍、發(fā)展最快的技術(shù)。

（1）國(guó)外現(xiàn)狀

采用變頻的方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制，大約已有40年的歷史，但變頻調(diào)速技術(shù)的高速發(fā)展，則是近十年的事情，主要是由下面幾個(gè)因素決定：

①市場(chǎng)有大量需求

②功率器件發(fā)展迅速

③控制理論和微電子技術(shù)的支持

（2）國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀

從整體上看我國(guó)電氣傳動(dòng)系統(tǒng)制造技術(shù)水平較國(guó)際先進(jìn)水平差距10-15年。在大功率交交，無換向器電動(dòng)機(jī)等變頻技術(shù)方面，國(guó)內(nèi)只有少數(shù)科研單位有能力制造，但在數(shù)字化及系統(tǒng)可靠性方面與國(guó)外還有相當(dāng)差距。而這方面產(chǎn)品在諸如抽水蓄能電站機(jī)組啟動(dòng)及運(yùn)行、大容量風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)和軋機(jī)傳動(dòng)、礦井卷?yè)P(yáng)機(jī)方面有很大需求。在中小頻率技術(shù)方面，國(guó)內(nèi)學(xué)者做了大量變頻理論的基礎(chǔ)研究。早在80年代，已成功引入矢量控制的理論，針對(duì)交流電機(jī)具有多變量、強(qiáng)耦合、非線性的特點(diǎn)，采用了線性解耦和非線性解耦的方法，探討交流電機(jī)變頻調(diào)速的控制策略。進(jìn)入90年代，隨著高性能單片機(jī)和數(shù)字信號(hào)處理器的使用，國(guó)內(nèi)學(xué)者緊跟國(guó)外最新控制策略，針對(duì)交流電機(jī)感應(yīng)特點(diǎn)，采用高次諧波注入SPWM和空間磁通矢量PWM等方法，控制算法采用模糊控制，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論對(duì)感應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)子電阻、磁鏈和轉(zhuǎn)矩進(jìn)行在線觀測(cè)，在實(shí)現(xiàn)無速度傳感器交流變頻調(diào)速系統(tǒng)的研究上作了有益的基礎(chǔ)研究。在新型電力電子器件應(yīng)用方面，由于GTR，GTO，IGBT，IPM等全控制器件的使用，使得中小功率的變流主電路大大簡(jiǎn)化，大功率SCR，GTO，IG-BT，IGCT等器件的并聯(lián)、串聯(lián)技術(shù)應(yīng)用，使高電壓、大電流變頻器產(chǎn)品的生產(chǎn)及應(yīng)用成為現(xiàn)實(shí)。在控制器件方面，實(shí)現(xiàn)了從16位單片機(jī)到32位DSP的應(yīng)用。國(guó)內(nèi)學(xué)者一直致力于變頻調(diào)速新型控制策略的研究，但由于半導(dǎo)體功率器件和DSP等器件依賴進(jìn)口，使得變頻器的制造成本較高，無法形成產(chǎn)業(yè)化，與國(guó)外的知名品牌相抗衡。國(guó)內(nèi)幾乎所有的產(chǎn)品都是普通的V/f控制，僅有少量的樣機(jī)采用矢量控制，品種與質(zhì)量還不能滿足市場(chǎng)需要，每年需大量進(jìn)口高興能的變頻器。

因此，國(guó)內(nèi)交流變頻調(diào)速技術(shù)產(chǎn)業(yè)狀況表現(xiàn)如下：（1）變頻器控制策略的基礎(chǔ)研究與國(guó)外差距不大。（2）變頻器的整機(jī)技術(shù)落后，國(guó)內(nèi)雖有很多單位投入了一定的人力、物力，但由于力量分散，并沒形成一定的技術(shù)和生產(chǎn)規(guī)模。（3）變頻器產(chǎn)品所用半導(dǎo)體功率器件的制造業(yè)幾乎是空白。（4）相關(guān)配套產(chǎn)業(yè)及行業(yè)落后。（5）產(chǎn)銷量少，可靠性及工藝水平不高。

2 變頻調(diào)速技術(shù)未來發(fā)展的方向

變頻調(diào)速技術(shù)主要向著兩個(gè)方向發(fā)展：一是實(shí)現(xiàn)高功率因數(shù)、高效率、無諧波干擾，研制具有良好電磁兼容性能的“綠色電器”；二是向變頻器應(yīng)用的深度和廣度發(fā)展。隨著變頻器應(yīng)用領(lǐng)域深度和廣度的不斷開拓，變頻調(diào)速技術(shù)將越來越清楚地展示它在一個(gè)國(guó)家國(guó)民經(jīng)濟(jì)中的重要性?？梢灶A(yù)料，現(xiàn)代控制理論和人工智能技術(shù)在變頻調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用和推廣，將賦予它更強(qiáng)的生命力和更高的技術(shù)含量。其發(fā)展方向具有如下幾項(xiàng)：（1）實(shí)現(xiàn)高水平的控制；（2）開發(fā)清潔電能的變頻器；（3）縮小裝置的尺寸；（4）高速度的數(shù)字控制；（5）模擬與計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）技術(shù)。

