变频调速技术的发展与应用

    由于变频调速在频率范围、动态响应、调速精度、低频转矩、转差补偿、通讯功能、智能控制、功率因数、工作效率、使用方便等方面是以往的调速方式无法比拟的，它以体积小、重量轻、通用性强、拖动领域宽、保护功能完善、可靠性高、操作简便等优点，深受钢铁、有色、矿山、石油、石化、化工、医药、纺织、机械、电力、轻工、建材、造纸、煤炭、卷烟、自来水等行业的欢迎，社会效益非常显著。它优于以往的任何调速方式，如变极调速、调压调速、滑差调速、串级调速、整流子电机调速、液力耦合调速，乃至直流调速而成为电机调速的佼佼者。

     本文站在新世纪之初，回顾19世纪80年代末的变频状况，详实地报告了我国这十多年变频技术、变频市场的变化及变频技术的重要应用。

     正确地说，我国变频器的市场化始于80年代后期，第一家商品化的变频器当属日本三垦变频器，香港力达公司作为三垦的总代理，在国内巡回讲座变频技术（当时是SVF型）。紧接着，日本富士变频器推入中国（富士5型）。所以说80年代末，我国的变频市场是被三垦、富士占领着，尽管在这以前，机械部的西安电力电子技术研究所研制电流型变频器，天津电气传动研究所研制着电压型变频器，大连电机厂买了日本东芝技术，都没形成规模。那么，到现在，除了日本三垦、富士变频器，还有三菱、东芝、安川、明电舍、日立、春日、松下、东洋、AB、罗宾康、通用、KB、摩托托尼、西门子、伦茨、ABB、丹佛斯、西技来克、阿尔斯通、施耐德、安萨尔多、SEW、住友、三木、CT、VACON、KEB、RELIANCE、TE、伊林、欧陆、三星、LG、台安、东元、普传、安邦信、森兰、佳灵、吉纳、先行、安圣（华为）、时代、利德华福、富凌、九德松益、利佳、贺盛达、格立特、同方、隆达、惠丰、HOLIP、MSC、ALIPHA、隆兴、爱德利、台达、大晋、宁茂、阳网、士林、南昱、康沃、建业、风光电子、凯奇、裕丸、VF-A3（辽无一厂）、DVF-C（东宇）、四维、欧林、腾龙、维晶美、先马、HIC（华能）、天传、西电子等八十多个品牌。好似龙争虎跃，其中在中国建立合资厂的有：富士（无锡）、ABB（北京）、西门子（天津）、三垦（江阴）。可喜的是，中国涌现不少变频器生产厂家，除台湾外，如安圣、佳灵、利德华福等。

     变频技术上的进展更为显著。80年代末的变频器，技术上还不很完善，有的如缺少避开频率点功能和瞬时停电自动再起动功能等，而目前的变频器，功能非常强，除具有转矩提升、转差补偿、转矩限定、直流制动、多段速度设定、S型运行、频率跳跃、瞬时停电自动再启动、重试功能等性能外，还有A、直接转矩控制，实现高起动转矩。0转数时，转矩输出100%。B、低干扰控制方式。C、通信功能、RS485接口，可以选用各种总线。如Profibus 、Interbus等。通用变频器容量也有所放大。如：日本富士、日本明电舍达到了315kW，而西门子可以做到800kW。总的感觉，许多变频器基本相通，各有千秋。如日本变频器年代早、产量大、可靠性高、设计细化。西门子变频器范围大、电压等级多、功能多。欧洲变频器不但有通信功能，而且有通信协议。富士7.5kW以下内置制动单元和制动电阻，三垦IPF系列备有恒压供水基板（IWS），丹佛斯变频器具有较强的滤掉谐波功能等。变频器的核心逆变元件也由GTR转为IGBT。这十多年是变频技术发展的十年，是变频技术不断完善的十年。那么，变频器的价格呢？是不断降低的十年。以富士变频器为例：一台水泵用的280kW变频器，80年代末需28~30万元一台。而现在只需14~16万元一台。表1列出了富士变频器1990年和2000年的市场价。那时买一台，现在可以买二台。

