浅析交流变频调速和直流调速发展与特点
来源:用户上传
作者:
【摘要】本文浅析变频器发展简况、变频器调速控制的特点和优势，以及变频器技术的发展动向。
【关键词】交流变频调速；直流调速；发展；特点；动向
1 变频器发展简况
对于人们熟悉的直流和交流电动机拖动来说，诞生于19世纪，仅有百年多的历史，发展成为了动力机械的主要驱动装置。在这发展的很长一段时期中，占整个电力拖动系统80%左右的不变速拖动系统，采用的则是交流电动机（包括异步电动机和同步电动机），在一些特殊需要的调速控制的拖动系统才采用直流电动机。
由于结构上的原因，直流电动机存在诸多缺点：①需要定期更换电刷和换向器，维护保养困难，寿命较短；②由于直流电动机存在换向火花，难以应用于存在易燃易爆气体的恶劣环境；③结构复杂，难以制造出大容量、高转速和高电压的直流电动机。与之相比，交流电动机具有以下优点：①结构坚固，工作可靠，易于维修保养；②不存在换向火花，可以应用于存在易燃易爆气体的恶劣环境；③容易制造出大容量、高转速和高电压的交流电动机。
人们都希望在许多场合下能够用可调速的交流电动机取代直流电动机，并在交流电动机的调速控制方面进行了大量的研究开发。直至20世纪70年代，交流调速系统的研究开发也未能取得令人满意的成果，这就限制了交流调速系统的推广应用。正是如此，在工业生产中大量使用的诸如风机、水泵等需要进行调速控制的电力拖动系统中，不得不采用挡板和阀门来调节风速和流量，使得控制系统的复杂性和能源浪费也有所增加。
随后人们充分认识到了节能工作的重要性，并进一步重视和加强了对交流调速技术的研究开发工作。伴随着电力电子技术、微电子技术和控制理论的发展，电力半导体器件和微处理器的性能的不断提高，变频驱动技术也得到了显著的发展。而各种复杂控制技术在变频器技术中的应用及其性能也不断提高，且应用范围也越来越广。现在传统的电力拖动系统中已基本全面推广应用，并扩展到工业生产的其他领域，比如空调、洗衣机、电冰箱等家电产品也应用了变频技术。
2 变频器调速控制的特点和优势
变频器技术是一门综合性的技术，它建立在控制技术、电力电子技术、微电子技术和计算机技术的基础之上，并随着这些基础技术的发展而不断得到发展。与传统的交流拖动系统相比，利用变频器对交流电动机进行调速控制的交流拖动系统有许多优点，如节能，容易实现对现有电动机的调速控制；可以实现大范围的高效连续调速控制及正反转切换；可以进行高频度的起停运转和电气制动；可以用一台变频器对多台电动机进行调速控制，电源功率因数大，所需电源容量小；可以组成高性能的控制系统等等。
使用变频器的目的是节能，尤其是对于在工业中大量使用的风扇、鼓风机和泵类负载来说，通过变频器进行调速控制，可以代替传统上利用挡板和阀门进行的风量、流量和扬程的控制，节能效果显著。
由于变频器可以看作是一个频率可调的交流电源，对于现有的进行恒速运转的异步电动机，只需在电网电源和现有的电动机之间接入变频器和相应设备，就可利用变频器实现调速控制，无须对电动机和系统本身设备改造。
采用变频器的交流拖动系统，异步电动机的调速控制是通过改变变频器的输出频率实现的。因此在进行调速控制时，通过控制变频器的输出频率使电动机工作在转差率较小的范围。电动机的调速范围较宽，可以达到提高运行效率的目的。通用型变频器的调速范围可达1：10以上，高性能的矢量控制方式可达1：1000。矢量控制方式的变频器对异步电动机进行调速控制时，还可直接控制电动机的输出转矩。其与变频器专用电动机组合，可达到和超过高精度直流伺服电动机的控制性能。
