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论交流变频调速与直流调速

供稿:金常清 2005/10/31 11:47:00

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一:变频器的发展
  直流电动机拖动和交流电动机拖动先后诞生与19世纪,距今已有100多年的历史,并已成为动力机械的主要驱动装置。但是,由于技术上的原因,在很长一段时期内,占整个电力拖动系统80%左右的不变速拖动系统中采用的是交流电动机(包括异步电动机和同步电动机),而在需要进行调速控制的拖动系统中则基本上采用的直流电动机。
  但是,众所周知,由于结构上的原因,直流电动机存在以下缺点:
(1) 需要定期更换电刷和换向器,维护保养困难,寿命较短;
(2) 由于直流电动机存在换向火花,难以应用于存在易燃易爆气体的恶劣环境;
(3) 结构复杂,难以制造出大容量、高转速和高电压的直流电动机。
 而与直流电动机相比,交流电动机则具有以下优点:
(1) 结构坚固,工作可靠,易于维修保养;
(2) 不存在换向火花,可以应用于存在易燃易爆气体的恶劣环境;
(3) 容易制造出大容量、高转速和高电压的交流电动机。
因此,很久以来,人们希望在许多场合下能够用可调速的交流电动机来代替直流电动机,并在交流电动机的调速控制方面进行了大量的研究开发工作。但是,直至20世纪70年代,交流调速系统的研究开发方面一直未能得到真正能够令人满意的成果,也因此限制了交流调速系统的推广应用。也正是因为这个原因,在工业生产中大量使用的诸如风机、水泵等需要进行调速控制的电力拖动系统中不得不采用挡板和阀门来调节风速和流量。这种做法不但增加了系统的复杂性,也造成了能源的浪费。
  经历了20世纪70年代中期的第2次石油危机之后,人们充分认识到了节能工作的重要性,并进一步重视和加强了对交流调速技术的研究开发工作。随着电力电子技术、微电子技术和控制理论的发展,电力半导体器件和微处理器的性能的不断提高,变频驱动技术也得到了显著的发展。随着各种复杂控制技术在变频器技术中的应用,变频器的性能不断提高,而且应用范围也越来越广。目前变频器不但在传统的电力拖动系统中得到了广泛的应用,而且几乎已经扩展到了工业生产的所有领域,并且在空调、洗衣机、电冰箱等家电产品中也得到了广泛应用。
  变频器技术是一门综合性的技术,它建立在控制技术、电力电子技术、微电子技术和计算机技术的基础之上,并随着这些基础技术的发展而不断得到发展。二: 变频器调速控制系统的优势
  与传统的交流拖动系统相比,利用变频器对交流电动机进行调速控制的交流拖动系统有许多优点,如节能,容易实现对现有电动机的调速控制,可以实现大范围的高效连续调速控制,容易实现电动机的正反转切换,可以进行高频度的起停运转,可以进行电气制动,可以用一台变频器对多台电动机进行调速控制,电源功率因数大,所需电源容量小,可以组成高性能的控制系统等等。下面介绍一下上面提到的变频器调速控制系统的各种主要优点。
  在许多情况下,使用变频器的目的是节能,尤其是对于在工业中大量使用的风扇、鼓风机和泵类负载来说,通过变频器进行调速控制可以代替传统上利用挡板和阀门进行的风量、流量和扬程的控制,所以节能效果非常明显。
  因为以节能为目的的调速运转对电动机的调速范围和精度要求不高,所以通常采用在价格方面比较经济的通用型变频器。
  由于变频器可以看作是一个频率可调的交流电源,对于现有的进行恒速运转的异步电动机来说,只需在电网电源和现有的电动机之间接入变频器和相应设备,就可以利用变频器实现调速控制,而无须对电动机和系统本身进行大的设备改造。
  在采用了变频器的交流拖动系统中,异步电动机的调速控制是通过改变变频器的输出频率实现的。因此,在进行调速控制时,可以通过控制变频器的输出频率使电动机工作在转差率较小的范围,电动机的调速范围较宽,并可以达到提高运行效率的目的。一般来说,通用型变频器的调速范围可以达到1:10以上,而高性能的矢量控制方式的变频器的调速范围可以达到1:1000。此外,当采用矢量控制方式的变频器对异步电动机进行调速控制时,还可以直接控制电动机的输出转矩。因此,高性能的矢量控制变频器与变频器专用电动机的组合在控制性能方面可以达到和超过高精度直流伺服电动机的控制性能。
利用普通的电网电源运行的交流拖动系统,为了实现电动机的正反转切换,必须利用开闭器等装置对电源进行换相切换。利用变频器进行调速控制时,只需改变变频器内部逆变电路换流器件的开关顺序即可以达到对输出进行换相的目的,很容易实现电动机的正反转切换而不需要专门设置正反转切换装置。
  此外,对在电网电源下运行的电动机进行正反转切换时,如果在电动机尚未停止时就进行相序的切换,电动机内将会由于相序的改变而流过大于起动电流的电流,有烧毁电动机的危险,所以通常必须等电动机完全停下来之后才能够进行换相操作。而在采用变频器的交流调速系统中,由于可以通过改变变频器的输出频率使电动机按照斜坡函数的规律进行加速,从而达到限制加速电流的目的。因此,在利用变频器进行调速控制时更容易和其它设备一起构成自动控制系统。
对于利用普通的电网电源运行的交流拖动系统来说,由于电动机的起动电流较大并存在着与起动时间成正比的功率损耗,所以不能使电动机进行高频度的起停运转。而对于采用了变频器的交流调速系统来说,由于电动机的起停都是在低速区进行而且加减速过程都比较平缓,电动机的功耗和发热较小,可以进行较高频度的起停运转。
  变频调速系统的上述特点可以用于采用交流拖动系统的传送带和移动工作台等以达到节能的目的。这是因为,在利用异步电动机进行恒速驱动的传送带以及移动工作台中,电动机通常一直处于工作状态,而采用变频器 进行调速控制后,由于可以使电动机进行高频度的起停运转,可以使传送带或移动工作台只是在有货物或工件时停止运行,从而达到节能的目的。
  由于在变频器驱动系统中电动机的调速控制是通过改变变频器的输出频率进行的,当把变频器的输出频率降至电动机的实际转速所对应的频率以下时,负载的机械能将被转换为电能,并被回馈给供电电网,并形成电气制动。此外,一些变频器还具有直流制动功能,即在需要进行制动时,可以通过变频器给电动机加上一个直流电压,并利用该电压产生的电流进行制动。
  同机械制动相比,电气制动有许多优点,例如体积小,维护简单,可靠性好等。但是也应该注意到,由于在静止状态下电气制动并不能使电动机产生保持转矩,所以在某些场合还必须采取相应的措施,例如和机械制动器同时使用等。
  高速驱动是变频器调速控制的最重要的优点之一。这是因为对于直流电动机来说,由于受电刷和换向环等因素的制约,无法进行高速运转。但是,对于异步电动机来说,由于不存在上述制约因素,理论上讲异步电动机的转速可以达到相当高的速度。
由于异步电动机的转速为:



