1、變頻技術(shù)的發(fā)展 

   1）功率開關(guān)器件的發(fā)展 
      當今交流變頻傳動裝置大多采用SPWM(sin pulse width module)正弦脈沖寬度調(diào)制方法，即:三相交流經(jīng)整流和電容濾波后，形成恒定幅值的直流電壓，加在逆變器UI上，逆變器的功率開關(guān)器件，按一定規(guī)律控制其導通和斷開，使輸出端獲得一系列寬度不等的矩形脈沖電壓波形。如改變脈沖的寬度即可控制逆變器輸出交流基波電壓的幅值；如改變調(diào)制周期即可控制其輸出頻率，這樣就同時實現(xiàn)了調(diào)壓和調(diào)頻, 圖1為SPWM原理框圖。隨著變頻器快速性、精度及可靠性的不斷提高，對功率開關(guān)器件要求越來越高，即開關(guān)頻率要求在幾十kHz，導電損耗低，在各種應用領(lǐng)域的可靠性高，目前除GTO 外，現(xiàn)較成熟的有(IGBT)- （Insulated-Gate Bipolar Transistor）絕緣柵雙極晶體管和(IGCT)-(集成柵整流晶體管-Integrated Gate Commutated Thyristor)，IGBT還有高低壓之分。西門子公司在發(fā)展IGBT技術(shù)方面，不僅開發(fā)了耐高壓的HV-IGBT，在提高關(guān)斷和載流能力有新的進展;且每次通電或斷電時的瞬變電流和瞬變電壓可以通過門電路進行控制;ABB公司在發(fā)展IGCT技術(shù)方面，主要在快速、均衡換流和內(nèi)在的低損耗等取得很大進展; 其他如Rockwell公司，F(xiàn)uji等公司在大功率開關(guān)器件開發(fā)和應用方面也積累了豐富的經(jīng)驗。 
       最近又有新的半導體開關(guān)器件推出，如IPM（Intelligent Power Module）, IEGT(Injection Enhanced Gate Transistor),炭化硅SiC等，但目前只有小功率的。隨著半導體及微電子技術(shù)的發(fā)展，將開發(fā)出性能更好的半導體開關(guān)器件，并用于變頻器中。  
  

