变频调速技术及其应用综述

刘高燕

【摘 要】本文阐述了变频调速技术的原理、调速方法分类、发展状况等，并以该技术在山西兰花科技创业股份有限公司大阳煤矿分公司的应用情况为例，对其应用情况进行了介绍。最后，本文对该技术未来的发展趋势进行了展望。

【关键词】变频调速；煤矿；交流电动机

变频调速技术是一种以改变电动机频率和改变电压来达到电动机调速为目的的技术。众所周知，无论哪种机械调速，都是通过电动机来实现的。从大范围来分，电动机有直流电动机和交流电动机。过去的简单调速，多数都用直流电动机，它容易实现调速的目的。但是，直流动机固有的缺点是：滑环和碳刷需要经常拆换，给人们带来了太大的麻烦。如此以来，很多人设想，若把可靠简单的笼式交流电动机用来调速那该多好啊！因而相继就出现了定子调速、变极调速、滑差调速、转子串电阻调速、串极调速、液力偶和调速等交流调速方式。当然也出现了滑差电动机、绕线式电动机、同步电动机，总而言之这些都是针对交流电动机的调速。

1 变频调速的原理与分类

三相异步电动机转速公式为：n=60f/p（1-s）。从此式可见，改变供电频率f、电动机的极对数p及转差率s均可达到改变电机转速的目的。如果没有调速装置，电机工作在额定转速下，当负载或工况变化时，系统所积累的多余能量只能通过不同的手段消耗掉，否则系统将无法稳定工作。对于交流电动机来说，根据电机轴功率和转速的三次方成正比的原理，在满足负载要求（功率、力矩）的前提下，只要能降低速度，其节电效果是不言而喻的。

交流电机调速从根本上分为三大类：变频调速、串极调速和变极调速。

1.1 串极调速（包括转子串电阻调速）

转子串电阻是通过改变串接在转子线圈上的电阻改变电机转子电势，从而改变电机机械特性达到调速的目的。这种方式常用在吊车和传统的提升机的调速上。长时间工作的大功率绕线式电机调速用电阻串接，将大量的电能消耗在转子电阻上，且只能实现有级调速。如果是转子串可控硅，通过控制可控硅的导通角控制电流。相当于改变回路中的电阻达到同样效果。而转子的电能经可控硅组整流后，再逆变送回电网。但其机械特性较软，其中转子串电阻属于低效调速方式，串极调速的应用情况不能令人满意，已多不采用。

1.2 变极调速

主要针对多极电机，这种电机有一组或多组绕组。通过改变电机接线腔盒中的绕组引线接法，从而改变电机的极数进行调速。如通常所说的星角变换等方式。它只能实现有级调速应用范围有限。

1.3 变频调速（交交和交直交变频）

通过变频器改变电源频率和电压的调速（F/U）。其机械性能为平行于自然特性曲线的一组曲线，特性较硬，可实现无级调速，调速性能优良。

2 变频调速技术的发展现状

（1）由晶闸管变流器和可关断器件（DJT、IGBT、VDMOS）斩波器供电的直流调速设备市场很大。自行开发的控制器多为模拟控制，近年来主要采用进口数字控制器配国产功率装置。

（2）IGBT或BJTPWM逆变器供电的交流变频调速设备总容量占的比例不大，但台数多，增长快，应用范围从单机扩展到全生产线，从简单的V/f控制到高性能的矢量控制。

（3）负载换流式电流型晶闸管逆变器供电的变频调速设备在抽水蓄能电站的机组起动，大容量风机、泵、压缩机和轧机传动方面有很大需求。国内只有少数科研单位有能力制造，目前容量最大做到12 MW。功率装置由国内配套，自行开发的控制装置只有模拟式的，数字装置需进口，自己开发应用软件。

（4）交-交变频器供电的变频调速设备由于在低频段运行特性十分稳定，主要在钢厂轧机和矿井卷扬机传动方面有需求，台数不多，功率大。主要靠进口，国内只有少数科研单位有能力制造。目前最大容量做到7000～8000kW。功率部分国产，数字控制装置依靠进口（包括开发应用软件）。但交-交变频器功率因数低，且高次谐波分量大，污染电网，往往需要附加消谐装置。随着电力电子技术和计算机技术迅速发展，推动了交直交变频技术的快速发展，交直交变频在低频段运行不稳定的问题得到了有效的抑制，由于其功率因数高（在95%以上），对电网污染小，现在很多钢厂轧机和矿井提升机都选择了交直交变频调速。

