变频调速技术现代工业生产过程中，各种设备的传动部件大都离不开电动机，且电动机的 传动在许多场合要求能够调速。电动机的调速运行方式很多，以电动机类型分大 致可分为直流调速与交流调速两种，而交流调速方式又可分为变极调速、改变转 差率调速和变频调速等几种方式。20世纪70年代后，大规模集成电路和计算机控制技术的发展，以及现代控 制理论的应用，使得交流电力拖动系统逐步具备了宽的调速范围、高的稳速范围、 高的稳速精度、快的动态响应以及在四象限作可逆运行等良好的技术性能，在调 速性能方面可以与直流电力拖动媲美。在交流调速技术中，变频调速具有绝对优 势，并且它的调速性能与可靠性不断完善，价格不断降低，特别是变频调速节电 效果明显，而且易于实现过程自动化，深受工业行业的青睐。1. 交流变频调速的优异特性(1) 调速时平滑性好，效率高。低速时，特性静关率较高，相对稳定性好。(2) 调速范围较大，精度高。(3) 起动电流低，对系统及电网无冲击，节电效果明显。(4) 变频器体积小，便于安装、调试、维修简便。(5) 易于实现过程自动化。(6) 必须有专用的变频电源，目前造价较高。(7) 在恒转矩调速时，低速段电动机的过载能力大为降低。2. 与其它调速方法的比较这里仅就交流变频调速系统与直流调速系统做一比较。在直流调速系统中，由于直流电动机具有电刷和整流子，因而必须对其进行 检查，电机安装环境受到限制。例如：不能在有易爆气体及尘埃多的场合使用。 此外，也限制了电机向高转速、大容量发展。而交流电机就不存在这些问题，主 要表现为以下几点：第一，直流电机的单机容量一般为12-14MW，还常制成双电枢形式，而交流 电机单机容量却可以数倍于它。第二 直流电机由于受换向限制，其电枢电压最 高只能做到一千多伏，而交流电机可做到6-10kV。第三，直流电机受换向器部 分机械强度的约束，其额定转速随电机额定功率而减小，一般仅为每分钟数百转 到一千多转，而交流电机的达到每分钟数千转。第四，直流电机的体积、重量、 价格要比同等容量的交流电机大。最后，特别要指出的是交流调速系统在节约能 源方面有着很大的优势。一方面，交流拖动的负荷在总用电量中占一半或一半以 上的比重，这类负荷实现节能，可以获得十分可观的节电效益。另一方面，交流 拖动本身存在可以挖掘的节电潜力。在交流调速系统中，选用电机时往往留有一 定余量，电机又不总是在最大负荷情况下运行；如果利用变频调速技术，轻载时， 通过对电机转速进行控制，就能达到节电的目的。工业上大量使用风机、水泵、 压缩机等，其用电量约占工业用电量的50%；如果采用变频调速技术，既可大大 提高其效率，又可减少10%的电能消耗。采用变频调速，一是根据要求调速用，二是节能。它主要基于下面几个因素：(1) 变频调速系统自身损耗小，工作效率高。(2) 电机总是保持在低转差率运行状态，减小转子损耗。(3) 可实现软启、制动功能，减小启动电流冲击。在采用变频调速时，需从工艺要求、节约效益、投资回收期等各方面考虑。 如果仅从工艺要求、节约效益考虑，下面几种情况选用变频调速较有利：F根据工艺要求，生产线或单台设备需要按程序或按要求调整电机速度的。 如：包装机传送系统，根据不同品种的产品，需要改变系统传送速度，使用变频 调速可使调速控制系统结构简单，控制准确，并易于实现程序控制。F用变频调速代替机械变速。如：机床，不仅可以省去复杂的齿轮变速箱， 还能提高精度、满足程序控制要求。F用变频调速代替用闸门或挡板调整流量适于风机、水泵、压缩机等。例如： 锅炉上水泵、鼓风机、引风机实行了变频调速控制，不仅省去了伺服放大器、电 动操作器、电动执行器和给水阀门(或挡风板)，而且使得整个锅炉控制系统得 到了快速的动态响应、高的控制精度和稳定性。3. 变频器容量的确定变频调速是通过变频器来实现的，对于变频器的容量确定至关重要。