变频技术的发展趋势及其应用

1、变频技术的发展趋势及其应用0引言在工业生产及国计民生中电机的使用十分广泛，电机的传动方式一般分为直流电机传动及交流电机传动。过去由于交流电机实现调速较困难或某些调速方式低效不够理想，因而长期以来在调速领域大多采用直流电机，而交流电动机的优点在调速领域中未能得到发挥。交流电动机的调速方式一般有以下三种。11）变极极调速是是通过改改变电动动机定子子绕组的的接线方方式以改改变电机机极数实实现调速速，这种种调速方方法是有有级调速速，不能能平滑调调速，而而且只适适用于鼠鼠笼电动动机。22）改变变电机转转差率调调速其中中有通过过改变电电机转子子回路的的电阻进进行调速速，此种种调速方方式效率率不高，且且不经

2、济济。其次次是采用用滑差调调速电机机进行调调速，调调速范围围宽且能能平滑调调速，但但这种调调速装置置结构复复杂（一一般由异异步电机机、滑差差离合器器和控制制装置三三部分组组成），滑滑差调速速电机是是在主电电机转速速恒定不不变的情情况下调调节励磁磁实现调调速的，即即便输出出转速很很低，而而主电机机仍运行行在额定定转速，因因此耗电电较多，另另外励磁磁和滑差差部分也也有效率率问题和和消耗问问题。较较好的转转差率调调速方式式是串级级调速。33）变频频调速通通过改变变电机定定子的供供电频率率，以改改变电机机的同步步转速达达到调速速的目的的，其调调速性能能优越，调调速范围围宽，能能实现无无级调速速。目目前

3、我国国生产现现场所使使用的交交流电动动机大多多为非调调速型，其其耗能十十分惊人人。如采采用变频频调速，则则可节约约大量能能源。这这对提高高经济效效益具有有十分重重要的意意义。1变频调调速技术术的发展展上上世纪550年代代末，由由于晶闸闸管（SSCR）的的研究成成功，电电力电子子器件开开始运用用于工业业生产，可可控整流流直流调调速便成成了调速速系统中中的主力力军。但但由于直直流电机机结构复复杂，造造价比交交流电机机高，直直流电动动机在运运行中，炭炭刷接触触产生炭炭粉而易易引起环环火，须须经常维维护，而而且直流流调速系系统线路路复杂，维维修十分分不便。因因而便促促进了世世界各国国对交流流调速技技术

4、的开开发和研研制。220世纪纪80年年代中期期，随着着第三代代电力电电子器件件，如门门极可关关断晶闸闸管（GGTO）、大大功率晶晶体管（GGTR）、绝绝缘栅双双极型晶晶体管（IIGBTT）等全全控型电电力电子子器件的的研制成成功，以以及电力力电子器器件从电电流驱动动型到电电压驱动动型全控控器件等等的发展展，日本本等国已已先后研研制开发发出了功功率等级级不同的的把控制制、驱动动、检测测、保护护及功率率输出集集于一体体的变频频调速产产品，如如图1所所示。从从而使交交流变频频调速的的关键装装置逆变变器性能能优良，主主电路简简单，驱驱动方便便，工作作可靠。同同时随着着控制理理论、微微电子技技术和计计算

5、机技技术的发发展，使使交流电电机变频频调速技技术取得得了突破破性进展展，并以以其优越越的调速速性能和和良好的的节能效效果逐渐渐取代了了直流调调速系统统和其他他的调速速方式，如如变极调调速、串串级调速速、滑差差电机调调速、整整流子电电机调速速等。随随着全球球能源短短缺趋势势的加剧剧以及交交流变频频技术及及变频器器产品的的性能和和功能日日趋完善善，使其其越来越越广泛地地应用在在工业生生产的各各个领域域中。据据有关资资料介绍绍，19994年年日本生生产1000kWW以下的的中小功功变频器器已达1100万万台。除除日本外外，欧美美等发达达国家目目前已形形成了较较完整的的变频器器技术产产业体系系。2变频

6、调调速技术术的原理理及特点点11）变频频调速技技术的原原理是把把工频550Hzz的交流流电转换换成三相相频率和和电压可可调的交交流电，通通过改变变交流电电动机定定子绕组组的供电电频率，在在改变频频率的同同时也改改变电压压，从而而达到调调节电动动机转速速的目的的（即VVVVFF技术）。目目前的变变频器系系统还采采用微机机控制技技术，它它可根据据电动机机负载的的变化实实现自动动、平滑滑地增速速或减速速。22）交流流变频调调速系统统一般由由三相交交流异步步电动机机、变频频器及控控制器组组成，它它与直流流调速系系统相比比具有以以下显著著优点：（11）异步步电动机机比直流流电动机机结构简简单，重重量轻，

7、价价格低，它它没有换换向器，运运行可靠靠；（22）控制制电路比比直流调调速系统统简单，易易于维护护；（33）变频频调速系系统调速速范围宽宽，能平平滑调速速，其调调速静态态精度及及动态品品质好，而而且节能能显著，是是目前世世界公认认的交流流电动机机的最理理想、最最有前途途的调速速技术，因因而在国国际上获获得了广广泛的应应用。3变频牵牵引技术术在国外外的应用用情况随随着变频频技术的的发展，使使电力牵牵引系统统有了很很大的变变化，其其牵引与与调速系系统由最最初的变变阻调速速发展到到斩波器器调速，进进而发展展到应用用交流三三相异步步牵引电电动机采采用调压压变频调调速（VVVVFF）的牵牵引技术术。目前

