变频器在节能领域的应用毕业设计(论文)

第1章绪论

随着生产技术的不断发展，直流拖动的薄弱环节逐步显露出来。由于换向器的存，直流电机的维护量加大，单机容量、最高转速以及使用环境都受到限制。人们开始转向结构简单、运行可靠、维护方便、价格低廉的异步电动机。但异步电动机的调速性能难以满足生产的需要。于是，从20世纪30年代开始，人们致力于交流调速技术的研究，然而进展缓慢。在相当长的时期内，直流调速一直以其优异的性能统治着电气传动领域。20世纪60年代以后，特别是70年代以来，电力电子技术、控制技术和微电子技术的飞速发展，使得交流调速性能可以与直流调速相媲美。目前，交流调速已进入逐步代替直流调速的时代。

1.1变频器的应用

变频器主要用于交流电动机（异步电机或同步电机）转速的调节，是公认的交流电动机最理想、最有前途的调速方案，除了具有卓越的调速性能之外，变频器还有显著的节能作用，是企业技术改造和产品更新换代的理想调速装置。自上世纪80年代被引进中国以来，变频器作为节能应用与速度工艺控制中越来越重要的自动化设备，得到了快速发展和广泛的应用。

1.2变频器与节能

变频器产生的最初用途是速度控制，但目前在国内应用较多的是节能。中国是能耗大国，能源利用率很低，而能源储备不足。在2003年的中国电力消耗中，60—70％为动力电，而在总容量为5．8亿千瓦的电动机总容量中，只有不到2000万千瓦的电动机是带变频控制的。据分析，在中国，带变动负载、具有节能潜力的电机至少有1．8亿千瓦。因此国家大力提倡节能措施，并着重推荐了变频调速技术。

应用变频调速，可以大大提高电机转速的控制精度，使电机在最节能的转速下运行。以风机水泵为例，根据流体力学原理，轴功率与转速的三次方成正比。

当所需风量减少，风机转速降低时，其功率按转速的三次方下降。因此，精确调速的节电效果非常可观。与此类似，许多变动负载电机一般按最大需求来生产电动机的容量，故设计裕量偏大。而在实际运行中，轻载运行的时间所占比例却非常高。如采用变频调速，可大大提高轻载运行时的工作效率。因此，变动负载的节能潜力巨大。

作为节能目的，变频器广泛应用于各行业。以电力行业为例，由于中国大面积缺电，电力投资将持续增长，同时，国家电改方案对电厂的成本控制提出了要求，降低内部电耗成为电厂关注焦点，因此变频器在电力行业有着巨大的发展潜力，尤其是高压变频器和大功率变频器。

1.3 变频器与工艺控制（速度控制）

目前，中国的设备控制水平与发达国家相比还比较低，制造工艺和效率都不高，因此提高设备控制水平至关重要。由于变频调速具有调速范围广、调速精度高、动态响应好等优点，在许多需要精确速度控制的应用中，变频器正在发挥着提升工艺质量和生产效率的显著作用。

1.4 国内变频技术的现状和发展前景

国内已经有较多的变频器生产厂，但大部分的产品都是V/F控制和电压空间矢量控制变频器，使用在调速精度和动态性能要求不高的负载上应该没有问题。工业应用中绝大部分都是这种负载，变频器在这种场合应用最重要的要求是可靠性，国产变频器占国内市场份额不高的主要原因是产品品质不过硬。V/F控制和电压空间矢量控制变频器比矢量控制变频器从技术上来看要简单得多，由于国内厂家大部分都是手工作坊式的生产，工艺欠佳，检测手段有限，品质的一致性和稳定性难以保证。同样是V/F控制的变频器，国外的产品比国内的产品品质要好，这可能是生产工艺方面的差距。

