論交流變頻調(diào)速與直流調(diào)速一：變頻器的發(fā)展直流電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)和交流電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)先后誕生與19世紀(jì)，距今已有100多年的歷史，并已成為動(dòng)力機(jī)械的主要驅(qū)動(dòng)裝置。但是，由于技術(shù)上的原因，在很長(zhǎng)一段時(shí)期內(nèi)，占整個(gè)電力拖動(dòng)系統(tǒng)80%左右的不變速拖動(dòng)系統(tǒng)中采用的是交流電動(dòng)機(jī)（包括異步電動(dòng)機(jī)和同步電動(dòng)機(jī)），而在需要進(jìn)行調(diào)速控制的拖動(dòng)系統(tǒng)中則基本上采用的直流電動(dòng)機(jī)。但是，眾所周知，由于結(jié)構(gòu)上的原因，直流電動(dòng)機(jī)存在以下缺點(diǎn)：（1） 需要定期更換電刷和換向器，維護(hù)保養(yǎng)困難，壽命較短；（2） 由于直流電動(dòng)機(jī)存在換向火花，難以應(yīng)用于存在易燃易爆氣體的惡劣環(huán)境；（3） 結(jié)構(gòu)復(fù)雜，難以制造出大容量、高轉(zhuǎn)速和高電壓的直流電動(dòng)機(jī)。而與直流電動(dòng)機(jī)相比，交流電動(dòng)機(jī)則具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1） 結(jié)構(gòu)堅(jiān)固，工作可靠，易于維修保養(yǎng)；（2） 不存在換向火花，可以應(yīng)用于存在易燃易爆氣體的惡劣環(huán)境；（3） 容易制造出大容量、高轉(zhuǎn)速和高電壓的交流電動(dòng)機(jī)。因此，很久以來(lái)，人們希望在許多場(chǎng)合下能夠用可調(diào)速的交流電動(dòng)機(jī)來(lái)代替直流電動(dòng)機(jī)，并在交流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速控制方面進(jìn)行了大量的研究開(kāi)發(fā)工作。但是，直至20世紀(jì)70年代，交流調(diào)速系統(tǒng)的研究開(kāi)發(fā)方面一直未能得到真正能夠令人滿意的成果，也因此限制了交流調(diào)速系統(tǒng)的推廣應(yīng)用。也正是因?yàn)檫@個(gè)原因，在工業(yè)生產(chǎn)中大量使用的諸如風(fēng)機(jī)、水泵等需要進(jìn)行調(diào)速控制的電力拖動(dòng)系統(tǒng)中不得不采用擋板和閥門來(lái)調(diào)節(jié)風(fēng)速和流量。這種做法不但增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性，也造成了能源的浪費(fèi)。經(jīng)歷了20世紀(jì)70年代中期的第2次石油危機(jī)之后，人們充分認(rèn)識(shí)到了節(jié)能工作的重要性，并進(jìn)一步重視和加強(qiáng)了對(duì)交流調(diào)速技術(shù)的研究開(kāi)發(fā)工作。隨著電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)和控制理論的發(fā)展，電力半導(dǎo)體器件和微處理器的性能的不斷提高，變頻驅(qū)動(dòng)技術(shù)也得到了顯著的發(fā)展。隨著各種復(fù)雜控制技術(shù)在變頻器技術(shù)中的應(yīng)用，變頻器的性能不斷提高，而且應(yīng)用范圍也越來(lái)越廣。目前變頻器不但在傳統(tǒng)的電力拖動(dòng)系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用，而且?guī)缀跻呀?jīng)擴(kuò)展到了工業(yè)生產(chǎn)的所有領(lǐng)域，并且在空調(diào)、洗衣機(jī)、電冰箱等家電產(chǎn)品中也得到了廣泛應(yīng)用。變頻器技術(shù)是一門綜合性的技術(shù)，它建立在控制技術(shù)、電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的基礎(chǔ)之上，并隨著這些基礎(chǔ)技術(shù)的發(fā)展而不斷得到發(fā)展。表1-1列出了近年來(lái)變頻器技術(shù)的基本發(fā)展過(guò)程。 