8、前世界上上德、日日等发达达国家研研制的地地铁和轻轻轨车辆辆几乎全全部采用用交流变变频调速速牵引技技术。例例如，根根据有关关资料报报导的德德国采用用BR1120型型交流变变频牵引引电力机机车试验验的结果果表明，这这种性能能的机车车比直流流牵引车车辆具有有以下显显著的优优点：11）在相相同粘重重时牵引引力提高高30%；22）功率率因数高高（coos渍可可达到11），电电网利用用率提高高30%；33）由于于它采用用电力电电子器件件取代了了有触点点元件，维维修费可可降低550%；44）无故故障运行行超过440万kkm；55）节能能显著，采采用GTTO变频频器的交交流电牵牵引装置置比相同同容量使使用斩波

9、波调速的的直流牵牵引装置置效率可可提高66%77%。据据有关资资料报导导，一辆辆56000kWW的机车车每小时时可节电电3922kW，若若按年运运行30000hh计算，则则每年节节电可达达1177.6万万kW。国国际上在在交流牵牵引处于于领先水水平的日日本和德德国，基基本都是是采用PPWM（交交-直-交）型型GTOO-VVVVF逆逆变器（简简称GTTO变频频器）和和异步牵牵引电动动机配套套组成变变频牵引引系统。日日本在119900年后生生产的GGTO变变频器容容量就达达到了445000V/330000A。日日本于119911年111月统计计公布的的所有日日本交流流变频调调速车的的主要参参数基本

10、本上都是是采用由由日立、东东芝、三三菱电机机、富士士电机和和东洋公公司制造造的GTTO变频频器。东东洋公司司从19986年年到19990年年底止，就就已为223种车车型提供供了GTTO变频频器。近近年来，德德、日等等国家新新研制的的地铁和和轻轨列列车，几几乎全部部采用交交流变频频牵引技技术；而而用于交交流牵引引系统的的新型三三点式逆逆变器，在在德国和和日本则则已有应应用。119933年德国国就已经经有成千千台用此此方案构构成的IIGBTT三点式式逆变器器用于轻轻轨电车车上。IIGBTT器件与与可关断断器件GGTO相相比有较较多优点点。IGGBT为为电压驱驱动，其其开关频频率高，抗抗干扰和和贯穿

11、短短路保护护能力强强，损耗耗小，性性能好及及工作可可靠，虽虽然IGGBT耐耐压不如如GTOO高，但但采用新新型的三三点式电电压型逆逆变器，则则可用耐耐电压等等级低一一半的器器件，而而且还有有效地减减少了谐谐波电流流，抑制制了电磁磁噪声。因因此，目目前高压压大电流流的GTTO和IIGBTT模块构构成的变变压变频频装置和和微机技技术在机机车车辆辆上的应应用已取取得了很很大的进进展。44变频技技术在我我国城市市交通车车辆上的的应用根根据有关关资料报报导，广广州本田田公司已已用2000台变变频电车车取代了了1522台电阻阻式控制制的旧电电车和448台斩斩波控制制电车。在在实际的的营运路路线上，分分别对

12、各各种电车车进行了了耗电测测定，其其测量结结果如表表1所列列。测测量结果果表明，新新型车耗耗电量为为电阻式式控制车车的722.6%。根据据他们对对2000台新型型变频车车与2000台旧旧车一年年的耗电电量比较较计算，新新型车的的耗电约约减少224%。由由此可见见采用变变频技术术的车辆辆节电效效果十分分明显。因因此，我我国电子子工业部部在电子子工业早早在“九九五”规规划中就就将以变变频牵引引装置为为代表的的节能技技术列为为发展的的重点。我我国于119966年研制制成功了了AC440000型交流流牵引电电力机车车。目前前DC7750VV系统下下的地铁铁车辆每每台牵引引电机功功率为9901160kk

13、W，因因此采用用600010000AA/12200VVIBGGT构成成的三点点式逆变变器牵引引系统，已已能达到到所需的的容量。我我国原来来规划的的广州地地铁和上上海地铁铁准备用用直流斩斩波调速速车，后后考虑到到与国际际先进水水平、节节约能源源及经济济合理性性等因素素，最终终确定了了选择三三相交流流异步牵牵引机变变频调速速的传动动方案。5结语我我国地铁铁车辆电电力牵引引系统从从变阻调调速到斩斩波器调调速，进进而发展展到使用用三相异异步电动动机的变变频牵引引技术。在在DC7750VV系统下下运行的的地铁中中，采用用成熟的的、批量量生产的的、价廉廉的耐压压12000V的的IGBBT器件件构成三三点式逆逆变器，实实现地铁铁车辆交交流传动动方案，造造价也不不贵，而而且对于于城市轨轨道交通通DC7750VV系统中中地铁或或轻轨车车辆上所所采用的的交流传传动所需需的电气气设备，我我国已完完全能够够自