利用普通的电网电源运行的交流拖动系统，为了实现电动机的正反转切换，必须利用开闭器等装置对电源进行换相切换。利用变频器进行调速控制时，只需改变变频器内部逆变电路换流器件的开关顺序即可以达到对输出进行换相的目的，很容易实现电动机的正反转切换，而不需要专门设置正反转切换装置。正反转切换时，如果在电动机尚未停止时就进行相序的切换，电动机内将会由于相序的改变而流过大于起动电流的电流，有烧毁电动机的危险，所以通常必须等电动机完全停下来之后才能够进行换相操作。采用变频器的交流调速系统中，可通过改变变频器的输出频率使电动机按照斜坡函数的规律进行加速，从而达到限制加速电流的目的。
利用普通电网电源运行的交流拖动系统，由于电动机的起动电流较大并存在着与起动时间成正比的功率损耗，所以不能使电动机进行高频度的起停运转。对于采用变频器的交流调速系统，由于电动机的起停都是在低速区进行而且加减速过程都比较平缓，电动机的功耗和发热较小，可进行较高频度的起停运转。
变频器驱动系统中电动机的调速控制，是通过改变变频器的输出频率进行的，当把变频器的输出频率降至电动机的实际转速所对应的频率以下时，负载的机械能将被转换为电能，并被回馈给供电电网，并形成电气制动。一些变频器还具有直流制动功能，即在需要进行制动时，可通过变频器给电动机加上一个直流电压，并利用该电压产生的电流进行制动。
高速驱动是变频器调速控制的最重要的优点。直流电动机由于受电刷和换向环等因素的制约，无法进行高速运转。异步电动机不存在此制约因素，异步电动机的转速可以达到相当高的速度。异步电动机的转速为：n=120f(1-s)/p,其中：n―电机转速，r/min；f―电源频率，Hz；p―电动机磁极个数；s―转差。当用工频电源（50 Hz）对异步电动机进行驱动时，二极电动机的最高速度只能达到3000r/min。为了得到更高的转速，则必须使用专用的高频电源或使用机械增速装置进行增速。
目前高频变频器的输出频率已达到3000KHz，利用此高速变频器对二极异步电动机进行驱动时，可得到高达180000r/min的高速。随着变频器技术的发展，高频电源的输出频率也在不断提高，更高速度的驱动也将成为可能。
一台变频器同时驱动多台电动机时，若驱动对象为同步电动机，所有的电动机将会以同样的速度（同步转速）运转，而当驱动对象为容量和负载都不相同的异步电动机时，则由于转差的原因，各电动机之间会存在一定的速度差。变频器是通过交流―直流的电源变换后对异步电动机进行驱动的，所以电源的功率因数不受电动机功率因数的影响，几乎为定值。
3 变频器技术的发展动向
作为变频器技术基础的电力电子技术和微电子技术，都经历了飞跃性的发展，随着新型电力电子器件和高性能微处理器的应用及控制技术的发展，变频器的性能价格比越来越高，体积越来越小，许多厂家仍在不断地进行小型化的研究和努力。随着变频器市场的进一步扩大，变频器技术将会随着与变频器有关的技术的发展得到发展：①大容量和小体积化；②高性能和多功能化；③易操作性的提高；④无公害化；⑤寿命和可靠性增加。
采用电压驱动的IGBT（Isolated Gate Bipolar Transistor,隔离门极双极晶体管）电力半导体器件发展很快，并迅速进入传统上使用BJT（双极功率晶体管）和功率MOSFET（场效应管）的各种领域。以IGBT为开关器件的IPM（Intelligent Power Module,智能功率模块）和单片功率IC 芯片将功率开关器件与驱动电路、保护电路等集成在一起，并具有高性能和可靠性好的优点。
性能越来越高的要求，用于变频器的CPU和半导体器件及各种传感器方面的越来越多。交流调速理论的日益成熟，现代控制理论也在不断得到新的应用，这为提高变频器的性能提供了条件。随着变频器的广泛应用，用户也在不断提出各种新的要求，促使变频器的性能和功能再提高。
【参考文献】
[1]顾乐观，现代电气控制技术，重庆大学出版社
[2]VACON CX用户手册[Z]
转载注明来源:https://www.xzbu.com/2/view-562387.htm