二： 變頻器調(diào)速控制系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)與傳統(tǒng)的交流拖動(dòng)系統(tǒng)相比，利用變頻器對(duì)交流電動(dòng)機(jī)進(jìn)行調(diào)速控制的交流拖動(dòng)系統(tǒng)有許多優(yōu)點(diǎn)，如節(jié)能，容易實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)有電動(dòng)機(jī)的調(diào)速控制，可以實(shí)現(xiàn)大范圍的高效連續(xù)調(diào)速控制，容易實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)切換，可以進(jìn)行高頻度的起停運(yùn)轉(zhuǎn)，可以進(jìn)行電氣制動(dòng)，可以用一臺(tái)變頻器對(duì)多臺(tái)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行調(diào)速控制，電源功率因數(shù)大，所需電源容量小，可以組成高性能的控制系統(tǒng)等等。下面介紹一下上面提到的變頻器調(diào)速控制系統(tǒng)的各種主要優(yōu)點(diǎn)。在許多情況下，使用變頻器的目的是節(jié)能，尤其是對(duì)于在工業(yè)中大量使用的風(fēng)扇、鼓風(fēng)機(jī)和泵類負(fù)載來(lái)說(shuō)，通過(guò)變頻器進(jìn)行調(diào)速控制可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)上利用擋板和閥門進(jìn)行的風(fēng)量、流量和揚(yáng)程的控制，所以節(jié)能效果非常明顯。因?yàn)橐怨?jié)能為目的的調(diào)速運(yùn)轉(zhuǎn)對(duì)電動(dòng)機(jī)的調(diào)速范圍和精度要求不高，所以通常采用在價(jià)格方面比較經(jīng)濟(jì)的通用型變頻器。由于變頻器可以看作是一個(gè)頻率可調(diào)的交流電源，對(duì)于現(xiàn)有的進(jìn)行恒速運(yùn)轉(zhuǎn)的異步電動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，只需在電網(wǎng)電源和現(xiàn)有的電動(dòng)機(jī)之間接入變頻器和相應(yīng)設(shè)備，就可以利用變頻器實(shí)現(xiàn)調(diào)速控制，而無(wú)須對(duì)電動(dòng)機(jī)和系統(tǒng)本身進(jìn)行大的設(shè)備改造。在采用了變頻器的交流拖動(dòng)系統(tǒng)中，異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速控制是通過(guò)改變變頻器的輸出頻率實(shí)現(xiàn)的。因此，在進(jìn)行調(diào)速控制時(shí)，可以通過(guò)控制變頻器的輸出頻率使電動(dòng)機(jī)工作在轉(zhuǎn)差率較小的范圍，電動(dòng)機(jī)的調(diào)速范圍較寬，并可以達(dá)到提高運(yùn)行效率的目的。一般來(lái)說(shuō)，通用型變頻器的調(diào)速范圍可以達(dá)到1：10以上，而高性能的矢量控制方式的變頻器的調(diào)速范圍可以達(dá)到1：1000。此外，當(dāng)采用矢量控制方式的變頻器對(duì)異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行調(diào)速控制時(shí)，還可以直接控制電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩。因此，高性能的矢量控制變頻器與變頻器專用電動(dòng)機(jī)的組合在控制性能方面可以達(dá)到和超過(guò)高精度直流伺服電動(dòng)機(jī)的控制性能。利用普通的電網(wǎng)電源運(yùn)行的交流拖動(dòng)系統(tǒng)，為了實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)切換，必須利用開(kāi)閉器等裝置對(duì)電源進(jìn)行換相切換。利用變頻器進(jìn)行調(diào)速控制時(shí)，只需改變變頻器內(nèi)部逆變電路換流器件的開(kāi)關(guān)順序即可以達(dá)到對(duì)輸出進(jìn)行換相的目的，很容易實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)切換而不需要專門設(shè)置正反轉(zhuǎn)切換裝置。