論交流變頻調(diào)速與直流調(diào)速一：變頻器的發(fā)展直流電動機拖動和交流電動機拖動先后誕生與19世紀(jì)，距今已有100多年的歷史，并已成為動力機械的主要驅(qū)動裝置。但是，由于技術(shù)上的原因，在很長一段時期內(nèi)，占整個電力拖動系統(tǒng)80%左右的不變速拖動系統(tǒng)中采用的是交流電動機（包括異步電動機和同步電動機），而在需要進(jìn)行調(diào)速控制的拖動系統(tǒng)中則基本上采用的直流電動機。但是，眾所周知，由于結(jié)構(gòu)上的原因，直流電動機存在以下缺點：（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） 由于直流電動機存在換向火花，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機。而與直流電動機相比，交流電動機則具有以下優(yōu)點：（1） 結(jié)構(gòu)堅固，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機。因此，很久以來，人們希望在許多場合下能夠用可調(diào)速的交流電動機來代替直流電動機，并在交流電動機的調(diào)速控制方面進(jìn)行了大量的研究開發(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。也正是因為這個原因，在工業(yè)生產(chǎn)中大量使用的諸如風(fēng)機、水泵等需要進(jìn)行調(diào)速控制的電力拖動系統(tǒng)中不得不采用擋板和閥門來調(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。經(jīng)歷了20世紀(jì)70年代中期的第2次石油危機之后，人們充分認(rèn)識到了節(jié)能工作的重要性，并進(jìn)一步重視和加強了對交流調(diào)速技術(shù)的研究開發(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)用范圍也越來越廣。目前變頻器不但在傳統(tǒng)的電力拖動系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用，而且?guī)缀跻呀?jīng)擴展到了工業(yè)生產(chǎn)的所有領(lǐng)域，并且在空調(diào)、洗衣機、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)和計算機技術(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列出了近年來變頻器技術(shù)的基本發(fā)展過程。 二： 變頻器調(diào)速控制系統(tǒng)的優(yōu)勢與傳統(tǒng)的交流拖動系統(tǒng)相比，利用變頻器對交流電動機進(jìn)行調(diào)速控制的交流拖動系統(tǒng)有許多優(yōu)點，如節(jié)能，容易實現(xiàn)對現(xiàn)有電動機的調(diào)速控制，可以實現(xiàn)大范圍的高效連續(xù)調(diào)速控制，容易實現(xiàn)電動機的正反轉(zhuǎn)切換，可以進(jìn)行高頻度的起停運轉(zhuǎn)，可以進(jìn)行電氣制動，可以用一臺變頻器對多臺電動機進(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。在許多情況下，使用變頻器的目的是節(jié)能，尤其是對于在工業(yè)中大量使用的風(fēng)扇、鼓風(fēng)機和泵類負(fù)載來說，通過變頻器進(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、流量和揚程的控制，所以節(jié)能效果非常明顯。因為以節(jié)能為目的的調(diào)速運轉(zhuǎn)對電動機的調(diào)速范圍和精度要求不高，所以通常采用在價格方面比較經(jīng)濟的通用型變頻器。由于變頻器可以看作是一個頻率可調(diào)的交流電源，對于現(xiàn)有的進(jìn)行恒速運轉(zhuǎn)的異步電動機來說，只需在電網(wǎng)電源和現(xiàn)有的電動機之間接入變頻器和相應(yīng)設(shè)備，就可以利用變頻器實現(xiàn)調(diào)速控制，而無須對電動機和系統(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系統(tǒng)中，異步電動機的調(diào)速控制是通過改變變頻器的輸出頻率實現(xiàn)的。