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变频技术的发展趋势及其应用
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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。
1）变极调速是通过改变电动机定子绕组的接线方式以改变电机极数实现调速，这种调速方法是有级调速，不能平滑调速，而且只适用于鼠笼电动机。
2）改变电机转差率调速其中有通过改变电机转子回路的电阻进行调速，此种调速方式效率不高，且不经济。其次是采用滑差调速电机进行调速，调速范围宽且能平滑调速，但这种调速装置结构复杂（一般由异步电机、滑差离合器和控制装置三部分组成），滑差调速电机是在主电机转速恒定不变的情况下调节励磁实现调速的，即便输出转速很低，而主电机仍运行在额定转速，因此耗电较多，另外励磁和滑差部分也有效率问题和消耗问题。较好的转差率调速方式是串级调速。
3）变频调速通过改变电机定子的供电频率，以改变电机的同步转速达到调速的目的，其调速性能优越，调速范围宽，能实现无级调速。
目前我国生产现场所使用的交流电动机大多为非调速型，其耗能十分惊人。如采用变频调速，则可节约大量能源。这对提高经济效益具有十分重要的意义。
1 变频调速技术的发展
上世纪50年代末，由于晶闸管（SCR）的研究成功，电力电子器件开始运用于工业生产，可控整流直流调速便成了调速系统中的主力军。但由于直流电机结构复杂，造价比交流电机高，直流电动机在运行中，炭刷接触产生炭粉而易引起环火，须经常维护，而且直流调速系统线路复杂，维修十分不便。因而便促进了世界各国对交流调速技术的开发和研制。
20世纪80年代中期，随着第三代电力电子器件，如门极可关断晶闸管（GTO）、大功率晶体管（GTR）、绝缘栅双极型晶体管（IGBT）等全控型电力电子器件的研制成功，以及电力电子器件从电流驱动型到电压驱动型全控器件等的发展，日本等国已先后研制开发出了功率等级不同的把控制、驱动、检测、保护及功率输出集于一体的变频调速产品，如图1所示。从而使交流变频调速的关键装置———逆变器性能优良，主电路简单，驱动方便，工作可靠。同时随着控制理论、微电子技术和计算机技术的发展，使交流电机变频调速技术取得了突破性进展，并以其优越的调速性能和良好的节能效果逐渐取代了直流调速系统和其他的调速方式，如变极调速、串级调速、滑差电机调速、整流子电机调速等。
随着全球能源短缺趋势的加剧以及交流变频技术及变频器产品的性能和功能日趋完善，使其越来越广泛地应用在工业生产的各个领域中。据有关资料介绍，1994年日本生产100kW以下的中小功变频器已达100万台。除日本外，欧美等发达国家目前已形成了较完整的变频器技术产业体系。
2 变频调速技术的原理及特点
1）变频调速技术的原理是把工频50Hz的交流电转换成三相频率和电压可调的交流电，通过改变交流电动机定子绕组的供电频率，在改变频率的同时也改变电压，从而达到调节电动机转速的目的（即VVVF技术）。目前的变频器系统还采用微机控制技术，它可根据电动机负载的变化实现自动、平滑地增速或减速。
2）交流变频调速系统一般由三相交流异步电动机、变频器及控制器组成，它与直流调速系统相比具有以下显著优点：
（1）异步电动机比直流电动机结构简单，重量轻，价格低，它没有换向器，运行可靠；
（2）控制电路比直流调速系统简单，易于维护；
（3）变频调速系统调速范围宽，能平滑调速，其调速静态精度及动态品质好，而且节能显著，是目前世界公认的交流电动机的最理想、最有前途的调速技术，因而在国际上获得了广泛的应用。
3 变频牵引技术在国外的应用情况