                                                               圖1   SPWM原理框圖  
  

2)控制理論和控制技術(shù)的發(fā)展 
      由于交流電機原理上的原因，其數(shù)學模型是一個高階、非線性、強耦合的多變量系統(tǒng)，要像直流電機那樣直接通過電流對電磁轉(zhuǎn)矩進行靈活和即時的控制有一定的難度。如果將交流異步電機經(jīng)過坐標變換可以生成等效的直流電機模型，模擬直流電機的控制方法，求得直流電機的控制量，經(jīng)過相應的坐標變換反變換，就能控制交流異步電機。由于進行坐標變換的是電流（代表磁動勢）的空間矢量，由此實現(xiàn)的控制系統(tǒng)即稱為矢量控制系統(tǒng)。當今矢量控制的交流變頻器組成的傳動系統(tǒng)已完全實現(xiàn)數(shù)字化、智能化、模塊化控制，即有一個集成高動態(tài)性能、優(yōu)良控制特性、極高靈活性的模板，來實現(xiàn)與電機有關(guān)的控制任務，而且?guī)в写罅康淖杂晒δ苣K，用這些模塊也可處理與傳動有關(guān)的控制，如西門子公司的CUVC控制模塊等；同時在軟件配置上也已實現(xiàn)了標準化和模塊化，還提供了許多的非標準功能，如手動-自動設(shè)定，輸入給定值的通用性，自動重啟動功能等，可以說矢量控制的交流變頻調(diào)速系統(tǒng)的靜、動態(tài)性能已完全能夠與直流調(diào)速系統(tǒng)相媲美，是目前最成熟，完善的技術(shù)。。 
      繼矢量控制系統(tǒng)以后，直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)（DTC）是近十幾年發(fā)展起來的，又一種高動態(tài)性能的交流變頻調(diào)速系統(tǒng)。在DTC中，定子磁通和轉(zhuǎn)矩作為主要控制變量，在等效的電動機自適應模型軟件中，通過高速的速度數(shù)字信號處理器，電動機的狀態(tài)每秒更新達幾萬次。由于電動機狀態(tài)連續(xù)不斷地更新，實際值與參考值不斷進行比較，實現(xiàn)對逆變器中的每個開關(guān)狀態(tài)單獨確定，從而對負載突變或電源干擾所引起的動態(tài)變化作出迅速的反應，故它的動態(tài)特性好。DTC強調(diào)轉(zhuǎn)矩的控制，在控制理論上屬于Pang-Pang控制。在高速狀態(tài)下，其控制水平與矢量控制沒有差別，但在低速狀態(tài)下，其轉(zhuǎn)矩控制不穩(wěn)定，易發(fā)生震蕩，引起傳動軸系震蕩。 
3)高壓變頻器 
     所謂的高壓等級為2300V，3300V，4160V, 6000V，（也有稱之為中壓），在高壓變頻器推出前，大功率高壓交流異步電機如需采用變頻調(diào)速傳動，有二種方法，一是靠多個低壓PWM變頻單元串聯(lián)的方式實現(xiàn)直接高壓，如西門子下屬羅賓康的高壓變頻器，電網(wǎng)電壓經(jīng)過隔離變壓器降壓后給每個功率單元供電，單相變頻功率單元在輸出端串聯(lián)，實現(xiàn)變壓變頻的高壓輸出，直接帶動高壓交流電機。這種變頻器經(jīng)過較長時間運行考驗以及器件不斷升級，現(xiàn)已在各行業(yè)得到認可，最主要特點是諧波較低，系統(tǒng)的效率高，功率因數(shù)可達0.95。 另一種是所謂的“高－低－高,通過變壓器將高壓變低壓(一般690V),，在低壓側(cè)變壓變頻，再由升壓變壓器升至和高壓電動機相匹配的電壓，組成高壓交流調(diào)速傳動裝置，由于兩側(cè)均需大型變壓器，損耗高，諧波較大，現(xiàn)各領(lǐng)域已較少應用。隨之耐高壓大功率晶體管(HVIGBT)（IGCT）的推出，近幾年來AB，Siemens, ABB紛紛推出高壓變頻器，它的特點是變頻器輸出可直接接入高壓電機，不需專用的變頻電機，也稱高－高變頻器，當前高壓變頻器的發(fā)展主流是主回路采用三電平結(jié)構(gòu)，高壓器件，電壓源型以及矢量控制方式，現(xiàn)最大可用于7500kW異步電機的速度和轉(zhuǎn)矩控制。為滿足脈沖整流器的需要，變頻器配套有專用的變壓器 （一般是三圈），脈沖整流器根據(jù)電網(wǎng)對諧波分量的要求，一般可選用6,12,18，24脈沖。 西門子公司新開發(fā)的SIMOVERT MV裝置在輸入端采用了有源前端和3電平的HV-IGBT的逆變器，具有自動限流功能，門極控制簡單，器件少，效率高，功率因數(shù)可高于0.96。通過一個標準程序，可對0~9000r.p.m范圍內(nèi)的傳動進行精確控制，其輸出電壓有極低的諧波分量，并具有極佳的轉(zhuǎn)矩特性，尤其是具有良好的低速性能，能持續(xù)輸出穩(wěn)定的大轉(zhuǎn)矩，圖2為其電氣原理圖。   
  

