交流变频技术的发展

    直流电机与交流电机先后诞生于19世纪后期，它们刚一问世，立即引发工业生产的“第二次革命”，使世界由“蒸汽机时代”迈入“电气化时代”。100多年来各类电机已经成为人类生产、生活中最重要的动力机械，其地位与作用是其他动力机械（如热机）不可比拟的。由于结构和技术上的原因，在需要进行调速控制的拖动系统中基本上采用直流电机。但是，同样由于结构上的原因，直流电机存在一些难以克服的缺陷，主要是：制造工艺复杂，消耗有色金属较多，成本高，且难以制造大容量、高转速和高电压的直流电机；需要定期更换电刷和换向器，维护保养困难；由于存在换向火花，难以应用于存在易燃易爆气体的恶劣环境。诞生时间稍晚于直流电机的三相交流异步电机，以其结构简单坚固，运行可靠，价格低廉而迅速地在电力拖动领域独占鳌头；由于制造工艺相对简单，容易制造出大容量、高转速和高电压的交流电机，在冶金、建材、矿山、化工等重工业领域发挥着巨大的作用。很久以来，人们希望在许多场合下能够用可调速的交流电机来代替直流电机，从而降低成本，提高运行的可靠性。与此同时，大量采用交流电机拖动的所谓不变速拖动系统中，相当一部分是风机、水泵类的负载。这类负载约占工业电力拖动总量的一半，其中大部分并不是真的不需要变速，只是因为交流电机都不调速，因而不得不依赖挡板和阀门来调节流量，但是电机轴上输出功率并没有减小，相当一部分能量损耗在挡板、阀门上，所以白白消耗掉大量电能。如果实现交流调速，每台电机可节能20%以上。总起来节能效果非常可观。另一方面，据统计，工业电机负荷率通常为50%~60%。这是因为一股情况下，电机的功率选择要考虑最大负载、电网波动、安全系数、电机规格等因素，电机选择的功率大，而实际上通常在50%~60%额定功率下工作。如采取交流调速，在恒转矩的条件下，降低轴上的输出功率，既能满足工作的要求，提高电机效率，也可获得节能效果。综上所述，实现交流调速，是人们长期以来孜孜以求的愿望。

    如何实现交流调速呢？从现有的文献资料上来看，尽管异步电机调速系统种类很多，但是效率最高、性能最好、应用最广的就是变频调速，它可以构成高动态性能的交流调速系统，取代直流调速系统，是交流调速的主要发展方向。变频调速是以变频器向交流电机供电，并构成开环或闭环系统，从而实现对交流电机的宽范围内的无级调速。变频器是把固定电压、固定频率的交流电变换为可调电压、可调频率的交流电的变换器。变换过程中没有直流环节的，称为“交-交”变频器，有中间直流环节的，称为“交-直-交”变频器。由直流电变为交流电的变换器称为逆变器。目前应用最为广泛的就是“交-直-交”变频器，通常是由整流器（AC-DC变换）、中间直流储能电路和逆变器（DC-AC变换）三部分构成，其中最为关键的就是“逆变”。

    长期以来人们追求、探索交流变频调速，直到20世纪80年代这项技术才在应用上得到普及和推广，这主要得益于以下三个方面。

    ①诞生于1956年的电力电子技术经20年的发展进入了现代电力电子技术阶段，制造出高耐压、大功率，具有自关断全控型电力电子器件，并且具有驱动功率小，开关频率高的特点，应用在“逆变电路”中，极大地提高了变频的性能。应该说高性能的电力电子器件为变频技术提供了良好的“硬件”条件。

    ②1964年，德国的A.Schonung等人率先提出了脉宽调制(PWM)变频的思想，就是把通信系统中的调制技术推广应用于交流变频，几十年来此项技术日臻完善，使变频器具有良好的输出波形，降低了噪声和谐波，提高了系统的性能。

    ③采用全数字微机控制技术，使变频器缩小了体积，降低了成本，提高了效率，增强了功能。

    以上三项技术的应用，一举打破了制约变频技术发展的“瓶颈”，即在“逆变”电路中由全控制电力电子器件组成“逆变桥”，甩掉了复杂的“强迫换流电路”，使结构紧凑合理；在异步电机的定子和转子的气隙间重现了频率可调，按正弦分布的旋转磁场，使电机基本上能够运行平稳，无噪声，无抖动。自此以后，变频调速技术（变频器控制技术）的发展日新月异。随着新型的电力电子器件、大容量微处理器和先进的控制理论的应用，交流变频调速的综合性能已经赶上并在某些方面超过了直流调速，已经上升为电气调速传动的主流。变频器传动已成为实现工业自动化的主要手段之一，在各种生产机械中，如风机、水泵、生产装配线、机床、纺织机械、轻工包装机械、造纸机械、食品、化工、矿山、冶金、轧钢等工程设备及家用电器中得到广泛的应用。变频调速技术可获得提高自动化水平，提高机械性能，提高生产效率，提高产品质量和节约能源等综合效益。其中，最主要的技术特征是可以充分地与现代网络技术结合，发挥智能控制的优势，实现分布式网络控制系统。这是工业企业自动化的重要发展方向，并已取得很成功的经验。实践证明，变频器在各种设备上的应用，已成为节能，改造传统工业，提高产品质量，改善环境，推动技术进步，提高自动化水平的主要手段之一，是国民经济普遍需要的新技术，也是发展最快的新技术之一，在国际上称其为“绿色技术”。

    当前，工业自动化正向着网络化方向发展，现代工业生产自动化的核心是生产过程信息化、网络化，呈现开放性、智能性、分散控制性的特点。在这一系统中，计算机控制技术充当了极为重要的角色，而支持这一系统的则是那些具有通信功能的智能化设备，例如，可编程序控制器、变频器、智能化仪器仪表和传感器等，它们为计算机控制技术在工业自动化方面的应用，提供了坚实的“硬件”基础。现代控制理论的应用，全数字化技术及网络通信功能的增强，使变频器技术曰新月异地发展，使它在网络化控制技术方面起到了举足轻重的作用。目前，网络控制技术取代单机控制已成事实，现代交流电机的传动控制已不再仅局限于单一的调速控制要求，而更多的要求是系统化、网络化应用，以获得更强的控制功能。因此，当今的变频调速控制技术已成为高科技领域的综合性技术之一。

    我国从20世纪80年代后期引进交流变频技术，推广使用变频器，目前已广泛应用在各行业，取得了巨大的经济效益和社会效益，但是在应用变频器上仍有巨大的空间。我国在交流电机上使用变频调速运行的仅占6%左右，而世界上工业发达国家已达到60%～70%。变频器最主要应用领域是节能调速和工艺调速，单从节能调速方面来讲，我国现运行的风机、水泵、空调类负载在4200万台以上，占全国用电量的1/3，其中60%适合调速。而仅在风机、泵类负载中，70%仍采用挡板、阀门来调节流量，这样电机在运行中会长期处于空载或轻载状态，造成能源的浪费。因此变频调速的重要性日益得到了国家的重视，1998年1月1日开始实施的《中华人民共和国节约能源法》第39条将变频调速列入了通用节能技术加以推广。可以说，在我国推广变频器调速技术有着非常重大的现实意义及巨大的经济价值和社会价值。