變頻技術(shù)的發(fā)展趨勢及其應用

1、變頻技術(shù)的發(fā)展趨勢及其應用0引言在工業(yè)生產(chǎn)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(xiàn)調(diào)速較困難或某些調(diào)速方式低效不夠理想，因而長期以來在調(diào)速領(lǐng)域大多采用直流電機，而交流電動機的優(yōu)點在調(diào)速領(lǐng)域中未能得到發(fā)揮。交流電動機的調(diào)速方式一般有以下三種。11）變極極調(diào)速是是通過改改變電動動機定子子繞組的的接線方方式以改改變電機機極數(shù)實實現(xiàn)調(diào)速速，這種種調(diào)速方方法是有有級調(diào)速速，不能能平滑調(diào)調(diào)速，而而且只適適用于鼠鼠籠電動動機。22）改變變電機轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)差率調(diào)調(diào)速其中中有通過過改變電電機轉(zhuǎn)子子回路的的電阻進進行調(diào)速速，此種種調(diào)速方方式效率率不高，且且不經(jīng)

2、濟濟。其次次是采用用滑差調(diào)調(diào)速電機機進行調(diào)調(diào)速，調(diào)調(diào)速范圍圍寬且能能平滑調(diào)調(diào)速，但但這種調(diào)調(diào)速裝置置結(jié)構(gòu)復復雜（一一般由異異步電機機、滑差差離合器器和控制制裝置三三部分組組成），滑滑差調(diào)速速電機是是在主電電機轉(zhuǎn)速速恒定不不變的情情況下調(diào)調(diào)節(jié)勵磁磁實現(xiàn)調(diào)調(diào)速的，即即便輸出出轉(zhuǎn)速很很低，而而主電機機仍運行行在額定定轉(zhuǎn)速，因因此耗電電較多，另另外勵磁磁和滑差差部分也也有效率率問題和和消耗問問題。較較好的轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)差率調(diào)調(diào)速方式式是串級級調(diào)速。33）變頻頻調(diào)速通通過改變變電機定定子的供供電頻率率，以改改變電機機的同步步轉(zhuǎn)速達達到調(diào)速速的目的的，其調(diào)調(diào)速性能能優(yōu)越，調(diào)調(diào)速范圍圍寬，能能實現(xiàn)無無級調(diào)速速。目目前

3、我國國生產(chǎn)現(xiàn)現(xiàn)場所使使用的交交流電動動機大多多為非調(diào)調(diào)速型，其其耗能十十分驚人人。如采采用變頻頻調(diào)速，則則可節(jié)約約大量能能源。這這對提高高經(jīng)濟效效益具有有十分重重要的意意義。1變頻調(diào)調(diào)速技術(shù)術(shù)的發(fā)展展上上世紀550年代代末，由由于晶閘閘管（SSCR）的的研究成成功，電電力電子子器件開開始運用用于工業(yè)業(yè)生產(chǎn)，可可控整流流直流調(diào)調(diào)速便成成了調(diào)速速系統(tǒng)中中的主力力軍。但但由于直直流電機機結(jié)構(gòu)復復雜，造造價比交交流電機機高，直直流電動動機在運運行中，炭炭刷接觸觸產(chǎn)生炭炭粉而易易引起環(huán)環(huán)火，須須經(jīng)常維維護，而而且直流流調(diào)速系系統(tǒng)線路路復雜，維維修十分分不便。因因而便促促進了世世界各國國對交流流調(diào)速技技術(shù)

4、的開開發(fā)和研研制。220世紀紀80年年代中期期，隨著著第三代代電力電電子器件件，如門門極可關(guān)關(guān)斷晶閘閘管（GGTO）、大大功率晶晶體管（GGTR）、絕絕緣柵雙雙極型晶晶體管（IIGBTT）等全全控型電電力電子子器件的的研制成成功，以以及電力力電子器器件從電電流驅(qū)動動型到電電壓驅(qū)動動型全控控器件等等的發(fā)展展，日本本等國已已先后研研制開發(fā)發(fā)出了功功率等級級不同的的把控制制、驅(qū)動動、檢測測、保護護及功率率輸出集集于一體體的變頻頻調(diào)速產(chǎn)產(chǎn)品，如如圖1所所示。從從而使交交流變頻頻調(diào)速的的關(guān)鍵裝裝置逆變變器性能能優(yōu)良，主主電路簡簡單，驅(qū)驅(qū)動方便便，工作作可靠。同同時隨著著控制理理論、微微電子技技術(shù)和計計算