合理的 容量选择本身就是一种节能降耗措施。根据现有资料和经验，比较简便的方法有 三种：(1)公式法设安全系数取1.05，则变频器的容量Pb为Pb = 1.05Pm/hmXcosy (kW)式中，Pm为电机负载；hm为电机功率。计算出Pb后，按变频器产品目录可选出具体规格。In为第n台电动机的额定电流，n为电机的台数。在任何情况下，都不能在 连续使用时超过额定电流I，当一台变频器用于多台电机时，应满足。（2）电机实际功率法变频器容量选定过程，实际上是一个变频器与电机的最佳匹配过程，最常见、 也比较安全的是使变频器的容量大于或等于电机的额定功率，但实际匹配中要考 虑电机的实际功率与额定功率相差多少，通常都是设备所选能力偏大，而实际需 要的能力小，因此按电机的实际功率选择变频器是合理的，避免选用的变频器过 大，使投资增大。4. 使用变频调速器的特点1. 可软启动：减小启动时对设备的机械冲击，减少设备的磨损。2. 可提高COSq :变频器是把交流电整流为直流电，通过滤波后，再逆变 为交流电，相对电网的阻抗特性为阻性。3. 电源隔离：把电网与电机的电力进行隔离。4. 可改变转速（无级调速）：转速可从0-额定转速，可取代减速箱，滑差 电机。5. 可节约电费（20-50 %）：减少成本开支。6. 带有通讯接口，可与计算机连接，适合自动化控制（PC卡、变频软起）。7. 可设计为闭环控制（PID、PG控制）：使操作更简单。8. 可远程操作：可配远程操作盒。9. 可改变电压：可把单相交流电变为三相交流电供三相小功率电机使用， 适合三相电压取用不方便的场合。10. 带有各种（过流、过压、欠压、接地、短路等）保护功能：使设备运行 更可靠。11. 自动转矩补偿：适用于带负荷启动的负载进行启动。12. 可多段速运行。13. 带有马达失速防止功能。14. 带有直流制动与软体刹车功能：适用于大惯量负载。15. 带有点动功能：便于调试设备。16. 可任意设定加减速时间：使设备启停更平稳。17. 可加装输出转速指示表，在调整转速时更直观更方便。5. 变频调速的基本原理交流异步电动机的转子转速n可用下式表示：n=60f/p X(l-s)(1 )式中：f定子供电电源的频率；P电动机的极对数；s电动机的转差率。由此可见，当平滑地改变f时，即可改变n。由此可知，变频调速技术的关 键是如何调制出可变频率的正弦波电源。6. 交一直一交变频调速交-直-交变频器的主电路包括整流和无源逆变两部分。整流电路把来自交流 电网的交流电能变成直流，再由逆变电路将直流电能转换为负载所需的交流电， 送给三相负载。整流电路如果采用电容滤波，其输出电压保证恒定，直流电源相 当于一个恒压源，这种变频电路称为电压型；如果整流电路采用串联电感滤波， 可保证输出电流恒定，相当于一个恒流源，这种变频器成为电流型变频器。电力电子的变流器在钢铁方面的应用主要有两个方面：一个是大型轧机传动， 由交流调速取代直流调速，提高轧钢能效；另外一方面是环保节能的传动，例如 钢铁工业中的高炉鼓风机，冶炼除尘风机和水泵等等，现在大多数还是采用档板 截流的调节方式，采用高压变频调速将产生较大的节能效益，市场前景广阔。当 前在轧机主传动中应用的交流调速技术主要是交一交变频调速，IGCT/IGBT三电 平交一直一交变频调速。大功率轧钢机主传动要求电气传动系统具有很高动态响应和相当高的过载 能力。这一领域长期以来一直被直流电动机传动所垄断，由于直流电机存在着换 向问题和换向器、电刷等部件维护工作量较大，使其在提高单机大容量、提高过 载能力、降低转动惯量以及简化维护等方面受到了限制，已不能满足轧钢机向大 型化、高速化方面的发展。随着电力电子技术、微电子技术以及现代控制理论的 迅速发展，该技术受到国内外钢铁工业和电气传动学术界的极大关注。