变频技术的应用与发展

变频技术的应用与发展

【摘要】变频技术是集自动控制、微电子、电力电子、通信等技术于一体的高科技技术。随着科学技术的高速发展，变频器以其具有节电、节能、可靠、高效的特性应用到了工业控制的各个领域中，如变频调速在供水、空调设备、过程控制、电梯、机床等方面的应用，保证了调节精度，减轻了工人的劳动强度，提高了经济效益。

【关键词】变频技术；发展应用趋势；电梯

变频技术的应用可分为两大类：一种，是用于传动调速；另一种，是用于各种静止电源。而变频器最为典型的应用是以各种机械的节能为目的。

1 变频技术在电梯设备上的应用

电梯是一种垂直运输工具，它在运行中不但具有动能，而且具有势能。它经常处在正反转、反复启制动过程中。对于载重大、速度高的电梯来说，提高运行效率、节约电能是重点要解决的问题。如果均匀地改变定子供电电源的频率，则可平滑地改变交流电动机的同步转速。在调速时，为了保持电动机的最大转矩不变，需要维持气隙磁通恒定，这就要求定子电压也随之作相应调节，通常是保持U/f=常数。因此，要求向电动机供电的同时要兼有调压与调频两种功能，通常简称VVVF型变频器；用于电梯时常称为VVVF型电梯，简称变频电梯。

电梯动力来自电动机，一般选11kW或15kW的异步电动机。曳引机的作用有三点：一是调速，二是驱动曳引钢丝绳，三是在电梯停车时实施制动。为了加大载重能力，钢丝绳的一端是轿厢，另一端加装了配重装置，配重的重量随电梯载重量的大小而变化。计算公式如下：配重的重量=（载重量/2十轿厢自重）×45%。公式中的45%是平衡系数，一般要求平衡系数在45%～50%之间。为满足乘客的舒适感和平层精度，要求电动机在各种负载下都有良好的调速性能和难确停车性能。

图1 电压源变频电梯电力传动系统框图

1.1 系统构成

主要有以下几部分：

1.1.1 整流与再生部分。这部分的功能有两个，一是，将电网三相正弦交流电压整流成直流，向逆变部分提供直流电源；二是，在减速制动时，有效地控制传动系统能量回馈给电网。

1.1.2 逆变器部分。逆变器部分同样是由IGBT或IPM模块组成，其作为无源逆变器，向交流电动机供电。

1.1.3 平波部分。在电压源系统中，由电解电容器构成平波器。（如果是电流源，将由电感器组成。）

1.1.4 检测部分。PG作为交流电机速度与位置传感器，CT作为主回路交流电流检测器，TP作为与三相交流电网同步的信号检测，R为直流母线电压检测器。

1.2 工作原理

如图所示，电压反馈信号UF与交流电源同步信号US送入PWM1回路产生出符合电动机作为电动状态运行的PWM1信号，控制正弦与再生部分中的开关器件，使之只作为二极管整流桥工作。当电动机减速或制动时便产生再生作用，功率开关器件在PWM1信号作用下进入再生状态，电能回馈给交流电网。交流电抗器ACL主要是限制回馈到电网的再生电流，减少对电网的干扰，又能起到保护功率开关元件的作用。

1.3 系统特点

1.3.1 使用交流感应电动机结构简单，制造容易，维护少，适于高速运行。

1.3.2 电力传动效率高，节省电能。电梯属于一种位势负载，在运行时具有动能；因此在制动时，将其回馈电网具有很大意义。

1.3.3 结构紧凑，体积小，重量轻，占地面积大为减少。

图2 高速超高速电梯变频器控制方式构成图

2 变频技术在自动扶梯应用

2.1 自动扶梯变频化的要点

一般由商用电源供电的自动扶梯是恒速运行的，从早到晚不管有无乘客均连续运行，因此，能量消耗大，皮带磨损严重。而节电的变频自动扶梯则在乘客的上和落口处设置专用的传感器，当检测出无乘客时，让驱动电机从商用电源上断开，使自动扶梯停止运动，达到节电的目的。

由于自动扶梯是公共场所运送乘客的主要设备，不能简单的像货物传送带一样，任意地从商用电源接入、切出，若处理不当有可能造成设备和人身的事故。所以应注意以下几个问题：

1）自动扶梯停止时，乘客可能会误解自动扶梯发生故障，造成误判断；

2）电动机接入电源时，会产生大的起动冲击电流；

3）对于升降兼用的自动扶梯，不断的进行可逆切换，会损坏机械部件。

具体的做法是：自动扶梯进入变频调速运行后，当无乘客时并非完全切除交流电源，而是先降频低速节能运行。此外，应用变频调速可以进行电机软起动，起动效率高，小的起动电流能产生高转矩。结果，使电动机发热减低，且可进行频繁的运转、停止。对于可逆自动扶梯也可利用变频器正反转功能进行柔性切换，不会损伤电机。

2.2 对变频器的要求

对变频器的要求主要从安全性、舒适性和经济性三个方面来考虑。

1）安全性：有完善的硬件及其保护功能，使可靠性提高。

2）舒适性：低速时产生了转矩；低噪音；转矩波动小。

3）经济性：程序控制功能完善（不需再附加外部设备）。变频器系统应含商用电源切换的部件。

3 变频技术在机床设备上的应用

数控机床是由数字控制技术操纵的一切工作母机的总称，是集现代机械制造技术、微电子技术、功率电子技术、通讯技术、控制技术、传感技术、光电技术、液压气动技术等为一体的机电一体化产品，是兼有高精度、高效率、高柔性的高度自动化生产制造设备。

3.1 数控机床的电力驱动

这里从节电的角度来考虑数控机床的电气拖动问题。

数控机床的电力驱动主要分为3种类型：

1）进给伺服驱动系统；

2）主轴驱动系统；3）电机内装式高速交流主轴驱动系统。

3.2 主轴变频交流调速

使用通用型变频器可以对标准电机直接变速传动，所以除去离合器很容易实现主轴的无级调速。对于通常采用主轴直流调速的高级机种，引入主轴专用变频器进行交流调速后，可以得到以下的效果：

1）由于有更高的主轴速度，可以实现对铝等软工件的高效率切削以及更高