5、機技技術(shù)的發(fā)發(fā)展，使使交流電電機變頻頻調(diào)速技技術(shù)取得得了突破破性進展展，并以以其優(yōu)越越的調(diào)速速性能和和良好的的節(jié)能效效果逐漸漸取代了了直流調(diào)調(diào)速系統(tǒng)統(tǒng)和其他他的調(diào)速速方式，如如變極調(diào)調(diào)速、串串級調(diào)速速、滑差差電機調(diào)調(diào)速、整整流子電電機調(diào)速速等。隨隨著全球球能源短短缺趨勢勢的加劇劇以及交交流變頻頻技術(shù)及及變頻器器產(chǎn)品的的性能和和功能日日趨完善善，使其其越來越越廣泛地地應用在在工業(yè)生生產(chǎn)的各各個領(lǐng)域域中。據(jù)據(jù)有關(guān)資資料介紹紹，19994年年日本生生產(chǎn)1000kWW以下的的中小功功變頻器器已達1100萬萬臺。除除日本外外，歐美美等發(fā)達達國家目目前已形形成了較較完整的的變頻器器技術(shù)產(chǎn)產(chǎn)業(yè)體系系。2變頻

6、調(diào)調(diào)速技術(shù)術(shù)的原理理及特點點11）變頻頻調(diào)速技技術(shù)的原原理是把把工頻550Hzz的交流流電轉(zhuǎn)換換成三相相頻率和和電壓可可調(diào)的交交流電，通通過改變變交流電電動機定定子繞組組的供電電頻率，在在改變頻頻率的同同時也改改變電壓壓，從而而達到調(diào)調(diào)節(jié)電動動機轉(zhuǎn)速速的目的的（即VVVVFF技術(shù)）。目目前的變變頻器系系統(tǒng)還采采用微機機控制技技術(shù)，它它可根據(jù)據(jù)電動機機負載的的變化實實現(xiàn)自動動、平滑滑地增速速或減速速。22）交流流變頻調(diào)調(diào)速系統(tǒng)統(tǒng)一般由由三相交交流異步步電動機機、變頻頻器及控控制器組組成，它它與直流流調(diào)速系系統(tǒng)相比比具有以以下顯著著優(yōu)點：（11）異步步電動機機比直流流電動機機結(jié)構(gòu)簡簡單，重重量輕，

7、價價格低，它它沒有換換向器，運運行可靠靠；（22）控制制電路比比直流調(diào)調(diào)速系統(tǒng)統(tǒng)簡單，易易于維護護；（33）變頻頻調(diào)速系系統(tǒng)調(diào)速速范圍寬寬，能平平滑調(diào)速速，其調(diào)調(diào)速靜態(tài)態(tài)精度及及動態(tài)品品質(zhì)好，而而且節(jié)能能顯著，是是目前世世界公認認的交流流電動機機的最理理想、最最有前途途的調(diào)速速技術(shù)，因因而在國國際上獲獲得了廣廣泛的應應用。3變頻牽牽引技術(shù)術(shù)在國外外的應用用情況隨隨著變頻頻技術(shù)的的發(fā)展，使使電力牽牽引系統(tǒng)統(tǒng)有了很很大的變變化，其其牽引與與調(diào)速系系統(tǒng)由最最初的變變阻調(diào)速速發(fā)展到到斬波器器調(diào)速，進進而發(fā)展展到應用用交流三三相異步步牽引電電動機采采用調(diào)壓壓變頻調(diào)調(diào)速（VVVVFF）的牽牽引技術(shù)術(shù)。目前

8、前世界上上德、日日等發(fā)達達國家研研制的地地鐵和輕輕軌車輛輛幾乎全全部采用用交流變變頻調(diào)速速牽引技技術(shù)。例例如，根根據(jù)有關(guān)關(guān)資料報報導的德德國采用用BR1120型型交流變變頻牽引引電力機機車試驗驗的結(jié)果果表明，這這種性能能的機車車比直流流牽引車車輛具有有以下顯顯著的優(yōu)優(yōu)點：11）在相相同粘重重時牽引引力提高高30%；22）功率率因數(shù)高高（coos漬可可達到11），電電網(wǎng)利用用率提高高30%；33）由于于它采用用電力電電子器件件取代了了有觸點點元件，維維修費可可降低550%；44）無故故障運行行超過440萬kkm；55）節(jié)能能顯著，采采用GTTO變頻頻器的交交流電牽牽引裝置置比相同同容量使使用斬波

