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論交流變頻調速與直流調速_0

未知 2019-06-16 14:08

一:變頻器的發展

  直流電動機拖動和交流電動機拖動先后誕生與19世紀,距今已有100多年的歷史,并已成為動力機械的主要驅動裝置。但是,由于技術上的原因,在很長一段時期內,占整個電力拖動系統80%左右的不變速拖動系統中采用的是交流電動機(包括異步電動機和同步電動機),而在需要進行調速控制的拖動系統中則基本上采用的直流電動機。

  但是,眾所周知,由于結構上的原因,直流電動機存在以下缺點:

  (1) 需要定期更換電刷和換向器,維護保養困難,壽命較短;

  (2) 由于直流電動機存在換向火花,難以應用于存在易燃易爆氣體的惡劣環境;

  (3) 結構復雜,難以制造出大容量、高轉速和高電壓的直流電動機。

  而與直流電動機相比,交流電動機則具有以下優點:

  (1) 結構堅固,工作可靠,易于維修保養;

  (2) 不存在換向火花,可以應用于存在易燃易爆氣體的惡劣環境;

  (3) 容易制造出大容量、高轉速和高電壓的交流電動機。

  因此,很久以來,人們希望在許多場合下能夠用可調速的交流電動機來代替直流電動機,并在交流電動機的調速控制方面進行了大量的研究開發工作。但是,直至20世紀70年代,交流調速系統的研究開發方面一直未能得到真正能夠令人滿意的成果,也因此限制了交流調速系統的推廣應用。也正是因為這個原因,在工業生產中大量使用的諸如風機、水泵等需要進行調速控制的電力拖動系統中不得不采用擋板和閥門來調節風速和流量。這種做法不但增加了系統的復雜性,也造成了能源的浪費。

  經歷了20世紀70年代中期的第2次石油危機之后,人們充分認識到了節能工作的重要性,并進一步重視和加強了對交流調速技術的研究開發工作。隨著電力電子技術、微電子技術和控制理論的發展,電力半導體器件和微處理器的性能的不斷提高,變頻驅動技術也得到了顯著的發展。隨著各種復雜控制技術在變頻器技術中的應用,變頻器的性能不斷提高,而且應用范圍也越來越廣。目前變頻器不但在傳統的電力拖動系統中得到了廣泛的應用,而且幾乎已經擴展到了工業生產的所有領域,并且在空調、洗衣機、電冰箱等家電產品中也得到了廣泛應用。

  變頻器技術是一門綜合性的技術,它建立在控制技術、電力電子技術、微電子技術和計算機技術的基礎之上,并隨著這些基礎技術的發展而不斷得到發展。

二:變頻器調速控制系統的優勢

  與傳統的交流拖動系統相比,利用變頻器對交流電動機進行調速控制的交流拖動系統有許多優點,如節能,容易實現對現有電動機的調速控制,可以實現大范圍的高效連續調速控制,容易實現電動機的正反轉切換,可以進行高頻度的起停運轉,可以進行電氣制動,可以用一臺變頻器對多臺電動機進行調速控制,電源功率因數大,所需電源容量小,可以組成高性能的控制系統等等。下面介紹一下上面提到的變頻器調速控制系統的各種主要優點。

  在許多情況下,使用變頻器的目的是節能,尤其是對于在工業中大量使用的風扇、鼓風機和泵類負載來說,通過變頻器進行調速控制可以代替傳統上利用擋板和閥門進行的風量、流量和揚程的控制,所以節能效果非常明顯。

  因為以節能為目的的調速運轉對電動機的調速范圍和精度要求不高,所以通常采用在價格方面比較經濟的通用型變頻器。

  由于變頻器可以看作是一個頻率可調的交流電源,對于現有的進行恒速運轉的異步電動機來說,只需在電網電源和現有的電動機之間接入變頻器和相應設備,就可以利用變頻器實現調速控制,而無須對電動機和系統本身進行大的設備改造。