变频器技术的另外一个层面是应用技术。多年来，国家经贸委一直会同国家有关部门致力于变频器技术的开发及推广应用，在技术开发及技术改造方面给予

了重点扶持，组织了变频调速技术的评测推荐工作，并把推广应用变频调速技术作为风机、水泵节能技改专项的重点投资方向，1995—1997年，3年间我国风机、水泵变频调速技术改造投入资金3．5亿元，改造总容量达100万千瓦，可年节电7亿度，平均投资回收期约2年。据有关资料表明，我国变频调速技术应用已经取得了相当大的成绩，每年有数十亿元的销售额，说明我国的变频器应用已非常广泛。从简单的手动控制到基于RS一485网络的多机控制，与计算机和PLC 联网组成复杂的控制系统。在大型综合自动化系统，先进控制与优化技术，大型成套专用系统，如连铸连轧生产线、高速造纸生产线、电缆光纤生产线、化纤生产线、建材生产线等，变频器的作用是电气传动控制，其控制的复杂性、控制精度和动态响应都有很高的要求，已经完全取代了直流调速技术。近年来，变频器在功能上，利用先进的控制理论，开发出了诸如卷取、提升、主从等控制功能，使应用系统的构成更加方便和容易，使变频器的应用技术提高到一个新的水平。

第2章变频器的现状及其未来的技术发展

现在，变频技术在发达国家己经成熟，随着新的电力电子器件的不断出现，新的变频技术层出不穷，使其得到了更广泛的推广应用。变频技术的迅速发展是建立在电力电子技术的创新、电力电子器件及材料的开发及器件制造工艺水平提高基础之上的，尤其是高压大容量绝缘栅双极晶体管IGBT、集成门极换流晶闸管工IGCT器件的成功开发，使大功率变频技术得以迅速发展，性能日益完善。目前市场上新型变频器品牌繁多，各有千秋。通过分析发现，这类变频器有许多共同点。下面对变频器的发展史及现状和其未来的技术发展方向进行分析介绍。

2.1变频器的发展历程

变频技术是应交流电机无级调速的需要而诞生的。20世纪50年代末，美国通用电气公司推出了电力半导体组件晶闸管（可控硅SCR），给变频技术提供了

划时代意义的基础硬件。进入70年代，由于直流电机的调速局限性，交流电机越来越受到人们的青睐。随着市场需求的增长，技术也日益发展和完善。1971年，美国、德国提出了矢量控制技术，使得变频器的交流调速性能可以和直流调速相媲美。1973年，美国提出了电力电子技术这一新的技术学科，其最大应用领域就是调速传动。1979年，日本采用矢量控制的变频调速系统开始实用化，技术又上了一个新台阶。到了20世纪80年代，由于电力半导体开关器件和微电子技术的进步，变频器性能及可靠性提高，生产成本下降，其应用开始普及。

几十年间，电力电子器件也从最初的SCR（晶闸管）、GTO（门极可关断晶闸管），经过BJT（双极型功率晶体管）、MOSFET（金属氧化物场效应管）、SIT（静电感应晶体管）、SITH（静电感应晶闸管）、MGT（MOS控制晶体管）、MCT（MOS控制晶闸管），发展到今天的IGBT（绝缘栅双极型晶体管）、HVIGBT（耐高压绝缘栅双极型晶闸管），器件的更新促使变频器的应用领域更为广泛，市场规模随之迅速扩大。

步入20世纪80年代，全球变频器技术变革速度加快，走向成熟的变频产品被广泛应用在国民经济的各个行业领域。随着中国变成世界工厂，制造业的快速发展为变频器产品提供了越来越大的市场空间，然而时至今日，国内变频器市场还可以说是外国人的天下，日系和欧美瓜分了80%的市场份额，但近年来台湾变频品牌也有一些强势表现，国产品牌总体仍处于弱势。

国产变频曾经落后国外“10—15年”，近几年的奋起直追下，不仅在技术上有了很大突破，多家国产变频的发展也同国际接轨，具备了相当的企业竞争力。英威腾,易能,安邦信,智光电气等国产变频厂家，凭借价格优势，开始占据越来越多的市场份额，但不可否认真正决定国产变频是否具有竞争力的核心因素还是技术水平。

（1）品种和规格

品种和规格往往反应了一个企业所具有的技术实力的高低。纵观目前市场中的主流变频，欧美品牌通过模块化设计，可以做到很宽的功率段。而我国变频器配套产业的实力相对较弱，国产品牌无论在技术、加工制造、工业设计等方面还是在资金实力方面，都与国外品牌存在一定差距。目前，外资品牌在国内变频器市场的占有率约为80％。本土变频器企业主要生产V/F控制产品。对于性能优