我国变频调速技术的发展及应用 点击：1775 | 回复：37
（1）晶闸管交流器和开关断器件（DJT、IGBT、VDMOS）斩波器供电的直流调速设备。这类设备的市场很大，随着交流调速的发展，该时常虽在缩减，但由于我国旧设备改造任务多，以及它在几百至一千多kW范围内价格比交流调速低得多，所以在短期内市场不会缩减很多。国产设备能满足需要，部分出口。自行开发的控制器多为模拟控制，近年来主要采用进口数字控制器配国产功率装置。
（2）IGBT或BJT PWM逆变器供电的交流变频调速设备。这类设备的市场很大，总容量占的比例不大，但台数多，增长快，应用范围从单机扩展到全生产线，从简单的V/f控制到高性能的矢量控制。约有50家工厂和公司生产，其中合资企业占很大比重。
（3）负载换流式电流型晶闸管逆变器供电的交流变频调速设备。这类产品在抽水蓄水能电站的机组起动，大容量风机、泵、压缩机和轧机传动方面有很大需求。国内只有少数科研单位有能力制造，目前容量最大做到12MW。功率装置国内配套，自行开发的控制装置只有模拟式的，数字装置需进口，自己开发应用软件。
（4）交-交变频器供电的交流变频调速设备。这类产品在轧机和矿井卷扬传动方面有很大需求，台数不多，功率大。主要靠进口，国内只有少数科研单位有能力制造。目前最大容量做到7000～8000kW。功率部分国产，数字控制装置进口，包括开发应用软件。
变频调速技术在国民经济和日常生活中的重要地位是由以下因素决定的。
（1）应用面广，是工业企业和日常生活中普遍需要的新技术。
（2）是节约能源的高新技术。
（3）是国际上技术更新换代最快的领域。
（4）是高科技领域的综合性技术。
（5）是替代进口，节约投资的最大领域之一。
2 国内外技术现状对比
2.1 国外现状
在大功率交-交变频（循环变流器）调速技术方面，法国阿尔斯通已能提供单机容量达3万kW的电气传动设备用于船舶推进系统。在大功率无换向器电机变频调速技术方面，意大利ABB公司提供了单机容量为6万kW的设备用于抽水蓄能电站。在中功率变频调速技术方面，德国西门子公司Simovert A电流型晶闸管变频调速设备单机容量为10 ~ 2600 kVA和Simovert P GTO PWM变频调速设备单机容量为100 ~ 900 kVA，其控制系统已实现全数字化，用于电力机车、风机、水泵传动。在小功率交流变频调速技术反面，日本富士BJT变频器最大单机容量可达700 kVA，IGBT变频器已形成系列产品，其控制系统也已实现全数字化。
国外交流变频调速技术高速发展有以下特点。
（1）市场的大量需求。随着工业自动化程度的不断提高和能源全球性短缺，变频器越来越广泛地应用在机械、纺织、化工、造纸、冶金、食品等各个行业以及风机、水泵等的节能场合，应取得显著的经济效益。
（2）功率器件的发展。近年来高电压、大电流的SCR、GTO、IGBT、IGCT等器件的生产以及并联、串联技术的发展应用，使高抵押、大功率变频器产品的生产及应用成为现实。
（3）控制理论和微电子技术的发展。矢量控制、磁通控制、转矩控制、模糊控制等新的控制理论为高性能的变频器提供了理论基础；16位、32位高速微处理器以及信号处理器（DSP）和专用集成电路（ASIC）技术的快速发展，为实现变频器高精度、多功能提供了硬件手段。
（4）基础工业和各种制造业的高速发展，变频器相关配套件社会化、专业化生产。
2.2 国内现状
从总体上看我国电气传动的技术水平较国际先进水平差距10 ~ 15年。
在大功率-交、无换向器电机等变频技术方面，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起动及运行、大容量风机、压缩机和轧机传动、矿井卷场方面有很大需求。在中小功率变频技术方面，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，每年大量进口。
国内交流变频调速技术产业状况表现如下。
（1）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，并没有形成一定的技术和生产规模。
（2）变频器产品所用半导体功率器件的制造业几乎是空白。
（3）相关配套产业及行业落后。
（4）产销量少，可靠性及工艺水平不高。
3 未来的发展方向
交流变频调速技术是强弱电混合、机电一体的综合性技术，既要处理巨大电能的转换（整流、逆变），又要处理信息的收集、变换和传输，因此它的共性技术必定分成功率和控制两大部分。前者要解决与高压大电流有关的技术问题和新型电力电子器件的应用技术问题，后者要解决（基于现代控制理论的控制策略和智能控制策略）的硬、软件开发问题（在目前状况下主要全数字控制技术）。
其主要发展方向有如下几项。