式中n——电机转速,r/min;
f——电源频率,HZ;
p——电动机磁极个数;
s——转差。
  当用工频电源(50HZ)对异步电动机进行驱动时,二极电动机的最高速度只能达到3000r/min。为了得到更高的转速,则必须使用专用的高频电源或使用机械增速装置进行增速。
  与此相比,目前高频变频器的输出频率已经可以达到3000KHZ,所以当利用这种高速变频器对二极异步电动机进行驱动时,可以得到高达180000r/min的高速。而且随着变频器技术的发展,高频电源的输出频率也在不断提高,因此进行更高速度的驱动也将成为可能。
此外,与采用机械增速装置的高速驱动系统相比,由于采用高频变频器的高速驱动系统中并不存在异步电动机以外的机械装置,其可靠性更好,而且保养和维修也更加简单。
  在变频器调速控制系统中,变频器和电动机是可以分离设置的。因此,通过和各种不同的异步电动机的适当组合,可以得到使用于各种工作环境的交流调速系统,而对变频器本身并没有特殊要求。
例如,对有防爆和防腐蚀要求的环境,只需将电动机换为专用电动机,而使用普通的变频器并将其安装在有防爆和防腐蚀要求的环境之外的普通环境即可。
  由于变频器本身对外部来说可以看作是一个可以进行调频调压的交流电源,可以用一台变频器同时驱动多台异步电动机或同步电动机,从而达到节约设备投资的目的。而对于直流调速系统来说,则很难做到这一点。
  当用一台变频器同时驱动多台电动机时,若驱动对象为同步电动机,所有的电动机将会以同样的速度(同步转速)运转,而当驱动对象为容量和负载都不相同的异步电动机时,则由于转差的原因,各电动机之间会存在一定的速度差。
  因为变频器时通过交流—直流的电源变换后对异步电动机进行驱动的,所以电源的功率因数不受电动机功率因数的影响,几乎为定值。
  此外,当用电网电源对异步电动机进行驱动时,电动机的起动电流为额定电流的5—6倍,而在采用变频器对异步电动机记性驱动时,由于可以将变频器的输出频率降至很低时起动,电动机的起动电流很小,因而变频器输入端电源的容量也可以比较小。一般来说,变频器输入端电源的容量只需为电动机 输出容量的1.5倍左右即可。这也说明变频器也可以同时起到减压起动器的作用。
随着控制理论、交流调速理论和电子技术的发展,变频器技术也得到了充分的重视和发展,目前,有高性能变频器和专用的异步电动机组成的控制系统在性能上已经达到和超过了直流电动机伺服系统。此外,由于异步电动机还具有对环境适应性强,维护简单等许多直流伺服电动机所不具备的优点,所以在许多需要进行高速高精度控制的应用中这种高性能的交流调速系统正在逐步替代直流伺服系统。而且由于高性能的变频器的外部接口功能也非常丰富,可以将其作为自动控制系统中的一个部件使用,构成所需的自动控制系统。
由于变频器具有上述<

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