3 變頻調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用

縱觀我國(guó)變頻調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用，總的說來走的是一個(gè)由試驗(yàn)到實(shí)用，由零星到大范圍，由輔助系統(tǒng)到生產(chǎn)裝置，由單純考慮節(jié)能到全面改善工藝水平，由手動(dòng)控制到自動(dòng)控制，由低壓中小容量到高壓大容量，一句話，由低級(jí)到高級(jí)的過程。我國(guó)是一個(gè)能耗大國(guó)，60%的發(fā)電量被電動(dòng)機(jī)消耗掉，據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計(jì)，我國(guó)大約有風(fēng)機(jī)、水泵、空氣壓縮機(jī)4200萬臺(tái)，裝機(jī)容量約1.1億萬千瓦，然而實(shí)際工作效率只有40%-60%，損耗電能占總發(fā)電量的40%，已有經(jīng)驗(yàn)表明，應(yīng)用變頻調(diào)速技術(shù)，節(jié)電率一般可達(dá)10%-30%，有的甚至高達(dá)40%，節(jié)能潛力巨大。

有關(guān)資料表明，我國(guó)火力發(fā)電廠有八種泵與風(fēng)機(jī)配套電動(dòng)機(jī)的總?cè)萘繛?2829MW，年總用電量為450.2億千瓦小時(shí)。還有總?cè)萘考s為3913MW的泵與風(fēng)機(jī)需要進(jìn)行節(jié)能改造，完成改造后，估計(jì)年節(jié)電量可達(dá)25.69億千瓦小時(shí)；冶金企業(yè)也是我國(guó)的能耗大戶，單位產(chǎn)品能耗高出日本3倍，法國(guó)4.9倍，印度1.9倍，冶金企業(yè)使用的風(fēng)機(jī)泵類非常多，實(shí)施變頻改造，不僅可以大幅度節(jié)約電能，還可改善產(chǎn)品質(zhì)量。

我國(guó)變頻調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用已取得顯著成績(jī)，主要表現(xiàn)在下面二個(gè)方面：

（1）變頻調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用范圍已發(fā)展到新階段，以石油、石化、冶金、機(jī)械等行業(yè)為例，都經(jīng)過了單系統(tǒng)試用、大量使用和整套裝置系統(tǒng)使用3個(gè)發(fā)展階段。如廣東茂名石化公司和九江石油化工廠現(xiàn)已發(fā)展到引用常減壓和催裂化變頻裝置，取得了節(jié)能、增產(chǎn)的顯著效果。

（2）變頻調(diào)速技術(shù)已成為節(jié)約能源及提高產(chǎn)品質(zhì)量的有效措施，很多用戶實(shí)踐結(jié)果證明，節(jié)電率一般在10%30%，有的高達(dá)40%，更重要的是生產(chǎn)中一些技術(shù)難點(diǎn)也得到解決。例如包鋼1150軋機(jī)采用變頻裝置后，年平均事故時(shí)間達(dá)到工作時(shí)間的0.1%以下，大幅度提高了產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量，且年節(jié)約電費(fèi)約50萬元。

4 結(jié)束語

變頻調(diào)速技術(shù)作為高新技術(shù)、基礎(chǔ)技術(shù)、節(jié)能技術(shù)，已經(jīng)滲透經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域的所有技術(shù)部門中。今后我國(guó)在變頻調(diào)速技術(shù)方面應(yīng)積極作好如下工作。

（1）應(yīng)用變頻調(diào)速技術(shù)來改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，節(jié)約能源及提高產(chǎn)品質(zhì)量，獲得較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

（2）大力發(fā)展變頻調(diào)速技術(shù)，必須把我國(guó)變頻調(diào)速技術(shù)提高到一個(gè)新水平，縮小與世界先進(jìn)水平的差距，提高自主開發(fā)能力，滿足重點(diǎn)工程建設(shè)和市場(chǎng)的需求。

（3）規(guī)范我國(guó)變頻調(diào)速技術(shù)方面的標(biāo)準(zhǔn)，提高產(chǎn)品可靠性工藝水平，實(shí)現(xiàn)規(guī)模化、標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)。

參考文獻(xiàn)

[1]王樹，交流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用，北京機(jī)械工業(yè)出版社，2005