变频调速技术发展问题研究

张小龙

[摘要]随着电力电子技术、计算机技术、自动控制技术的迅速发展，电气传动技术面临着一场历史革命，即交流调速取代直流调速和计算机数字控制技术取代模拟控制技术已成为发展趋势。交流电机变频调速技术是当今节电、改善工艺流程以提高产品质量和改善环境、推动技术进步的一种主要手段。变频调速以其有益的调速和起制动性能、高效率、高功率因数的节电效果、适用范围广等优点，而被国内外公认为最有发展前途的调速方式。本文对变频调速技术在国内外的发展现状进行对比分析，并对其应用进行了阐述。

[关键词]变频器：控制技术：应用

[中图分类号]TN773 [文献标识码]A [文章编号]1672-5158（2013）06-0230-01

1 变频调速技术的现状

电气传动控制系统通常由电动机、控制装置和信息装置三部分组成。电气传动可分为调速和不调速两大类，调速又分为交流调速和直流调速两种方式。不调速电动机直接由电网供电。但是，随着电力电子技术的发展，原本不调速的机械越来越多地改用调速传动以节约电能，改善产品质量，提高产量。以我国为例，60%的发电量是通过电动机消耗的。因此，调速传动有着巨大的节能潜力，变频调速是交流调速的基础和主干内容，变频调速技术的出现使频率变为可以充分利用的资源。近年来。变频调速技术已成为交流调速中最活跃、发展最快的技术。

（1）国外现状

采用变频的方法，实现对电机转速的控制，大约已有40年的历史，但变频调速技术的高速发展，则是近十年的事情，主要是由下面几个因素决定：

①市场有大量需求

②功率器件发展迅速

③控制理论和微电子技术的支持

（2）国内现状

从整体上看我国电气传动系统制造技术水平较国际先进水平差距10-15年。在大功率交交，无换向器电动机等变频技术方面，国内只有少数科研单位有能力制造，但在数字化及系统可靠性方面与国外还有相当差距。而这方面产品在诸如抽水蓄能电站机组启动及运行、大容量风机、压缩机和轧机传动、矿井卷扬机方面有很大需求。在中小频率技术方面，国内学者做了大量变频理论的基础研究。早在80年代，已成功引入矢量控制的理论，针对交流电机具有多变量、强耦合、非线性的特点，采用了线性解耦和非线性解耦的方法，探讨交流电机变频调速的控制策略。进入90年代，随着高性能单片机和数字信号处理器的使用，国内学者紧跟国外最新控制策略，针对交流电机感应特点，采用高次谐波注入SPWM和空间磁通矢量PWM等方法，控制算法采用模糊控制，神经网络理论对感应电机转子电阻、磁链和转矩进行在线观测，在实现无速度传感器交流变频调速系统的研究上作了有益的基础研究。在新型电力电子器件应用方面，由于GTR，GTO，IGBT，IPM等全控制器件的使用，使得中小功率的变流主电路大大简化，大功率SCR，GTO，IG-BT，IGCT等器件的并联、串联技术应用，使高电压、大电流变频器产品的生产及应用成为现实。在控制器件方面，实现了从16位单片机到32位DSP的应用。国内学者一直致力于变频调速新型控制策略的研究，但由于半导体功率器件和DSP等器件依赖进口，使得变频器的制造成本较高，无法形成产业化，与国外的知名品牌相抗衡。国内几乎所有的产品都是普通的V/f控制，仅有少量的样机采用矢量控制，品种与质量还不能满足市场需要，每年需大量进口高兴能的变频器。

因此，国内交流变频调速技术产业状况表现如下：（1）变频器控制策略的基础研究与国外差距不大。（2）变频器的整机技术落后，国内虽有很多单位投入了一定的人力、物力，但由于力量分散，并没形成一定的技术和生产规模。（3）变频器产品所用半导体功率器件的制造业几乎是空白。（4）相关配套产业及行业落后。（5）产销量少，可靠性及工艺水平不高。

2 变频调速技术未来发展的方向

变频调速技术主要向着两个方向发展：一是实现高功率因数、高效率、无谐波干扰，研制具有良好电磁兼容性能的“绿色电器”；二是向变频器应用的深度和广度发展。随着变频器应用领域深度和广度的不断开拓，变频调速技术将越来越清楚地展示它在一个国家国民经济中的重要性。可以预料，现代控制理论和人工智能技术在变频调速技术的应用和推广，将赋予它更强的生命力和更高的技术含量。其发展方向具有如下几项：（1）实现高水平的控制；（2）开发清洁电能的变频器；（3）缩小装置的尺寸；（4）高速度的数字控制；（5）模拟与计算机辅助设计（CAD）技术。

3 变频调速技术的应用

纵观我国变频调速技术的应用，总的说来走的是一个由试验到实用，由零星到大范围，由辅助系统到生产装置，由单纯考虑节能到全面改善工艺水平，由手动控制到自动控制，由低压中小容量到高压大容量，一句话，由低级到高级的过程。我国是一个能耗大国，60%的发电量被电动机消耗掉，据有关资料统计，我国大约有风机、水泵、空气压缩机4200万台，装机容量约1.1亿万千瓦，然而实际工作效率只有40%-60%，损耗电能占总发电量的40%，已有经验表明，应用变频调速技术，节电率一般可达10%-30%，有的甚至高达40%，节能潜力巨大。

有关资料表明，我国火力发电厂有八种泵与风机配套电动机的总容量为12829MW，年总用电量为450.2亿千瓦小时。还有总容量约为3913MW的泵与风机需要进行节能改造，完成改造后，估计年节电量可达25.69亿千瓦小时；冶金企业也是我国的能耗大户，单位产品能耗高出日本3倍，法国4.9倍，印度1.9倍，冶金企业使用的风机泵类非常多，实施变频改造，不仅可以大幅度节约电能，还可改善产品质量。

我国变频调速技术的应用已取得显著成绩，主要表现在下面二个方面：

（1）变频调速技术的应用范围已发展到新阶段，以石油、石化、冶金、机械等行业为例，都经过了单系统试用、大量使用和整套装置系统使用3个发展阶段。如广东茂名石化公司和九江石油化工厂现已发展到引用常减压和催裂化变频装置，取得了节能、增产的显著效果。

（2）变频调速技术已成为节约能源及提高产品质量的有效措施，很多用户实践结果证明，节电率一般在10%30%，有的高达40%，更重要的是生产中一些技术难点也得到解决。例如包钢1150轧机采用变频装置后，年平均事故时间达到工作时间的0.1%以下，大幅度提高了产品质量和产量，且年节约电费约50万元。

4 结束语

变频调速技术作为高新技术、基础技术、节能技术，已经渗透经济领域的所有技术部门中。今后我国在变频调速技术方面应积极作好如下工作。

（1）应用变频调速技术来改造传统产业，节约能源及提高产品质量，获得较好的经济效益和社会效益。

（2）大力发展变频调速技术，必须把我国变频调速技术提高到一个新水平，缩小与世界先进水平的差距，提高自主开发能力，满足重点工程建设和市场的需求。

（3）规范我国变频调速技术方面的标准，提高产品可靠性工艺水平，实现规模化、标准化生产。

参考文献

[1]王树，交流调速系统设计及应用，北京机械工业出版社，2005