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变频器的现状及发展前景

标题:变频器的现状及发展前景

来源:生意社

文章来源链接:http://china.toocle.com/cbna/item/2011-03-24/5710040.html

近年来,随着电力电子技术、计算机技术、自动控制技术的迅速发展,交流传动与控制技术成为目前发展最为迅速的技术之一,电气传动技术面临着一场历史革命,即交流调速取代直流调速和计算机数字控制技术取代模拟控制技术已成为发展趋势。电机交流变频调速技术是当今节电、改善工艺流程以提高产品质量和改善环境、推动技术进步的一种主要手段。变频调速以其优异的调速和起制动性能,高效率、高功率因数和节电效果,广泛的适用范围及其它许多优点而被国内外公认为最有发展前途的调速方式。深入了解交流传动与控制技术的走向,具有十分积极的意义.

一、变频器调速运行的节能原理

实现变频调速的装置称为变频器。变频器一般由整流器、滤波器、驱动电路、保护电路以及控制器(MCU/DSP)等部分组成。首先将单相或三相交流电源通过整流器并经电容滤波后,形成幅值基本固定的直流电压加在逆变器上,利用逆变器功率元件的通断控制,使逆变器输出端获得一定形状的矩形脉冲波形。在这里,通过改变矩形脉冲的宽度控制其电压幅值;通过改变调制周期控制其输出频率,从而在逆变器上同时进行输出电压和频率的控制,而满足变频调速对U/f协调控制的要求。PWM的优点是能消除或抑制低次谐波,使负载电机在近正弦波的交变电压下运行,转矩脉冲小,调速范围宽。

采用PWM控制方式的电机转速受到上限转速的限制。如对压缩机来讲,一般不超过7000r/rain。而采用PAM控制方式的压缩机转速可提高1.5倍左右,这样大大提高了快速增速和减速能力。同时,由于PAM在调整电压时具有对电流波形的整形作用,因而可以获得比PWM更高的效率。此外,在抗干扰方面也有着PWM无法比拟的优越性,可抑制高次谐波的生成,减小对电网的污染。采用该控制方式的变频调速技术后,电机定子电流下降64%,电源频率降低30%,出胶压力降低57%。由电机理论可知,异步电机的转速可表示为:n=60·f 8(1—8)/p

f s为电机定子频率(也即是电网频率),P电机定子的绕组极对数,s为转差率。由上式可知,只要转差率不太大,可以近似认为转速n与f s成正比,这就意味着连续平滑的改变电源频率,就可以实现交流电动机大范围的连续平滑调速。例如一个额定转速3000转/分的电动机,由变频器供电,若启动频率设定为5HZ,那么变频器可以运行在5—50HZ之间的任一频率上,则电动机可以运行在30o——3000转/分之间的任一转速上·电动机由市电启动,启动平衡,力矩大又节能。

50HZ380V的市电经过整流滤波环节后成为直流电,再经过逆变环节变成了频率和幅度都可调的交流电。在变频器主回路中电能经过了交流——直流——交流的变换,所以这类变频器称作交——直——交类变频器。

二、我国变频器技术的发展及应用概况

(一)变频器的发展

随着生产技术的不断发展,直流拖动的薄弱环节逐步显露出来。由于换向器的存,直流电机的维护量加大,单机容量、最高转速以及使用环境都受到限制。人们开始转向结构简单、运行可靠、维护方便、价格低廉的异步电动机。但异步电动机的调速性能难以满足生产的需要。于是,从20世纪30年代开始,人们致力于交流调速技术的研究,然而进展缓慢。在相当长的时期内,直流调速一直以其优异的性能统治着电气传动领域。20世纪60年代以后,特别是70年代以来,电力电子技术、控制技术和微电子技术的飞速发展,使得交流调速性能可以与直流调速相媲美。目前,交流调速已进入逐步代替直流调速的时代。

(二)我国变频器的应用

变频器主要用于交流电动机(异步电机或同步电机)转速的调节,是公认的交流电动机最理想、最有前途的调速方案,除了具有卓越的调速性能之外,变频器还有显著的节能作用,是企业技术改造和产品更新换代的理想调速装置。自上世纪80年代被引进中国以来,变频器作为节能应用与速度工艺控制中越来越重要的自动化设备,得到了快速发展和广泛的应用。

