交流變頻調速技術的優勢與應用

對于可調速的電力拖動系統，工程上往往根據電動機電流形式分為直流調速系統和交流調速系統兩類。它們最大的不同之出主要在于交流電力拖動免除了改變直流電機電流流向變化的機械向器——整流子。
20世紀70年代后，大規模集成電路和計算機控制技術的發展，以及現代控制理論的應用，使得交流電力拖動系統逐步具備了寬的調速范圍、高的穩速范圍、高的穩速精度、快的動態響應以及在四象限作可逆運行等良好的技術性能，在調速性能方面可以與直流電力拖動媲美。在交流調速技術中，變頻調速具有絕對優勢，并且它的調速性能與可靠性不斷完善，價格不斷降低，特別是變頻調速節電效果明顯，而且易于實現過程自動化，深受工業行業的青睞。
1. 交流變頻調速的優異特性
(1) 調速時平滑性好，效率高。低速時，特性靜關率較高，相對穩定性好。
(2) 調速范圍較大，精度高。
(3) 起動電流低，對系統及電網無沖擊，節電效果明顯。
(4) 變頻器體積小，便于安裝、調試、維修簡便。
(5) 易于實現過程自動化。
(6) 必須有專用的變頻電源，目前造價較高。
(7) 在恒轉矩調速時，低速段電動機的過載能力大為降低。
2. 與其它調速方法的比較
交流電動機的調速方法有三種：變極調速、改變轉差率調速和變頻調速。其中，變頻調速最具優勢。這里僅就交流變頻調速系統與直流調速系統做一比較。
在直流調速系統中，由于直流電動機具有電刷和整流子，因而必須對其進行檢查，電機安裝環境受到限制。例如：不能在有易爆氣體及塵埃多的場合使用。此外，也限制了電機向高轉速、大容量發展。而交流電機就不存在這些問題，主要表現為以下幾點：
第一，直流電機的單機容量一般為12 - 14MW，還常制成雙電樞形式，而交流電機單機容量卻可以數倍于它。第二，直流電機由于受換向限制，其電樞電壓最高只能做到一千多伏，而交流電機可做到6 - 10kV。第三，直流電機受換向器部分機械強度的約束，其額定轉速隨電機額定功率而減小，一般僅為每分鐘數百轉到一千多轉，而交流電機的達到每分鐘數千轉。第四，直流電機的體積、重量、價格要比同等容量的交流電機大。最后，特別要指出的是交流調速系統在節約能源方面有著很大的優勢。一方面，交流拖動的負荷在總用電量中占一半或一半以上的比重，這類負荷實現節能，可以獲得十分可觀的節電效益。另一方面，交流拖動本身存在可以挖掘的節電潛力。在交流調速系統中，選用電機時往往留有一定余量，電機又不總是在最大負荷情況下運行；如果利用變頻調速技術，輕載時，通過對電機轉速進行控制，就能達到節電的目的。工業上大量使用風機、水泵、壓縮機等，其用電量約占工業用電量的50%；如果采用變頻調速技術，既可大大提高其效率，又可減少10%的電能消耗。
3. 合理應用
交流變頻調速技術在工業發達國已得到廣泛應用。美國有60% - 65%的發電量用于電機驅動，由于有效地利用了變頻調速技術，僅工業傳動用電就節約了15% - 20%的電量。
采用變頻調速，一是根據要求調速用，二是節能。它主要基于下面幾個因素：
(1) 變頻調速系統自身損耗小，工作效率高。
(2) 電機總是保持在低轉差率運行狀態，減小轉子損耗。
(3) 可實現軟啟、制動功能，減小啟動電流沖擊。
在采用變頻調速時，需從工藝要求、節約效益、投資回收期等各方面考慮。如果僅從工藝要求、節約效益考慮，下面幾種情況選用變頻調速較有利：
F根據工藝要求，生產線或單臺設備需要按程序或按要求調整電機速度的。如：包裝機傳送系統，根據不同品種的產品，需要改變系統傳送速度，使用變頻調速可使調速控制系統結構簡單，控制準確，并易于實現程序控制。
F用變頻調速代替機械變速。如：機床，不僅可以省去復雜的齒輪變速箱，還能提高精度、滿足程序控制要求。
F用變頻調速代替用閘門或擋板調整流量適于風機、水泵、壓縮機等。例如：鍋爐上水泵、鼓風機、引風機實行了變頻調速控制，不僅省去了伺服放大器、電動操作器、電動執行器和給水閥門（或擋風板），而且使得整個鍋爐鍋爐控制系統得到了快速的動態響應、高的控制精度和穩定性。
4. 變頻器容量的確定
變頻調速是通過變頻器來實現的，對于變頻器的容量確定至關重要。合理的容量選擇本身就是一種節能降耗措施。根據現有資料和經驗，比較簡便的方法有三種：
(1) 電機實際功率確定發 首先測定電機的實際功率，以此來選用變頻器的容量。
(2) 公式法 設安全系數取1.05，則變頻器的容量Pb為
Pb = 1.05Pm/hm×cosy (kW)
式中，Pm為電機負載；hm為電機功率。
計算出Pb后，按變頻器產品目錄可選出具體規格。
In為第n臺電動機的額定電流，n為電機的臺數。在任何情況下，都不能在連續使用時超過額定電流I，當一臺變頻器用于多臺電機時，應滿足
(3) 電機額定電流法變頻器 變頻器容量選定過程，實際上是一個變頻器與電機的最佳匹配過程，最常見、也較安全的是使變頻器的容量大于或等于電機的額定功率，但實際匹配中要考慮電機的實際功率與額定功率相差多少，通常都是設備所選能力偏大，而實際需要的能力小，因此按電機的實際功率選擇變頻器是合理的，避免選用的變頻器過大，使投資增大。
雖然變頻調速有諸多優點，但也有其不利因素，主要問題是電流中含高次諧波較多，除對電網有污染外，也使電機自身增加損耗，引起電機發熱。再有，變頻器價格貴、投資回收器長、技術復雜、尤其在實現閉環自動控制時，還需進行技術處理。
此外，不是任何情況下變頻器都節電，如果電機負載變化不大，或深井泵配有水塔，節電、節水效果都不大，就不宜使用變頻調速。
5. 評價
交流變頻調速的方法是異步電機最有發展前途的調速方法。隨著電力電子技術的不斷發展，性能可靠、匹配完善、價格便宜的變頻器會不斷出現，這一技術會得到更為廣泛、普遍的應用。目前，國外先進國家的變頻技術正向小型化、高可靠性、抗公害、多功能、高性能等方向發展，我國也在加快發展步伐。