變頻技術的發展及其應用

0 引言

在工業生產及國計民生中電機的使用十分廣泛，電機的傳動方式一般分為直流電機傳動及交流電機傳動。過去由于交流電機實現調速較困難或某些調速方式低效不夠理想，因而長期以來在調速領域大多采用直流電機，而交流電動機的優點在調速領域中未能得到發揮。交流電動機的調速方式一般有以下三種。

1)變極調速是通過改變電動機定子繞組的接線方式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，此種調速方式效率不高，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，但這種調速裝置結構復雜(一般由異步電機、滑差離合器和控制裝置三部分組成)，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，因此耗電較多，另外勵磁和滑差部分也有效率問題和消耗問題。較好的轉差率調速方式是串級調速。

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，其調速性能優越，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。這對提高經濟效益具有十分重要的意義。

1 變頻調速技術的發展

上世紀50 年代末，由于晶閘管(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系統中的主力軍。但由于直流電機結構復雜，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，而且直流調速系統線路復雜，維修十分不便。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、保護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置———逆變器性能優良，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，并以其優越的調速性能和良好的節能效果逐漸取代了直流調速系統和其他的調速方式，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善，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整的變頻器技術產業體系。

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)。目前的變頻器系統還采用微機控制技術，它可根據電動機負載的變化實現自動、平滑地增速或減速。

2)交流變頻調速系統一般由三相交流異步電動機、變頻器及控制器組成，它與直流調速系統相比具有以下顯著優點：

(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系統簡單，易于維護;

(3)變頻調速系統調速范圍寬，能平滑調速，其調速靜態精度及動態品質好，而且節能顯著，是目前世界公認的交流電動機的最理想、最有前途的調速技術，因而在國際上獲得了廣泛的應用。

3 變頻牽引技術在國外的應用情況

隨著變頻技術的發展，使電力牽引系統有了很大的變化，其牽引與調速系統由最初的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全部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結果表明，這種性能的機車比直流牽引車輛具有以下顯著的優點：

1)在相同粘重時牽引力提高30%;

2)功率因數高(cos漬可達到1)，電網利用率提高30%;

3)由于它采用電力電子器件取代了有觸點元件，維修費可降低50%;

4)無故障運行超過40萬km;

5)節能顯著，采用GTO變頻器的交流電牽引裝置比相同容量使用斬波調速的直流牽引裝置效率可提高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。

國際上在交流牽引處于領先水平的日本和德國，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系統。

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月統計公布的所有日本交流變頻調速車的主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，幾乎全部采用交流變頻牽引技術;而用于交流牽引系統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 相比有較多優點。IGBT 為電壓驅動，其開關頻率高，抗干擾和貫穿短路保護能力強，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，而且還有效地減少了諧波電流，抑制了電磁噪聲。因此，目前高壓大電流的GTO 和IGBT模塊構成的變壓變頻裝置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，廣州本田公司已用200臺變頻電車取代了152 臺電阻式控制的舊電車和48臺斬波控制電車。在實際的營運路線上，分別對各種電車進行了耗電測定，其測量結果如表1所列。

測量結果表明，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，新型車的耗電約減少24%。由此可見采用變頻技術的車輛節電效果十分明顯。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置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系統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系統，已能達到所需的容量。我國原來規劃的廣州地鐵和上海地鐵準備用直流斬波調速車，后考慮到與國際先進水平、節約能源及經濟合理性等因素，最終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系統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系統下運行的地鐵中，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系統中地鐵或輕軌車輛上所采用的交流傳動所需的電氣設備，我國已完全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國際先進行列。

近年來，變頻器產品已在國際、國內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非常普及和成熟，高壓電動機變頻調速也在被人們關注和逐漸應用。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置。

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