      变频器在国内的应用

      20世纪90年代开始，交流变频调速装置在我国的应用有了突飞猛进的发展。由于变频调速在频率范围、动态相应、调速精度、低频转矩、转差补偿、通讯功能、智能控制、功率因数、工作效率、使用方便等方面是以往的交流调速方式无法比拟的，它以体积小、重量轻、通用性强、拖动领域宽、保护功能完善、可靠性高、操作简便等优点，深受钢铁、冶金、矿山、石油、石化、化工、医药、纺织、机械、电力、轻工、建材、造纸、印刷、卷烟、自来水等行业的欢迎，社会效益非常显著。在变频领域，我公司起步较早，销量较大，应用负载较多。可以说，伴随着我国变频技术成长。
下面，用实例来谈变频调速装置的应用及效益。

泵类负载，量大面广，包括水泵、油泵、化工泵、泥浆泵等，有低压中小容量，也有高压大容量。
采用变频控制时，电机或泵的转数下降，轴承等机械部件磨损降低，泵端密封系统不易损坏，机泵故障率降低，维修工作量大为减少。高楼的恒压供水变频系统，虽然只是变频器的简单应用，但很好得满足了高层用户用水的压力稳定性，大大节约了能源。

2风机类负载
风机类负载，也是量大面广设备，各行各业普遍应用，多数是调节挡板开度来调节风量，浪费大量电能。某炼油厂65吨/时中压锅炉是为回收催化裂化装置生产中产生的一氧化碳气而设置的主要动力设备。由于燃烧燃料的不同，所需风量相差近一倍。为此，他们对锅炉风机采用变频调速控制，去掉了风机挡板，年节电67万度，节电率67.7%，锅炉燃烧率提高1.6~2.7%，节省燃料油989~1628吨。

3轧机类负载
在冶金行业，近年用交流变频,轧机交流已是一种趋势。尤其在轻负载轧机，如宁夏民族铝制品厂的多机架铝轧机组采用通用型变频器，满足低频带载启动，机架间同步运行，恒张力，操作简单可靠。

4卷扬机类负载
卷扬机类负载，采用变频调速，稳定、可靠。铁厂的高炉卷扬设备是主要的炼铁输送设备。他要求启、制动平稳、加减速均匀、可靠性高。原多采用串极、直流或转子串电阻调速方式，效率低可靠性差。用交流变频替代上述调速方式，可以取得理想的效果。某钢厂对其300m3高炉卷扬设备控制系统用变频加制动单元和制动电阻取代原直流或转子串电阻调速方式，精度高、运行平稳、机械特性强、料车停车位置准确，杜绝了掉道事故，减轻了工人劳动强度，降低了噪声，节电且增产，多年使用未出现故障，效果显著。

5转炉类负载
转炉类负载，用交流变频替代直流机组是一种简单可靠，运行平稳的调速方式。转炉倾动和氧枪升降采用交流变频调速拖动。经过多年的生产应用，系统运行稳定可靠，技术指标完全满足工艺要求。转炉、氧枪主传动系统引起的热停工可以减少90%以上，为钢厂以后稳定生产打下坚实的基础。

6辊道类负载
辊道类负载，多在钢铁冶金行业，采用交流电机变频控制，可提高设备可靠性和稳定性。
钢铁中型厂后道工序改造，采用变频装置拖动交流电机并和PLC接口，产生良好的效果。调速精度高，提高了产品质量，设备可靠性高，保证了生产的连续性，提高了产品质量。由于变频制动效果好，省去了机械制动闸。由于速度连续可调，省却了大量减速机装置，同时改善了生产环境，消除了噪音。单节电一项，一年半就可收回全部变频装置的投资。变频器应用于辊道类负载，可以采用一台变频装置带多台笼式电机的技术。

7大型窑炉煅烧炉类负载
冶金、建材、烧碱等大型工业转窑（转炉）以前大部分采用直流、整流子电机、滑差电机、串机调速或中频剧组调速。由于这些调速方式或有滑环、或效率低，经过改造，采用交流变频控制，效果极好。

8吊车、翻斗车类负载
吊车、翻斗车等负载转巨大且要平稳，正反频繁且要可靠。变频装置控制吊车、翻斗车满足这些要求
石化工厂采用变频调速和PLC控制焦化翻斗车，取得了较高可靠性和经济效益。

9拉丝机类负载
生产钢丝的拉丝机，要求高速、连续。钢丝强度200kg/mm2,调速系统精度高、稳定度高且要求同步。某金属制品厂活套式拉丝机采用变频控制，运行几年工作正常。由于用异步机取代了直流机，提高了设备可靠性，并提高了产品质量。