70年代 以后，随着交流电机矢量控制理论的产生及其应用技术的推广，世界工业发达国 家都投入大量人力物力对交一交变频轧钢机主传动进行研究。到目前，在世界上 已有上千台交流变频轧机主传动投入工业应用，在工业发达国家新建1000kw以 上的轧机主传动，无论是初轧机，中板轧机还是热、冷连轧机，无一例外全部采 用交流变频调速。在大功率轧钢机主传动领域已出现交流调速传动取代直流传动 的趋势。由瑞士 ABB公司研制成功的门极可关断品闸管IGCT，是在GTO元件基础上 进行创新的一种新型大功率电力半导体器件。它在器件的结构设计中减少了控制 门极回路电感，将驱动电路集成到器件旁，使IGCT的开关损耗较GTO减少一个数 量级，提高了开关速度，取消了缓冲吸收电路，大大简化了变频器结构并提高了 系统效率。IGCT已成为GTO的换代器件。中压交流变频器ABB是315千瓦至100兆瓦范围内中压交流变频器的主要国际供应商。ABB的中压交流变频器用于需要较高功率的感应及同步电机的转速和转矩 控制。ABB变频器通过ABB的专利“直接转矩控制”（DTC）技术提供精确的传动 过程控制。无需使用编码器，无论是否存在输入电压波动或负荷突变，ABB变频 器能够始终保持最高的控制精度。ABB的中压变频器根据实际需要调整电机速度，从而能够降低能源消耗。DTC技术是中压变频器的核心“直接转矩控制”（DTC）是一种经过优化的中压变频器电机控制方法，允许对所 有的电机核心变量进行直接控制。DTC挖掘出了交流变频器以前从未被人们认识 到的潜力，为所有应用提供了极大的好处。1. 什么是“直接转矩控制”？“直接转矩控制”（DTC）是一种划时代性质的中压变频器电机控制方法，无 需脉冲编码器从电机的轴端反馈回来的信息便能精确控制电机的转速和转矩。在 DTC中，定子磁通量及转矩作为主要的控制变量。电机状态的计算在先进的电机 软件模型中通过高速数字信号处理器每秒更新40,000次（即，每25微秒更新一 次）。由于对电机状态的持续更新以及实际值与给定值的对照，逆变器的每次开 关都是单独确定的。最大化的启动转矩DTC提供的精确转矩控制使中压变频器能够提供最大化的启动转矩，既便于 控制，又有利于平滑运行。对电网电压波动及传动侧负荷变化的快速反应中压变频器极快的转矩阶跃响应意味着其能以极高的速度对传动负荷及电 网电压变化或波动作出反应。这使轻松处理功率损耗的情况及负荷突变成为可噪音降低由于具有独立确定的开关，中压变频器没有固定的开关频率。这样便消除了 引起使用传统PWM技术的中压变频器恼人噪音的共振。2. PWM技术PWM控制技术一直是变频技术的核心技术之一。1964年A.Schonung和 H.stemmler首先在BBC评论上提出把这项通讯技术应用到交流传动中，从此为 交流传动的推广应用开辟了新的局面。从最初采用模拟电路完成三角调制波和参 考正弦波比较，产生正弦脉宽调制SPWM信号以控制功率器件的开关开始，到目 前采用全数字化方案，完成优化的实时在线的PWM信号输出，可以说直到目前为 止，PWM在各种应用场合仍占主导地位，并一直是人们研究的热点。由于PWM可以同时实现变频变压反抑制谐波的特点，由此在交流传动乃至其 它能量变换系统中得到广泛应用。PWM控制技术大致可以分为三类，正弦PWM （包 括电压，电流或磁通的正弦为目标的各种PWM方案，多重PWM也应归于此类）， 优化PWM及随机PWM。正弦PWM已为人们所熟知，而旨在改善输出电压、电流波 形，降低电源系统谐波的多重PWM技术在大功率变频器中有其独特的优势（如ABB ACS1000系列和美国ROBICON公司的完美无谐波系列等）；而优化PWM所追求的 则是实现电流谐波畸变率（THD）最小，电压利用率最高，效率最优，及转矩脉动 最小以及其它特定优化目标。在70年代开始至80年代初，由于当时大功率晶体管主要为双