9、波調(diào)速的的直流牽牽引裝置置效率可可提高66%77%。據(jù)據(jù)有關(guān)資資料報導導，一輛輛56000kWW的機車車每小時時可節(jié)電電3922kW，若若按年運運行30000hh計算，則則每年節(jié)節(jié)電可達達1177.6萬萬kW。國國際上在在交流牽牽引處于于領(lǐng)先水水平的日日本和德德國，基基本都是是采用PPWM（交交-直-交）型型GTOO-VVVVF逆逆變器（簡簡稱GTTO變頻頻器）和和異步牽牽引電動動機配套套組成變變頻牽引引系統(tǒng)。日日本在119900年后生生產(chǎn)的GGTO變變頻器容容量就達達到了445000V/330000A。日日本于119911年111月統(tǒng)計計公布的的所有日日本交流流變頻調(diào)調(diào)速車的的主要參參數(shù)基本

10、本上都是是采用由由日立、東東芝、三三菱電機機、富士士電機和和東洋公公司制造造的GTTO變頻頻器。東東洋公司司從19986年年到19990年年底止，就就已為223種車車型提供供了GTTO變頻頻器。近近年來，德德、日等等國家新新研制的的地鐵和和輕軌列列車，幾幾乎全部部采用交交流變頻頻牽引技技術(shù)；而而用于交交流牽引引系統(tǒng)的的新型三三點式逆逆變器，在在德國和和日本則則已有應應用。119933年德國國就已經(jīng)經(jīng)有成千千臺用此此方案構(gòu)構(gòu)成的IIGBTT三點式式逆變器器用于輕輕軌電車車上。IIGBTT器件與與可關(guān)斷斷器件GGTO相相比有較較多優(yōu)點點。IGGBT為為電壓驅(qū)驅(qū)動，其其開關(guān)頻頻率高，抗抗干擾和和貫穿

11、短短路保護護能力強強，損耗耗小，性性能好及及工作可可靠，雖雖然IGGBT耐耐壓不如如GTOO高，但但采用新新型的三三點式電電壓型逆逆變器，則則可用耐耐電壓等等級低一一半的器器件，而而且還有有效地減減少了諧諧波電流流，抑制制了電磁磁噪聲。因因此，目目前高壓壓大電流流的GTTO和IIGBTT模塊構(gòu)構(gòu)成的變變壓變頻頻裝置和和微機技技術(shù)在機機車車輛輛上的應應用已取取得了很很大的進進展。44變頻技技術(shù)在我我國城市市交通車車輛上的的應用根根據(jù)有關(guān)關(guān)資料報報導，廣廣州本田田公司已已用2000臺變變頻電車車取代了了1522臺電阻阻式控制制的舊電電車和448臺斬斬波控制制電車。在在實際的的營運路路線上，分分別對

12、各各種電車車進行了了耗電測測定，其其測量結(jié)結(jié)果如表表1所列列。測測量結(jié)果果表明，新新型車耗耗電量為為電阻式式控制車車的722.6%。根據(jù)據(jù)他們對對2000臺新型型變頻車車與2000臺舊舊車一年年的耗電電量比較較計算，新新型車的的耗電約約減少224%。由由此可見見采用變變頻技術(shù)術(shù)的車輛輛節(jié)電效效果十分分明顯。因因此，我我國電子子工業(yè)部部在電子子工業(yè)早早在“九九五”規(guī)規(guī)劃中就就將以變變頻牽引引裝置為為代表的的節(jié)能技技術(shù)列為為發(fā)展的的重點。我我國于119966年研制制成功了了AC440000型交流流牽引電電力機車車。目前前DC7750VV系統(tǒng)下下的地鐵鐵車輛每每臺牽引引電機功功率為9901160kk

13、W，因因此采用用600010000AA/12200VVIBGGT構(gòu)成成的三點點式逆變變器牽引引系統(tǒng)，已已能達到到所需的的容量。我我國原來來規(guī)劃的的廣州地地鐵和上上海地鐵鐵準備用用直流斬斬波調(diào)速速車，后后考慮到到與國際際先進水水平、節(jié)節(jié)約能源源及經(jīng)濟濟合理性性等因素素，最終終確定了了選擇三三相交流流異步牽牽引機變變頻調(diào)速速的傳動動方案。5結(jié)語我我國地鐵鐵車輛電電力牽引引系統(tǒng)從從變阻調(diào)調(diào)速到斬斬波器調(diào)調(diào)速，進進而發(fā)展展到使用用三相異異步電動動機的變變頻牽引引技術(shù)。在在DC7750VV系統(tǒng)下下運行的的地鐵中中，采用用成熟的的、批量量生產(chǎn)的的、價廉廉的耐壓壓12000V的的IGBBT器件件構(gòu)成三三點式逆逆變器，實實現(xiàn)地鐵鐵車輛交交流傳動動方案，造造價也不不貴，而而且對于于城市軌軌道交通通DC7750VV系統(tǒng)中中地鐵或或輕軌車車輛上所所采用的的交流傳傳動所需需的電氣氣設(shè)備，我我國已完完全能夠夠自