                                           圖2：SIMOVERT  MV 電氣原理圖  
 


 4）電壓源型的普遍應用 
      從變頻電源的性質(zhì)上看，可分為電壓源型變頻器和電流源型變頻器，它們的主要區(qū)別在于中間直流環(huán)節(jié)采用那種濾波器，電壓源型變頻器采用大容量電容濾波，直流電壓波形比較平直；電流源型變頻器采用大電感濾波，直流電流波形比較平直。前述電壓源型變頻器是當前的主流，指電壓源型變頻器比電流源型變頻器性能優(yōu)越，采用電壓源型變頻器使變頻器的性能，包括輸出波形、功率因數(shù)、效率、可靠性及動態(tài)性能能進一步提高。見表1： 

5）通訊、診斷和操作 
     工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)作為工業(yè)企業(yè)綜合自動化系統(tǒng)的基礎(chǔ)，從結(jié)構(gòu)上看可分為三個層次：即管理層、監(jiān)控層和現(xiàn)場設(shè)備層。交流變頻傳動裝置和現(xiàn)場儀表一樣，屬于現(xiàn)場設(shè)備層，現(xiàn)今推出的變頻器具有極其靈活的通訊功能，通過總線不僅變頻器之間可以通訊，而且還可以和PLC或上一級的自動化系統(tǒng)進行通訊，如西門子SIMOVERT MASTERDRIVES可安裝通訊模件，即可通過PROFIBUS-DP 
     以12Mbit/s的速率，或CAN總線與更高級別的系統(tǒng)或與其他變頻傳動裝置通訊；又如AB的1336PLUS變頻器可由通訊模件直接掛在Control Net 上。上一級再通過工業(yè)以太網(wǎng)很容易組成全集成自動化系統(tǒng)。用一個高水平的用戶友好界面，變頻器的所有參數(shù)可形象化顯示、設(shè)定、處理，也可進行診斷操作等，也可實現(xiàn)在線和離線操作。 
2．應用 
     交流變頻傳動裝置現(xiàn)已廣泛在我國各行業(yè)應用，特別在石油化工、冶金鋼鐵、汽車、造紙、熱電、食品、紡織、包裝等工業(yè)。最大交流變頻傳動用于鋼鐵企業(yè)5000kW控制精度要求極高的軋機上，最小用在家用空調(diào)的風機上，幾乎包括各個領(lǐng)域。在水泥行業(yè)交流變頻傳動主要用在以下方面： 
1）節(jié)能調(diào)速 
     節(jié)能調(diào)速目前普遍使用在控制精度不高，動態(tài)性能要求低的平方率負載上，如風機和水泵，風機和水泵等機械總?cè)萘繋缀跽脊I(yè)電氣傳動總?cè)萘康囊话耄彩呛哪艿拇髴?，如一個5000t/d的水泥廠，窯尾高溫風機為2500kW,而全廠所有風機的耗電量約占整個廠用電量30%；增壓水泵和循環(huán)水泵容量也不小。如交流傳動不調(diào)速，風量和水的流量，靠檔板和閥門來調(diào)節(jié)，相當于增加管的阻力，使大量的電能消耗在檔板和閥門上，負載下降又使驅(qū)動電機的功率因數(shù)降低。由于風機和水泵是屬于平方轉(zhuǎn)矩負載，軸功率則與轉(zhuǎn)速大致成立方關(guān)系，如換成交流調(diào)速系統(tǒng)，當風機和水泵轉(zhuǎn)速下降時，消耗的功率大大下降，在眾多的風（水）量調(diào)節(jié)方式中，變頻調(diào)速的節(jié)能效果是很可觀的，據(jù)統(tǒng)計平均節(jié)能在20%左右。 
