變頻技術的發展及其應用

發布日期：2016-08-04 作者：電源模塊廠家點擊：

電源模塊廠家在工業生產及國計民生中電機的使用十分廣泛，電機的傳動體例一樣平常分為直流電機傳動及交流電機傳動。曩昔因為交流電機實現調速較困難或某些調速體例低效不夠理想，因而長期以來在調速領域大多采用直流電機，而交流電動機的好處在調速領域中未能得到發揮。交流電動機的調速體例一樣平常有以下三種。

1)變極調速是通過改變電動機定子繞組的接線體例以改變電機極數實現調速，這種調速方法是有級調速，不能平滑調速，而且只適用于鼠籠電動機。

2)改變電機轉差率調速其中有通過改變電機轉子回路的電阻進行調速，此種調速體例服從不高，且不經濟。其次是采用滑差調速電機進行調速，調速范圍寬且能平滑調速，但這種調速裝配結構復雜(一樣平常由異步電機、滑差離合器和控制裝配三部分組成)，滑差調速電機是在主電機轉速恒定不變的情況下調節勵磁實現調速的，即便輸出轉速很低，而主電機仍運行在額定轉速明星經紀公司，因此耗電較多河北人事考試信息網，另外勵磁和滑差部分也有用率題目和消費題目。較好的轉差率調速體例是串級調速。

3)變頻調速通過改變電機定子的供電頻率，以改變電機的同步轉速達到調速的目的，其調速性能優勝，調速范圍寬，能實現無級調速。

目前我國生產現場所使用的交流電動機大多為非調速型，其耗能十分驚人。如采用變頻調速，則可節約大量能源。這對進步經濟效益具有十分緊張的意義。

1 變頻調速技術的發展

上世紀50 年代末，因為晶閘管(SCR)的研究成功，電力電子器件開始運用于工業生產，可控整流直流調速便成了調速體系中的主力軍。但因為直流電機結構復雜，造價比交流電機高，直流電動機在運行中，炭刷接觸產生炭粉而易引起環火，須經常維護，而且直流調速體系線路復雜，維修十分未便。因而便促進了世界各國對交流調速技術的開發和研制。

20 世紀80年代中期，隨著第三代電力電子器件，如門極可關斷晶閘管(GTO)、大功率晶體管(GTR)、絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)等全控型電力電子器件的研制成功，以及電力電子器件從電流驅動型到電壓驅動型全控器件等的發展，日本等國已先后研制開發出了功率等級不同的把控制、驅動、檢測、珍愛及功率輸出集于一體的變頻調速產品，如圖1所示。從而使交流變頻調速的關鍵裝配———逆變器性能精良，主電路簡單，驅動方便，工作可靠。同時隨著控制理論、微電子技術和計算機技術的發展，使交流電機變頻調速技術取得了突破性進展，并以其優勝的調速性能和優秀的節能結果漸漸庖代了直流調速體系和其他的調速體例，如變極調速、串級調速、滑差電機調速、整流子電機調速等。

隨著全球能源短缺趨勢的加劇以及交流變頻技術及變頻器產品的性能和功能日趨完美，使其越來越廣泛地應用在工業生產的各個領域中。據有關資料介紹，1994 年日本生產100 kW 以下的中小功變頻器已達100萬臺。除日本外，歐美等發達國家目前已形成了較完備的變頻器技術產業系統。

2 變頻調速技術的原理及特點

1)變頻調速技術的原理是把工頻50 Hz 的交流電轉換成三相頻率和電壓可調的交流電，通過改變交流電動機定子繞組的供電頻率，在改變頻率的同時也改變電壓，從而達到調節電動機轉速的目的(即 VVVF技術)。目前的變頻器體系還采用微機控制技術，它可根據電動機負載的轉變實現主動、平滑地增速或減速。

2)交流變頻調速體系一樣平常由三相交流異步電動機、變頻器及控制器組成，它與直流調速體系相比具有以下明顯好處：

(1)異步電動機比直流電動機結構簡單，重量輕，價格低，它沒有換向器，運行可靠;

(2)控制電路比直流調速體系簡單，易于維護;

(3)變頻調速體系調速范圍寬，能平滑調速，其調速靜態精度及動態品質好，而且節能明顯，是目前世界公認的交流電動機的理想、有前途的調速技術，因而獲得了廣泛的應用。

3 變頻牽引技術在國外的應用情況

隨著變頻技術的發展，使電力牽引體系有了很大的轉變，其牽引與調速體系由變阻調速發展到斬波器調速，進而發展到應用交流三相異步牽引電動機采用調壓變頻調速(VVVF)的牽引技術。目前世界上德、日等發達國家研制的地鐵和輕軌車輛幾乎悉數采用交流變頻調速牽引技術。