  在采用了變頻器的交流拖動系統中,異步電動機的調速控制是通過改變變頻器的輸出頻率實現的。因此,在進行調速控制時,可以通過控制變頻器的輸出頻率使電動機工作在轉差率較小的范圍,電動機的調速范圍較寬,并可以達到提高運行效率的目的。一般來說,通用型變頻器的調速范圍可以達到1:10以上,而高性能的矢量控制方式的變頻器的調速范圍可以達到1:1000。此外,當采用矢量控制方式的變頻器對異步電動機進行調速控制時,還可以直接控制電動機的輸出轉矩。因此,高性能的矢量控制變頻器與變頻器專用電動機的組合在控制性能方面可以達到和超過高精度直流伺服電動機的控制性能。

  利用普通的電網電源運行的交流拖動系統,為了實現電動機的正反轉切換,必須利用開閉器等裝置對電源進行換相切換。利用變頻器進行調速控制時,只需改變變頻器內部逆變電路換流器件的開關順序即可以達到對輸出進行換相的目的,很容易實現電動機的正反轉切換而不需要專門設置正反轉切換裝置。

  此外,對在電網電源下運行的電動機進行正反轉切換時,如果在電動機尚未停止時就進行相序的切換,電動機內將會由于相序的改變而流過大于起動電流的電流,有燒毀電動機的危險,所以通常必須等電動機完全停下來之后才能夠進行換相操作。而在采用變頻器的交流調速系統中,由于可以通過改變變頻器的輸出頻率使電動機按照斜坡函數的規律進行加速,從而達到限制加速電流的目的。因此,在利用變頻器進行調速控制時更容易和其它設備一起構成自動控制系統。

  對于利用普通的電網電源運行的交流拖動系統來說,由于電動機的起動電流較大并存在著與起動時間成正比的功率損耗,所以不能使電動機進行高頻度的起停運轉。而對于采用了變頻器的交流調速系統來說,由于電動機的起停都是在低速區進行而且加減速過程都比較平緩,電動機的功耗和發熱較小,可以進行較高頻度的起停運轉。

  變頻調速系統的上述特點可以用于采用交流拖動系統的傳送帶和移動工作臺等以達到節能的目的。這是因為,在利用異步電動機進行恒速驅動的傳送帶以及移動工作臺中,電動機通常一直處于工作狀態,而采用變頻器 進行調速控制后,由于可以使電動機進行高頻度的起停運轉,可以使傳送帶或移動工作臺只是在有貨物或工件時停止運行,從而達到節能的目的。

  由于在變頻器驅動系統中電動機的調速控制是通過改變變頻器的輸出頻率進行的,當把變頻器的輸出頻率降至電動機的實際轉速所對應的頻率以下時,負載的機械能將被轉換為電能,并被回饋給供電電網,并形成電氣制動。此外,一些變頻器還具有直流制動功能,即在需要進行制動時,可以通過變頻器給電動機加上一個直流電壓,并利用該電壓產生的電流進行制動。

  同機械制動相比,電氣制動有許多優點,例如體積小,維護簡單,可靠性好等。但是也應該注意到,由于在靜止狀態下電氣制動并不能使電動機產生保持轉矩,所以在某些場合還必須采取相應的措施,例如和機械制動器同時使用等。

  高速驅動是變頻器調速控制的最重要的優點之一。這是因為對于直流電動機來說,由于受電刷和換向環等因素的制約,無法進行高速運轉。但是,對于異步電動機來說,由于不存在上述制約因素,理論上講異步電動機的轉速可以達到相當高的速度。

  由于異步電動機的轉速為:

  

  式中n電機轉速,r/min;

  f電源頻率,HZ;

  p電動機磁極個數;

  s轉差。

  當用工頻電源(50HZ)對異步電動機進行驅動時,二極電動機的最高速度只能達到3000r/min。為了得到更高的轉速,則必須使用專用的高頻電源或使用機械增速裝置進行增速。

  與此相比,目前高頻變頻器的輸出頻率已經可以達到3000KHZ,所以當利用這種高速變頻器對二極異步電動機進行驅動時,可以得到高達180000r/min的高速。而且隨著變頻器技術的發展,高頻電源的輸出頻率也在不斷提高,因此進行更高速度的驅動也將成為可能。