水泥行業(yè)中的泵類和風機已開始大量使用變頻器，并取得較好的節(jié)能效果。由于控制要求不高，只要選型正確，各類變頻器都可用于泵類和風機中；在大功率高壓的泵類和風機負載也采用了大功率高壓變頻器，筆者建議水泥廠可采用多個低壓PWM變頻單元串聯(lián)的大功率高壓變頻器，主要它對電網(wǎng)和其他高壓設(shè)備產(chǎn)生諧波干擾小，另外安裝和維護相對簡單，某個功率單元故障出現(xiàn)時，可自動退出系統(tǒng)，而其他功率單元可繼續(xù)保持電機的運行。當然也可使用大功率器件組成的高壓變頻器，但價格較貴，諧波干擾不易解決，拉發(fā)齊都江堰水泥廠幾乎所有風機采用了大功率高壓變頻器。  
2）其他交流變頻調(diào)速 
      篦冷機、選粉機、各種稱重設(shè)備及板式給料機等都已采用變頻調(diào)速篦冷機、選粉機、各種稱重設(shè)備及板式給料機等都已采用變頻調(diào)速。在水泥行業(yè)回轉(zhuǎn)窯采用直流傳動長達一世紀，主要對其起動轉(zhuǎn)矩要求較高，一般為額定轉(zhuǎn)矩的2.5倍，另外要求過負荷能力時間長和過負荷倍數(shù)高，選型時，必須按起動要求額定轉(zhuǎn)矩的 倍數(shù)，折算為交流起動轉(zhuǎn)矩以確定交流電動機的功率，并正確選擇與電機的功率匹配的變頻器，充分考慮起動轉(zhuǎn)矩和過負荷能力。一個3300t/d的廠，回轉(zhuǎn)窯 
傳動直流電機的功率為315kW,如采用交流傳動交流電機的功率則選為450kW，希望用交流變頻傳動，則變頻器應選用710kW容量的交流變頻器。 
3)交流調(diào)速裝置應用時注意幾點： 
     a.在使用過程中要注意變頻器的功率與電機的功率匹配或變頻器的負載特性與實際負載特性匹配。變頻器選大了造成浪費，選小了驅(qū)動不了設(shè)備。因此變頻器選型是關(guān)鍵。變頻器分恒功率型和恒轉(zhuǎn)矩型，對一般容量且無過載要求選用恒功率型。對于工藝有過載要求的必須選用恒轉(zhuǎn)矩型 
     b．交流變頻調(diào)速傳動裝置對電網(wǎng)會產(chǎn)生諧波干擾，應按中國的諧波標準GB/T14549-93加諧波濾波器或電抗器，使其對電網(wǎng)干擾最小。.  
     c．為使變頻調(diào)速器受外界干擾影響最小, 在布線時控制電纜，電源電纜與電動機的連接電纜的走線必須相互隔離。不要把它們放在一個電纜線槽中或電纜架上；輸入和輸出信號回路必須用屏敝對絞線，接到電動機的主回路連接電纜應該是屏蔽或鎧裝，屏蔽層接地；用短而粗的節(jié)電接地線按規(guī)定正確連接保護接地和系統(tǒng)接地，最后連接到公共的星形接地網(wǎng)絡(luò)；根據(jù)需要還可考慮加隔離變壓器和進線電抗器，使其受干擾影響最小。 
    d. 水泥生產(chǎn)使用的原料本身的比重大，加在輸送設(shè)備上的重量也大，如板喂機，輸送皮帶等的調(diào)速變頻器必須選用同功率的恒轉(zhuǎn)矩變頻器。 
    特別是板式喂料機由于各種原因經(jīng)常運行在低頻率狀況，在磁點范圍內(nèi)變頻器輸出的電壓不能增加，其負載容量減少，電機發(fā)熱。這就要求選用專用的變頻電機 
e．在低速運行時，須防止軸系的震蕩；在高速運行時，須防止超速。

3．結(jié)論 
1）在我國交流變頻調(diào)速傳動裝置已在水泥行業(yè)廣泛應用，并已取得較好的經(jīng)濟節(jié)能效益。 
2）  隨著新型大功率半導體器件的推出，控制理論不斷倉新和發(fā)展，微電子技術(shù)完善，現(xiàn)今變頻器向著大功率、高電壓的方向發(fā)展，控制精度和動態(tài)特性也越趨完美，水泥行業(yè)的大功率、高電壓變頻器也將開始使用。