（1）实现高水平的控制。基于电动机和机械模型的控制策略，有矢量控制、磁场控制、直接传矩控制和机械扭振补偿等；基于现代理论的控制策略，有滑模变结构技术、模型参考自适应技术、采用微分几何理论的非线性解耦、鲁棒观察器，在某种指标意义下的最优控制技术和逆奈奎斯特阵列设计方法等；基于智能控制思想的控制策略，有模糊控制、神经元网络、专家系统和各种各样的自优化、自诊断技术等。
（2）开发清洁电能的变流器。所谓清洁电能变流器是指变流器的功率因数为1，网侧和负载侧有尽可能低的谐波分量，以减少对电网的公害和电动机的转矩脉动。对中小容量变流器，提高开关频率的PWM控制是有效的。对大容量变流器，在常规的开关频率下，可改变电路结构和控制方式，实现清洁电能的变换。
（3）缩小装置的尺寸。紧凑型变流器要求功率和控制元件具有高的集成度，其中包括智能化的功率模块、紧凑型的光耦合器、高频率的开关电源，以及采用新型电工材料制造的小体积变压器、电抗器和电容器。功率器件冷却方式的改变（如水冷、蒸发冷却和热管）对缩小装置的尺寸也很有效。
（4）高速度的数字控制。以32位高速微处理器为基础的数字控制模板有足够的能力实现各种控制算法，Windows操作系统的引入使得可自由设计，图形编程的控制技术也有很大的发展。
（5）模拟与计算机辅助设计（CAD）技术。电机模拟器、负载模拟器以及各种CAD软件的引入对变频器的设计和测试提供了强有力的支持。
主要的研究开发项目有如下各项。
（1）数字控制的大功率交-交变频器供电的传动设备。
（2）大功率负载换流电流型逆变器供电的传动设备在抽水蓄能电站、大型风机和泵上的推广应用。
（3）电压型GTO逆变器在铁路机车上的推广应用。
（4）电压型IGBT、IGCT逆变器供电的传动设备扩大功能，改善性能。如4象限运行，带有电极参数自测量与自设定和电机参数变化的自动补偿以及无传感器的矢量控制、直接转矩控制等。
（5）风机和泵用高压电动机的节能调速研究。众所周知，风机和泵改用调速传动后节约大量电力。特别是电压电动机，容量大，节能效果更显著。研究经济合理的高压电动机调速方法是当今重大课题。
主要的研究内容及关键技术有如下各项。
（1）高压、大电流技术：? 动态、静态均压技术（6kV、10kV回路中3英寸晶闸管串联，静动态均压系数大于0.9）；‚ 均流技术，大功率晶闸管并联的均流技术，均流系数大于0.85）；ƒ 浪涌吸收技术（10 kV、6kV回路中）；„ 光控及电磁触发技术（电/光，光/电变换技术）；… 导热与散热技术（主要解决导热及散热性好、电流出力大的技术，如热管散热技术）；† 高压、大电流系统保护技术（抗大电流电磁力结构、绝缘设计）；‡ 等效负载模拟技术。
（2）新型电力电子器件的应用技术：? 可关断驱动技术；‚ 双PWM逆变技术；ƒ 循环变流 / 电流型交-直-交（CC / CSI0）变流技术（12脉波变频技术）；„ 同步机交流励磁变速运行技术；… 软开关PWM变流技术。
（3）全数字自动化控制技术：? 参数自设定技术；‚ 过程自优化技术；ƒ 故障自诊断技术；„ 对象自辨识技术。
（4）现代控制技术：? 多变量解耦控制技术；‚ 矢量控制和直接力矩控制技术；ƒ 自适应技术。
4 变频调速技术的因应用
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民改善工艺水平，由手动控制到自动控制，由于低压中小容量到高压大容量，一句话，由低级到高级的过程。
多年来，国家经贸委一直会同国家有关部门致力于变频调速技术的开发及推广
……唯一改变的就是电动机的转速和液力偶合调速器，由于液力偶合调速器在原状态下转差很大，所以其上消耗的功率很大……
状态 电度起始时间 起始电度 电度终止时间 终止电度 运行时间 闸板开度 风机转速rpm 平均功kw 耗电kwh
工频 7月14日17点 4002.2 7月16日7点 4007.7 38小时 90.6% 1066 260.52 9900
变频 8月3日17点 4047.8 8月5日7点 4051.8 38小时 90.6% 1066 189.47 7200
…… 日电力节约 6252.48-4611.168=1641.312 kwh ，节电率 1641.312/6252.48=26.25% ……
1、第五纪冰川说：变频改造前后工况没有变化；
2、仅用变频器替代液力偶合调速器，就日节能1641.312 kwh ；
3、液力偶合调速器损耗功率=260.52 -189.47 =71.05KW
4、也就是说，这个液力耦合调速器，相当一个71.05KW的电烤箱；
5、如果用71.05KW的电烤箱加热液力耦合调速器里的液体，这些液体还能正常工作吗？会是一个什么结果？
6、下面是一个液力耦合调速器的介绍：
液力偶合器用途：
凡需变负荷运转的各种风机，水泵均可采用YOT系列调速液力偶合器实现变速运转，一般可节电1/5到1/3。本产品广泛应用在全国28个省市的冶金、化工、矿山、发电、水泥、纺织、石油等行业。调速液力偶合器已被国家列为重点推广的节能产品。