3 变频调速技术的应用

变频调速由于其优良的调速性能，在许多行业得到了广泛应用：①工矿企业行车设备变频调速系统；②发电锅炉的风机和水泵；③自来水厂、污水处理厂变频节电系统；④水泥生产线变频节电系统；⑤风机、泵高低变频节电系统；⑥大量的输送各种工业原料和物资的运输系统。在实际应用中，由于交流调速技术特别是交-直-交变频调速不仅具有优良的调速性能，而且还带来节约能源、减少维护费用、节约占地面积等优点，尤其具有适合在大容量或恶劣工作环境。还有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，广泛的适用范围而被国内外公认为最有发展前途的调速方式。下面以该技术在我们山西兰花科技创业股份有限公司大阳煤矿分公司的应用情况来举例说明。

山西兰花科技创业股份有限公司大阳煤矿分公司副斜井绞车电控系统原来采用的是TKD型转子串电阻调速方式，此调速方式是靠消耗转差功率的办法进行调速，耗能严重、效率低、调速特性软，速度稳定性差，再者，TKD型控制系统也是国家要求强制淘汰的。改造用变频调速系统是在原提升机的电控系统的基础上，用变频调速系统替代原调速系统，同时保留原调速系统，使两套系统互为备用，以增加系统运行的可靠性。本项目投资总额139万元，其中各种设备花费的金额如下：高压电源切换柜9万元；变压器柜15万元；联络柜8万元；变频柜（3台）69万元；通讯控制柜4.5万元；换向智能站4.5万元；BPDKPLC变频电控（主控台）一套（含后备保护）29万元。

通过对副斜井提升机进行变频调速改造，实现了动机的软启动、软停止，转速连续可调，避免电流冲击，不仅可以提高工艺的高效性，减少机械冲击，延长机械寿命，节省维护成本，同时和原来的控制系统相比，改造后节电率约为30%，节约能源的效果非常明显，具有很好的经济和社会效益。

4 变频调速技术未来发展趋势

（1）实现高水平的控制。基于电动机和机械模型的控制策略，有矢量控制、磁场控制、直接传矩控制和机械扭振补偿等；基于现代理论的控制策略，有滑模变结构技术、模型参考自适应技术、采用微分几何理论的非线性解耦、鲁棒观察器，在某种指标意义下的最优控制技术和逆奈奎斯特阵列设计方法等；基于智能控制思想的控制策略，有模糊控制、神经元网络、专家系统和各种各样的自优化、自诊断技术等。

（2）模拟与计算机辅助设计（CAD）技术。电机模拟器、负载模拟器以及各种CAD软件的引入对变频器的设计和测试提供了强有力的支持。

（3）缩小装置的尺寸。紧凑型变频器要求功率和控制元件具有高的集成度，其中包括智能化的功率模块、紧凑型的光耦合器、高频率的开关电源，以及采用新型电工材料制造的小体积变压器、电抗器和电容器。功率器件冷却方式的改变（如水冷、蒸发冷却和热管）对缩小装置的尺寸也很有效。

（4）高速度的数字控制。以32位高速微处理器为基础的数字控制模板有足够的能力实现各种控制算法，Windows操作系统的引入使得可自由设计，图形编程的控制技术也有很大的发展。

5 结语

变频调速技术是一项节电效果很显著的节电技术，特别适应变流量或压力的地点使用，也是当今国家重点推广和普遍推广的一项技术。变频技术在大大小小的场合下都可以使用，只是需要考虑当前的投资效益与规模。

【参考文献】

[1]贺和平.浅析变频和变速技术在煤矿生产中的应用[J].太原科技，2009（02）.

[2]李海燕，李海宝，赵汗青，王学惠.数字变频调速技术在煤矿电机中的应用研究[J].煤矿机械，2009（04）.

[3]马修成.基于变频技术的煤矿机电设备应用分析[J].中国新技术新产品，2009（10）.

[责任编辑：杨玉洁]