1、变频器与节能

变频器产生的最初用途是速度控制,但目前在国内应用较多的是节能。中国是能耗大国,能源利用率很低,而能源储备不足。在2003年的中国电力消耗中,60—70%为动力电,而在总容量为5.8亿千瓦的电动机总容量中,只有不到2000万千瓦的电动机是带变频控制的。据分析,在中国,带变动负载、具有节能潜力的电机至少有1.8亿千瓦。因此国家大力提倡节能措施,并着重推荐了变频调速技术。

应用变频调速,可以大大提高电机转速的控制精度,使电机在最节能的转速下运行。以风机水泵为例,根据流体力学原理,轴功率与转速的三次方成正比。当所需风量减少,风机转速降低时,其功率按转速的三次方下降。因此,精确调速的节电效果非常可观。与此类似,许多变动负载电机一般按最大需求来生产电动机的容量,故设计裕量偏大。而在实际运行中,轻载运行的时间所占比例却非常高。如采用变频调速,可大大提高轻载运行时的工作效率。因此,变动负载的节能潜力巨大。

作为节能目的,变频器广泛应用于各行业。以电力行业为例,由于中国大面积缺电,电力投资将持续增长,同时,国家电改方案对电厂的成本控制提出了要求,降低内部电耗成为电厂关注焦点,因此变频器在电力行业有着巨大的发展潜力,尤其是高压变频器和大功率变频器。

2、变频器与工艺控制(速度控制)

目前,中国的设备控制水平与发达国家相比还比较低,制造工艺和效率都不高,因此提高设备控制水平至关重要。由于变频调速具有调速范围广、调速精度高、动态响应好等优点,在许多需要精确速度控制的应用中,变频器正在发挥着提升工艺质量和生产效率的显著作用。

3、变频家电

除了工业相关行业,在普通家庭中,节约电费、提高家电性能、保护环境等受到越来越多的关注,变频家电成为变频器的另一个广阔市场和应用趋势。带有变频控制的冰箱、洗衣机、家用空调等,在节电、减小电压冲击、降低噪音、提高控制精度等方面有很大的优势。

三、国内变频技术的现状和发展前景

国内已经有较多的变频器生产厂,但大部分的产品都是V/F控制和电压空间矢量控制变频器,使用在调速精度和动态性能要求不高的负载上应该没有问题。工业应用中绝大部分都是这种负载,变频器在这种场合应用最重要的要求是可靠性,国产变频器占国内市场份额不高的主要原因是产品品质不过硬。V/F控制和电压空间矢量控制变频器比矢量控制变频器从技术上来看要简单得多,由于国内厂家大部分都是手工作坊式的生产,工艺欠佳,检测手段有限,品质的一致性和稳定性难以保证。同样是V/F控制的变频器,国外的产品比国内的产品品质要好,这可能是生产工艺方面的差距。差距最大的是半导体功率器件的制造业,至今在国内这仍是一个空白。

变频器技术的另外一个层面是应用技术。多年来,国家经贸委一直会同国家有关部门致力于变频器技术的开发及推广应用,在技术开发及技术改造方面给予了重点扶持,组织了变频调速技术的评测推荐工作,并把推广应用变频调速技术作为风机、水泵节能技改专项的重点投资方向,同时鼓励单位开展同贷同还方式,抓开发、抓示范工程、抓推广应用,还处理了风机、水泵节能中心,开展信息咨询和培训。1995—1997年,3年间我国风机、水泵变频调速技术改造投入资金3.5亿元,改造总容量达100万千瓦,可年节电7亿度,平均投资回收期约2年。据有关资料表明,我国变频调速技术应用已经取得了相当大的成绩,每年有数十亿元的销售额,说明我国的变频器应用已非常广泛。从简单的手动控制到基于RS一485网络的多机控制,与计算机和PLC联网组成复杂的控制系统。在大型综合自动化系统,先进控制与优化技术,大型成套专用系统,如连铸连轧生产线、高速造纸生产线、电缆光纤生产线、化纤生产线、建材生产线等,变频器的作用是电气传动控制,其控制的复杂性、控制精度和动态响应都有很高的要求,已经完全取代了直流调速技术。近年来,变频器在功能上,利用先进的控制理论,开发出了诸如卷取、提升、主从等控制功能,使应用系统的构成更加方便和容易,使变频器的应用技术提高到一个新的水平。

四、结论

变频调速这一技术正越来越广泛的深入到行业中。它的节能、省力、易于构成自控系统的显著优势应用变频调速技术也是改造挖潜、增加效益的一条有效途径。尤其是在高能耗、低产出的设备较多的企业,采用变频调速装置将使企业获得巨大的经济利益,同时这也是国民经济可持续发展的需要。