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  變頻調速技術是一種以改變電動機頻率安川伺服馬達和改變電壓來達到電動機調速為目的的技術。眾所周知,無論哪種機械調速,都是通過電動機來實現的。從大範圍來分,電動機有直流電動機和交流電動機。過去的簡單調速,多數都用直流電動機,它容易實現調速的目的。但是,直流動機固有的缺點是:滑環和碳刷需要經常拆換,給人們帶來了太大的麻煩。如此以來,很多人設想,若把可靠簡單的籠式交流電動機用來調速那該多好啊!因而相繼就出現了定子調速、變極調速、滑差調速、轉子串電阻調速、串極調速、液力偶和調速等交流調速方式。當然也出現了滑差電動機、繞線式電動機、同步電動機,總而言之這些都是針對交流電動機的調速。

  變頻調速的原理與分類

  三相異步電動機轉速公式為:n=60f/p(1-s)。從此式可見,改變供電頻率f、電動機的極對數p及轉差率s均可達到改變電機轉速的目的。如果沒有調速裝置,電機工作在額定轉速下,當負載或工況變化時,系統所積累的多余能量只能通過不同的手段消耗掉,否則系統將無法穩定工作。對於交流電動機來說,根據電機軸功率和轉速的三次方成正比的原理,在滿足負載要求(功率、力矩)的前提下,只要能降低速度,其節電效果是不言而喻的。

  交流電機調速從根本上分為三大類:變頻調速、串極調速和變極調速。

  1 串極調速(包括轉子串電阻調速)

  轉子串電阻是通過改變串接在轉子線圈上的電阻改變電機轉子電勢,從而改變電機機械特性達到調速的目的。這種方式常用在吊車和傳統的提升機的調速上。長時間工作的大功率繞線式電機調速用電阻串接,將大量的電能消耗在轉子電阻上,且只能實現有級調速。如果是轉子串可控硅,通過控制可控硅的導通角控制電流。相當於改變回路中的電阻達到同樣效果。而轉子的電能經可控硅組整流後,再逆變送回電網。但其機械特性較軟,其中轉子串電阻屬於低效調速方式,串極調速的應用情況不能令人滿意,已多不采用。

  2 變極調速

  主要針對多極電機,這種電機有一組或多組繞組。通過改變電機接線腔盒中的繞組引線接法,從而改變電機的極數進行調速。如通常所說的星角變換等方式。它只能實現有級調速應用範圍有限。

  3 變頻調速(交交和交直交變頻)

  通過變頻器改變電源頻率和電壓的調速(F/U)。其機械性能為平行於自然特性曲線的一組曲線,特性較硬,可實現無級調速,調速性能優良。

  變頻調速技術的發展現狀

  (1)由晶閘管變流器和可關斷器件(DJT、IGBT、VDMOS)斬波器供電的直流調速設備市場很大。自行開發的控制器多為模擬控制,近年來主要采用進口數字控制器配國產功率裝置。

  (2)IGBT或BJTPWM逆變器供電的交流變頻調速設備總容量占的比例不大,但台數多,增長快,應用範圍從單機擴展到全生產線,從簡單的V/f控制到高性能的矢量控制。

  (3)負載換流式電流型晶閘管逆變器供電的變頻調速設備在抽水蓄能電站的機組起動,大容量風機、泵、壓縮機和軋機傳動方面有很大需求。國內只有少數科研單位有能力制造,目前容量最大做到12 MW。功率裝置由國內配套,自行開發的控制裝置只有模擬式的,數字裝置需進口,自己開發應用軟件。

  (4)交-交變頻器供電的變頻調速設備由於在低頻段運行特性十分穩定,主要在鋼廠軋機和礦井卷揚機傳動方面有需求,台數不多,功率大。主要靠進口,國內只有少數科研單位有能力制造。目前最大容量做到7000~8000kW。功率部分國產,數字控制裝置依靠進口(包括開發應用軟件)。但交-交變頻器功率因數低,且高次諧波分量大,污染電網,往往需要附加消諧裝置。隨著電力電子技術和計算機技術迅速發展,推動了交直交變頻技術的快速發展,交直交變頻在低頻段運行不穩定的問題得到了有效的抑制,由於其功率因數高(在95%以上),對電網污染小,現在很多鋼廠軋機和礦井提升機都選擇了交直交變頻調速。
 

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