  此外,與采用機械增速裝置的高速驅動系統相比,由于采用高頻變頻器的高速驅動系統中并不存在異步電動機以外的機械裝置,其可靠性更好,而且保養和維修也更加簡單。

  在變頻器調速控制系統中,變頻器和電動機是可以分離設置的。因此,通過和各種不同的異步電動機的適當組合,可以得到使用于各種工作環境的交流調速系統,而對變頻器本身并沒有特殊要求。

  例如,對有防爆和防腐蝕要求的環境,只需將電動機換為專用電動機,而使用普通的變頻器并將其安裝在有防爆和防腐蝕要求的環境之外的普通環境即可。

  由于變頻器本身對外部來說可以看作是一個可以進行調頻調壓的交流電源,可以用一臺變頻器同時驅動多臺異步電動機或同步電動機,從而達到節約設備投資的目的。而對于直流調速系統來說,則很難做到這一點。

  當用一臺變頻器同時驅動多臺電動機時,若驅動對象為同步電動機,所有的電動機將會以同樣的速度(同步轉速)運轉,而當驅動對象為容量和負載都不相同的異步電動機時,則由于轉差的原因,各電動機之間會存在一定的速度差。

  因為變頻器時通過交流直流的電源變換后對異步電動機進行驅動的,所以電源的功率因數不受電動機功率因數的影響,幾乎為定值。

  此外,當用電網電源對異步電動機進行驅動時,電動機的起動電流為額定電流的56倍,而在采用變頻器對異步電動機記性驅動時,由于可以將變頻器的輸出頻率降至很低時起動,電動機的起動電流很小,因而變頻器輸入端電源的容量也可以比較小。一般來說,變頻器輸入端電源的容量只需為電動機 輸出容量的1.5倍左右即可。這也說明變頻器也可以同時起到減壓起動器的作用。

  隨著控制理論、交流調速理論和電子技術的發展,變頻器技術也得到了充分的重視和發展,目前,有高性能變頻器和專用的異步電動機組成的控制系統在性能上已經達到和超過了直流電動機伺服系統。此外,由于異步電動機還具有對環境適應性強,維護簡單等許多直流伺服電動機所不具備的優點,所以在許多需要進行高速高精度控制的應用中這種高性能的交流調速系統正在逐步替代直流伺服系統。而且由于高性能的變頻器的外部接口功能也非常豐富,可以將其作為自動控制系統中的一個部件使用,構成所需的自動控制系統。

  由于變頻器具有上述優點,因而在各種領域中得到了廣泛的應用。

三: 變頻器技術的發展動向

  變頻器進入實用期已超過了1/4個世紀,在此期間,作為變頻器技術基礎的電力電子技術和微電子技術都經理了飛躍性的發展,隨著新型電力電子器件和高性能微處理器的應用以及控制技術的發展,變頻器的性能價格比越來越高,體積越來越小,而廠家則仍然在不斷地為實現變頻器的進一步小型化而做著新的努力。從技術方面來看,隨著變頻器市場的進一步擴大,今后變頻器技術將會隨著與變頻器有關的技術的發展在下面幾個方面進一步得到發展:

  (1) 大容量和小體積化;

  (2) 高性能和多功能化;

  (3) 易操作性的提高;

  (4) 壽命和可靠性增加;

  (5) 無公害化。

  大容量化和小體積化將會隨著電力半導體器件的發展而不斷的到發展。近年來,采用電壓驅動的電力半導體器件IGBT(Isolated Gate Bipolar Transistor,隔離門極雙極晶體管)發展很快,并在迅速進入傳統上使用BJT(雙極功率晶體管)和功率MOSFET(場效應管)的各種領域。此外,以IGBT為開關器件的IPM(Intelligent Power Module,智能功率模塊)和單片功率IC 芯片將功率開關器件與驅動電路,保護電路等集成在同一封裝內,具有高性能和可靠性好的優點,所以隨著它們在大電流化和高耐壓化方面的發展,必將在中小型變頻器中得到更加廣泛的應用。