随着变频技术的发展，使电力牵引系统有了很大的变化，其牵引与调速系统由最初的变阻调速发展到斩波器调速，进而发展到应用交流三相异步牵引电动机采用调压变频调速（VVVF）的牵引技术。目前世界上德、日等发达国家研制的地铁和轻轨车辆几乎全部采用交流变频调速牵引技术。
例如，根据有关资料报导的德国采用BR120型交流变频牵引电力机车试验的结果表明，这种性能的机车比直流牵引车辆具有以下显著的优点：
1）在相同粘重时牵引力提高30%；
2）功率因数高（cos渍可达到1），电网利用率提高30%；
3）由于它采用电力电子器件取代了有触点元件，维修费可降低50%；
4）无故障运行超过40万km；
5）节能显著，采用GTO变频器的交流电牵引装置比相同容量使用斩波调速的直流牵引装置效率可提高6%～7%。
据有关资料报导，一辆5600kW的机车每小时可节电392kW，若按年运行3000h计算，则每年节电可达117.6万kW。
国际上在交流牵引处于领先水平的日本和德国，基本都是采用PWM（交-直-交）型GTO-VVVF逆变器（简称GTO变频器）和异步牵引电动机配套组成变频牵引系统。
日本在1990年后生产的GTO变频器容量就达到了4500V/3000A。日本于1991年11月统计公布的所有日本交流变频调速车的主要参数基本上都是采用由日立、东芝、三菱电机、富士电机和东洋公司制造的GTO变频器。东洋公司从1986年到1990年底止，就已为23种车型提供了GTO变频器。
近年来，德、日等国家新研制的地铁和轻轨列车，几乎全部采用交流变频牵引技术；而用于交流牵引系统的新型三点式逆变器，在德国和日本则已有应用。1993年德国就已经有成千台用此方案构成的IGBT三点式逆变器用于轻轨电车上。IGBT器件与可关断器件GTO相比有较多优点。IGBT为电压驱动，其开关频率高，抗干扰和贯穿短路保护能力强，损耗小，性能好及工作可靠，虽然IGBT耐压不如GTO高，但采用新型的三点式电压型逆变器，则可用耐电压等级低一半的器件，而且还有效地减少了谐波电流，抑制了电磁噪声。因此，目前高压大电流的GTO和IGBT模块构成的变压变频装置和微机技术在机车车辆上的应用已取得了很大的进展。
4变频技术在我国城市交通车辆上的应用根据有关资料报导，广州本田公司已用200台变频电车取代了152台电阻式控制的旧电车和48台斩波控制电车。在实际的营运路线上，分别对各种电车进行了耗电测定，其测量结果如表1所列。
测量结果表明，新型车耗电量为电阻式控制车的72.6%。根据他们对200台新型变频车与200台旧车一年的耗电量比较计算，新型车的耗电约减少24%。由此可见采用变频技术的车辆节电效果十分明显。因此，我国电子工业部在电子工业早在“九五”规划中就将以变频牵引装置为代表的节能技术列为发展的重点。
我国于1996年研制成功了AC4000型交流牵引电力机车。目前DC750V系统下的地铁车辆每台牵引电机功率为90～160kW，因此采用600～1000A/1200VIBGT构成的三点式逆变器牵引系统，已能达到所需的容量。我国原来规划的广州地铁和上海地铁准备用直流斩波调速车，后考虑到与国际先进水平、节约能源及经济合理性等因素，最终确定了选择三相交流异步牵引机变频调速的传动方案。
5 结语
我国地铁车辆电力牵引系统从变阻调速到斩波器调速，进而发展到使用三相异步电动机的变频牵引技术。在DC750V系统下运行的地铁中，采用成熟的、批量生产的、价廉的耐压1200V的IGBT器件构成三点式逆变器，实现地铁车辆交流传动方案，造价也不贵，而且对于城市轨道交通DC750V系统中地铁或轻轨车辆上所采用的交流传动所需的电气设备，我国已完全能够自已设计和制造，从而使我国铁路机车工业跨入了研制发展绿色交通车辆的国际先进行列。
近年来，变频器产品已在国际、国内工业生产和国计民生中得到了广泛的应用。低压电动机变频调速产品目前应用已非常普及和成熟，高压电动机变频调速也在被人们关注和逐渐应用。交流变频器已成为对工业生产进行技术改造和对产品、设备更新换代的理想调速装置。