此外，對(duì)在電網(wǎng)電源下運(yùn)行的電動(dòng)機(jī)進(jìn)行正反轉(zhuǎn)切換時(shí)，如果在電動(dòng)機(jī)尚未停止時(shí)就進(jìn)行相序的切換，電動(dòng)機(jī)內(nèi)將會(huì)由于相序的改變而流過(guò)大于起動(dòng)電流的電流，有燒毀電動(dòng)機(jī)的危險(xiǎn)，所以通常必須等電動(dòng)機(jī)完全停下來(lái)之后才能夠進(jìn)行換相操作。而在采用變頻器的交流調(diào)速系統(tǒng)中，由于可以通過(guò)改變變頻器的輸出頻率使電動(dòng)機(jī)按照斜坡函數(shù)的規(guī)律進(jìn)行加速，從而達(dá)到限制加速電流的目的。因此，在利用變頻器進(jìn)行調(diào)速控制時(shí)更容易和其它設(shè)備一起構(gòu)成自動(dòng)控制系統(tǒng)。對(duì)于利用普通的電網(wǎng)電源運(yùn)行的交流拖動(dòng)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，由于電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)電流較大并存在著與起動(dòng)時(shí)間成正比的功率損耗，所以不能使電動(dòng)機(jī)進(jìn)行高頻度的起停運(yùn)轉(zhuǎn)。而對(duì)于采用了變頻器的交流調(diào)速系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，由于電動(dòng)機(jī)的起停都是在低速區(qū)進(jìn)行而且加減速過(guò)程都比較平緩，電動(dòng)機(jī)的功耗和發(fā)熱較小，可以進(jìn)行較高頻度的起停運(yùn)轉(zhuǎn)。變頻調(diào)速系統(tǒng)的上述特點(diǎn)可以用于采用交流拖動(dòng)系統(tǒng)的傳送帶和移動(dòng)工作臺(tái)等以達(dá)到節(jié)能的目的。這是因?yàn)?，在利用異步電?dòng)機(jī)進(jìn)行恒速驅(qū)動(dòng)的傳送帶以及移動(dòng)工作臺(tái)中，電動(dòng)機(jī)通常一直處于工作狀態(tài)，而采用變頻器 進(jìn)行調(diào)速控制后，由于可以使電動(dòng)機(jī)進(jìn)行高頻度的起停運(yùn)轉(zhuǎn)，可以使傳送帶或移動(dòng)工作臺(tái)只是在有貨物或工件時(shí)停止運(yùn)行，從而達(dá)到節(jié)能的目的。由于在變頻器驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中電動(dòng)機(jī)的調(diào)速控制是通過(guò)改變變頻器的輸出頻率進(jìn)行的，當(dāng)把變頻器的輸出頻率降至電動(dòng)機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速所對(duì)應(yīng)的頻率以下時(shí)，負(fù)載的機(jī)械能將被轉(zhuǎn)換為電能，并被回饋給供電電網(wǎng)，并形成電氣制動(dòng)。此外，一些變頻器還具有直流制動(dòng)功能，即在需要進(jìn)行制動(dòng)時(shí)，可以通過(guò)變頻器給電動(dòng)機(jī)加上一個(gè)直流電壓，并利用該電壓產(chǎn)生的電流進(jìn)行制動(dòng)。同機(jī)械制動(dòng)相比，電氣制動(dòng)有許多優(yōu)點(diǎn)，例如體積小，維護(hù)簡(jiǎn)單，可靠性好等。但是也應(yīng)該注意到，由于在靜止?fàn)顟B(tài)下電氣制動(dòng)并不能使電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生保持轉(zhuǎn)矩，所以在某些場(chǎng)合還必須采取相應(yīng)的措施，例如和機(jī)械制動(dòng)器同時(shí)使用等。高速驅(qū)動(dòng)是變頻器調(diào)速控制的最重要的優(yōu)點(diǎn)之一。這是因?yàn)閷?duì)于直流電動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，由于受電刷和換向環(huán)等因素的制約，無(wú)法進(jìn)行高速運(yùn)轉(zhuǎn)。但是，對(duì)于異步電動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，由于不存在上述制約因素，理論上講異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速可以達(dá)到相當(dāng)高的速度。
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