液力偶合器原理：
调速液力偶合器是以液体为介质来传递功率的传动装置。通过改变偶合器工作腔内液体的充满度，在原动机转速不变的条件下，实现被驱动机械的无级调速。
液力偶合器功能：
无级调速、过载保护、减缓冲击、隔离振动、空载启动、缓慢加速、高效传动
请刘老师注意，液力偶合调速器使用了强制油循环和强制水冷，如果热耗不高的话是不需要这两样东西的。再则，还有电动机转速降低了，这也不可小视，电动机电流也有下降。其次还有使用变频器后，变电站到现场这段电缆因功率因数提高所降低的功耗。
总之这两项加起来有得算。
大家可以怀疑报告中的计算方法，但原始数据的真实性不容怀疑。26.25%也很让我意外。
原始数据我想给做的规整一点，可在发上来就消失了，奇怪。
刘老师给我个邮件地址，我把报告拷贝发给你。
其次，那个皮带发电也是实例。请注意，使用了双逆变器，也就是有网侧逆变器，变频器拖动皮带开始运行起来后，当皮带动量足够大时，其电动机转速就会超过变频器设定速度，此时电动机进入发电状态，动能通过负载侧逆变器回馈到直流总线，再通过网侧逆变器回馈电网，通过控制回馈电网能量的大小就能控制电动机的速度。此时变频器相当于给电动机提供一个制动力矩。
……那个皮带发电也是实例。请注意，使用了双逆变器，也就是有网侧逆变器，变频器拖动皮带开始运行起来后，当皮带动量足够大时，其电动机转速就会超过变频器设定速度，此时电动机进入发电状态，动能通过负载侧逆变器回馈到直流总线，再通过网侧逆变器回馈电网，通过控制回馈电网能量的大小就能控制电动机的速度。此时变频器相当于给电动机提供一个制动力矩。
1、“当皮带动量足够大时，其电动机转速就会超过变频器设定速度，此时电动机进入发电状态”，这是异步电机的基本特性；
2、如果没有变频器，这个电能回馈电网畅通无阻；
3、是变频器阻碍了发电能量的回馈通道；
4、网侧逆变器回馈电网通道，没有电动机直接与电网联接时的通道畅通；
5、网侧逆变器回馈电网通道，是一个间断式通道，电流间断波动时，制动力大小跟着变化，不安全；
6、网侧逆变器回馈电网通道，回馈电网的是谐波含量极高的干扰源，直接影响系统通信、电视等的正常工作，是有害的；
你说的都很正确，但这个皮带有点特殊：
1. 皮带很长，达数公里。
2. 皮带上的物料很重，达数百吨。
3. 皮带坡度很陡，超过45度。
4. 皮带不能直接启动，必须软启动。
5. 皮带不能惯性停车，必须保证在150%额定负载软停车。
6. 电动机功率较大，达数百千瓦。
7. 启动负载并不轻。
不用变频器的话，启动都变得困难。得用绕线电动机串电阻，但调速怎么办，如果用电阻调速，其功耗！并且负载是回馈性的。
如果不用变频器，要把能量回馈电网，需要电动机工作在超同步状态，此时皮带速度不受控。
停机比启动更困难，可以想象这就是一部电动机功率达数百千瓦的电梯，其控制是不那么简单的。
至于制动力矩的间断性，不用担心，因为有直流总线的电容，所以对于负载来说这个制动力矩是持续的。对于回馈到电网的能量微观来说是间断的，但由于斩波频率足够高，宏观来说也是持续的，其波动就和变频器拖动电动机带来的转矩脉动相当。
干扰这是肯定有的，但网侧可以使用SPWM有源逆变，可以加干扰抑制器，其干扰也是可控的，不会像你想象的那样完美，但也不会像你想象的那样糟糕。就像太阳能并网一样，干扰可控。就像服务器用的UPS，其输出波形就很不错，至于干扰嘛，可以想象，服务器用的电源对电能的要求是非常高的。
总之，变频器用在这个工程中，我认为节能不是首要考虑的因素，也就是说这个方案不是以节能为目标的，节能只不过是附带的经济效益。
可以试想，如果不用变频器，用其它方案，会很复杂，当然要节能就更困难了。
当然也可以用传统的串级调速，但我认为串级调速也是一台变频器，从本质是我认为是的。
这个方案我没有参与，是去年到其它公司参观、交流，他们的工程师提到的。
在矫正自己19楼的一个错误，水泥厂旋窑的驱动一般还是用直流驱动的多，这跟负载性质有关系，因为要经常会有200%的负载，和轧机类似。
………如果不用变频器，要把能量回馈电网，需要电动机工作在超同步状态，此时皮带速度不受控。……
1、这句话又是一句错话；
2、电机的额定转差率仅2%，四极电机额定转速1470转，二极电机额定转速2960转；
3、电机反转发电制动时的转速，大于同步转速2%，四极电机发电制动时的转速1530转，二极电机发电制动时的转速3060转；
4、也就是说，电机反转发电制动时的额定转差率也是2%，高于同步转速2%；
5、所以“如果不用变频器，要把能量回馈电网，需要电动机工作在超同步状态，此时皮带速度不受控”，是被骗了，是不存在的！
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