因此，在進(jìn)行調(diào)速控制時，可以通過控制變頻器的輸出頻率使電動機工作在轉(zhuǎn)差率較小的范圍，電動機的調(diào)速范圍較寬，并可以達(dá)到提高運行效率的目的。一般來說，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異步電動機進(jìn)行調(diào)速控制時，還可以直接控制電動機的輸出轉(zhuǎn)矩。因此，高性能的矢量控制變頻器與變頻器專用電動機的組合在控制性能方面可以達(dá)到和超過高精度直流伺服電動機的控制性能。利用普通的電網(wǎng)電源運行的交流拖動系統(tǒng)，為了實現(xiàn)電動機的正反轉(zhuǎn)切換，必須利用開閉器等裝置對電源進(jìn)行換相切換。利用變頻器進(jìn)行調(diào)速控制時，只需改變變頻器內(nèi)部逆變電路換流器件的開關(guān)順序即可以達(dá)到對輸出進(jìn)行換相的目的，很容易實現(xiàn)電動機的正反轉(zhuǎn)切換而不需要專門設(shè)置正反轉(zhuǎn)切換裝置。此外，對在電網(wǎng)電源下運行的電動機進(jìn)行正反轉(zhuǎn)切換時，如果在電動機尚未停止時就進(jìn)行相序的切換，電動機內(nèi)將會由于相序的改變而流過大于起動電流的電流，有燒毀電動機的危險，所以通常必須等電動機完全停下來之后才能夠進(jìn)行換相操作。而在采用變頻器的交流調(diào)速系統(tǒng)中，由于可以通過改變變頻器的輸出頻率使電動機按照斜坡函數(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)速控制時更容易和其它設(shè)備一起構(gòu)成自動控制系統(tǒng)。對于利用普通的電網(wǎng)電源運行的交流拖動系統(tǒng)來說，由于電動機的起動電流較大并存在著與起動時間成正比的功率損耗，所以不能使電動機進(jìn)行高頻度的起停運轉(zhuǎn)。而對于采用了變頻器的交流調(diào)速系統(tǒng)來說，由于電動機的起停都是在低速區(qū)進(jìn)行而且加減速過程都比較平緩，電動機的功耗和發(fā)熱較小，可以進(jìn)行較高頻度的起停運轉(zhuǎn)。變頻調(diào)速系統(tǒng)的上述特點可以用于采用交流拖動系統(tǒng)的傳送帶和移動工作臺等以達(dá)到節(jié)能的目的。這是因為，在利用異步電動機進(jìn)行恒速驅(qū)動的傳送帶以及移動工作臺中，電動機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，由于可以使電動機進(jìn)行高頻度的起停運轉(zhuǎn)，可以使傳送帶或移動工作臺只是在有貨物或工件時停止運行，從而達(dá)到節(jié)能的目的。由于在變頻器驅(qū)動系統(tǒng)中電動機的調(diào)速控制是通過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機的實際轉(zhuǎn)速所對應(yīng)的頻率以下時，負(fù)載的機械能將被轉(zhuǎn)換為電能，并被回饋給供電電網(wǎng)，并形成電氣制動。此外，一些變頻器還具有直流制動功能，即在需要進(jìn)行制動時，可以通過變頻器給電動機加上一個直流電壓，并利用該電壓產(chǎn)生的電流進(jìn)行制動。同機械制動相比，電氣制動有許多優(yōu)點，例如體積小，維護(hù)簡單，可靠性好等。但是也應(yīng)該注意到，由于在靜止?fàn)顟B(tài)下電氣制動并不能使電動機產(chǎn)生保持轉(zhuǎn)矩，所以在某些場合還必須采取相應(yīng)的措施，例如和機械制動器同時使用等。高速驅(qū)動是變頻器調(diào)速控制的最重要的優(yōu)點之一。這是因為對于直流電動機來說，由于受電刷和換向環(huán)等因素的制約，無法進(jìn)行高速運轉(zhuǎn)。但是，對于異步電動機來說，由于不存在上述制約因素，理論上講異步電動機的轉(zhuǎn)速可以達(dá)到相當(dāng)高的速度。
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