  隨著微電子技術和半導體技術的發展,用于變頻器的CPU和半導體器件以及各種傳感器的性能越來越高。而隨著變頻器技術的發展,交流調速理論日益成熟,現代控制理論也在不斷得到新的應用。這些都為進一步提高變頻器的性能提供了條件。此外,隨著變頻器的進一步推廣應用,擁護也在不斷提出各種新的要求,促使變頻器的生產廠家不斷地在提高變頻器性能和變頻器功能方面做出新的努力,以滿足用戶的需要和爭取在激烈的市場競爭中立于不敗之地。

  隨著變頻器市場的不斷擴大,如何進一步提高變頻器的易操作性,使普通的技術人員甚至非技術人員也能很快的掌握變頻器的使用技術已經成為廠家必須考慮的問題。因為只有容易操作的產品才能夠不斷獲得新的用戶,并進一步擴大市場,所以今后的新型變頻器將更加容易操作。

  隨著半導體技術的發展和電力電子技術的發展,變頻器中所使用的各種元器件的壽命和可靠性都在不斷提高,這些都將使變頻器本身的壽命和可靠性進一步增加。

  近年來,人們對環境問題非常重視,并因此而出現了綠色產品的名稱。因此,對于變頻器來說,也必須考慮其對周圍環境的影響。

  在變頻器推廣應用的初期,噪聲問題曾經是一個比較大的問題。隨著IGBT的低噪聲變頻器的出現,這個問題已經基本上得到了解決。但是,隨著噪聲問題的解決,人們的目光又轉向了變頻器對周圍環境的其它影響并在不斷探索新的解決辦法。例如,對于采用了二極管整流電路和電壓形PWM逆變電路的變頻器來說,變頻器本身造成的高次諧波將給電源電壓和電流帶來畸變,并影響接于同一電源的其它設備。但是,通過在變頻器中采用PWM整流電路,就可以基本上解決這個問題。雖然因為價格和控制技術等方面的原因目前采用PWM整流電路的變頻器尚未得到推廣,但是,隨著變頻器技術的發展和人們對環境問題的重視,不斷減少變頻器對環境的影響直至推出真正的無公害變頻器也已經成為大勢所趨。

四:都說變頻調速比直流調速好,直流調速真的要淘汰嗎?

  變頻調速之所以比直流調速廣泛運用是因為交流電機,不是變頻調速原理具有優越性,變頻調速只能應用于調速,而對力矩是無法做到精確控制的,原因很簡單,直流調速的電樞和勵磁不是耦合的,是分開的,這樣對電樞電流和勵磁電流能夠做到精確控制。而交流調速,電樞電流和勵磁電流是耦合的,是無法做到精確控制的。

  盡管目前的變頻調速具有矢量控制,也就是運用現代控制理論,通過矢量轉換,將交流電機中耦合的電樞電流和勵磁電流解開,從而對其進行控制,也就是仿真直流調速的原理。但是要做到直流調速的控制特性目前是很困難的。因此在軋機、造紙等對力矩要求很高行業,直流調速還是具有廣泛性。而僅對速度控制,目前變頻調速是可以逼真直流調速的特性,因為交流電機的優越性是直流電機無法做到的。

  直流電機的電刷和體積的原因,限制了它的應用范圍,變頻調速可以說是由風機和水泵發展而來的,是由于風機和水泵節能的需要,變頻調速是最佳選擇,不過我個人認為就目前電價和變頻器的自身的價格相比,這種節能是毫無意義的,因為要把變頻器的投資收回,最少需要5-6年,在這5-6年的時間里,工況還不知道要發生什么變化。

  因此,變頻器最好應用在需要調速,而對啟動性能及力矩調節要求不是很苛刻的場合,而這種場合比比皆是,這才是變頻調速普遍應用的原因。

  因此可以說如果用直流調速控制器去控制交流電機那才是最好的,真能做到這一點,你就是第二個比爾蓋茨,甚至能拿個諾貝爾獎。

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