例如，根據有關資料報導的德國采用BR120型交流變頻牽引電力機車試驗的效果注解，這種性能的機車比直流牽引車輛具有以下明顯的好處：

1)在雷同粘重時牽引力進步30%;

2)功率因數高(cos漬可達到1)，電網行使率進步30%;

3)因為它采用電力電子器件庖代了有觸點元件，維修費可降低50%;

4)無故障運行超過40萬km;

5)節能明顯，采用GTO變頻器的交流電牽引裝配比雷同容量使用斬波調速的直流牽引裝配服從可進步6%～7%。

據有關資料報導，一輛5 600 kW 的機車每小時可節電392 kW，若按年運行3 000 h 計算，則每年節電可達117.6萬kW。

在交流牽引基本都是采用PWM(交- 直- 交)型GTO-VVVF逆變器(簡稱GTO 變頻器)和異步牽引電動機配套組成變頻牽引體系。

日本在1990年后生產的GTO 變頻器容量就達到了4 500 V/3 000 A。日本于1991年11月統計宣布的所有日本交流變頻調速車的重要參數基本上都是采用由日立、東芝、三菱電機、富士電機和東洋公司制造的GTO變頻器。東洋公司從1986年到1990年底止，就已為23種車型提供了GTO變頻器。

近年來，德、日等國家新研制的地鐵和輕軌列車，幾乎悉數采用交流變頻牽引技術;而用于交流牽引體系的新型三點式逆變器，在德國和日本則已有應用。 1993年德國就已經有成千臺用此方案構成的IGBT 三點式逆變器用于輕軌電車上。IGBT 器件與可關斷器件GTO 相比有較多好處。IGBT 為電壓驅動，其開關頻率高，抗干擾和貫穿短路珍愛能力強，損耗小，性能好及工作可靠，雖然IGBT耐壓不如GTO高，但采用新型的三點式電壓型逆變器，則可用耐電壓等級低一半的器件金王子駕駛室總成，而且還有用地削減了諧波電流，克制了電磁噪聲。因此，目前高壓大電流的GTO 和IGBT模塊構成的變壓變頻裝配和微機技術在機車車輛上的應用已取得了很大的進展。

4 變頻技術在我國城市交通車輛上的應用根據有關資料報導，北京本田公司已用200臺變頻電車庖代了152 臺電阻式控制的舊電車和48臺斬波控制電車。在現實的營運路線上，分別對各種電車進行了耗電測定，其測量效果如表1所列。

測量效果注解，新型車耗電量為電阻式控制車的72.6%。根據他們對200臺新型變頻車與200臺舊車一年的耗電量比較計算，新型車的耗電約削減 24%。由此可見采用變頻技術的車輛節電結果十分顯明。因此，我國電子工業部在電子工業早在“九五”規劃中就將以變頻牽引裝配為代表的節能技術列為發展的重點。

我國于1996年研制成功了AC4000型交流牽引電力機車。目前DC 750 V體系下的地鐵車輛每臺牽引電機功率為90~160 kW，因此采用600～1 000 A/1 200V IBGT構成的三點式逆變器牽引體系，已能達到所需的容量。我國原來規劃的北京地鐵和上海地鐵預備用直流斬波調速車，后考慮到與國際先輩水平、節約能源及經濟合理性等因素，確定了選擇三相交流異步牽引機變頻調速的傳動方案。

5 結語

我國地鐵車輛電力牽引體系從變阻調速到斬波器調速，進而發展到使用三相異步電動機的變頻牽引技術。在DC 750 V體系下運行的地鐵中，采用成熟的、批量生產的、價廉的耐壓1 200 V的IGBT器件構成三點式逆變器，實現地鐵車輛交流傳動方案，造價也不貴，而且對于城市軌道交通DC 750 V體系中地鐵或輕軌車輛上所采用的交流傳動所需的電氣設備百度優化排名，我國已完萬能夠自已設計和制造，從而使我國鐵路機車工業跨入了研制發展綠色交通車輛的先輩行列。

近年來，變頻器產品已在工業生產和國計民生中得到了廣泛的應用。低壓電動機變頻調速產品目前應用已特別很是普及和成熟，高壓電動機變頻調速也在被人們關注和漸漸應用。交流變頻器已成為對工業生產進行技術改造和對產品、設備更新換代的理想調速裝配。