10运送车类负载
煤矿的原煤装运列车或钢厂的钢水运送车灯采用变频技术效果很好。采用变频器控制系统，对原煤装运车双速电机系统进行了改造。起停快速，过载能力强，正反转灵活，达到了煤面平整、重量正确（不多装或少装），基本上不需要人工操作，提高原煤生产效率，节约电能。钢水运输车采用变频技术，运驶速度快而平稳，安全可靠。

11电梯高架游览车类负载
由于电梯是载人工具，要求拖动系统可靠，又要频繁的加减速和正反转，电梯动态特性和可靠性的提高，便增加了电梯乘坐的安全感、舒适感和效率。过去电梯调速直流居多，近几年逐渐转为交流电机变频调速，无论是日本，还是德国。我国不少电梯厂都争先恐后的用变频调速来装备电梯。
单轨高架游览车，行驶中频繁起动、停车、上坡、下坡，并要求起停平稳、车速恒定。由于是载人车，运行必须安全可靠，常年日晒雨淋，环境恶劣。以往要求调速性能高的传动装置，多采用带测速反馈的矢量控制系统，价格较高，为了降低价格，并维修方便。我们采用通用型变频器转矩适量控制方式，成功地解决了起动/贾素、停车/减速、恒速/变速行驶等，并防止了“下滑”、“冲站”现象的产生，达到了安全可靠，用户非常满意。

12给料机类负载
冶金电力煤炭化工等行业，给料机众多，无论圆盘给料机，还是振动给料机，采用变频调速，效果均非常显著。如圆盘给料机，原为滑差调速，低频转矩小，故障多，经常卡转。采用变频调速，由于是异步机，可靠性高、节电，更重要的是和温度变送器闭环控制可以保证输送物料的准确，不至于使氧化剂输送过量超温而造成事故，保证了生产的有序性。

13堆取料机类负载
堆取料机是煤场、码头、矿山堆取的主要设备，主要功能是堆料和取料。老式的堆取料机，其堆料和取料均为手动操作，生产效率低，工人劳动强度大。经过改进采用变频调速。实现自动堆料和半自动取料，提高了设备可靠性，设备运行平稳，无冲击和摇动现象，取料过程按1/cos∮规律回转调速，提高了抖轮回转取料效率和皮带运煤的均匀度，很受工人欢迎。
14破碎机类负载
冶金矿山、建材应用不少破碎机、球磨机，该类负载采用变频后，效果显著。
露天矿在重负载锷式破碎机用交流变频调速装置拖动和工业控制机控制，提高了设备可靠性，减少了维修费用，提高了自动化程度，提高了效率，可以节约大量的能源。

15搅拌机类负载
化工、医药行业搅拌机非常之多，采用变频调速取代其他调速方式，好处特多。
发酵罐电机原为齿轮调速，如遇搅拌速度变化需拆卸三角皮带，即笨重又不安全。该用变频调速后，可以大量节约电能，发酵过程可以得到明显好转，提高了产品质量，减少了维修，减少了工人劳动强度，有益于工厂，有益于工人。

16纺织机类负载
纺织的工艺复杂，工位多，要求张力控制，有的要求位置控制。目前变频控制系统在纺织行业中得到广泛应用。
如：粗纱机、细纱机、梳棉机、喷气织机等。通过PLC控制系统达到纺织中变频调速、张力、位置等多种控制。

17特种电源类负载
许多电源，如实验室电源等可用变频装置来完成，好处是投资少、见效快、体积小、操作简单。
海尔集团开发的60KVA变频电源控制系统，从合同立项到安装验收完成紧用了15天。经过多年试用，该系统有以下优点：
A、 可靠。运行多年，未发生故障跳闸。
B、 运行稳定，电压、频率波动极小。
C、 调频方便，可输出三相220VAC±5%/60Hz±1%（可输出单相110VAC±5%/60Hz±1%）
D、 噪音小（<45分贝），改善了操作人员的环境。
E、 大大节约了能源的损耗

18切片、造粒机类负载
石化行业切片、造粒设备很多，由于变频调速精度高，平稳可靠，使用变频调速后可提高产品质量和产量，减少维修，给企业带来极大好处。挤出机上使用变频调速器，由于变频调速精度高、可靠性高、功率因数高，可以很大程度上提高设备的生产效率，降低能源损耗，并消除了启动时电流冲击，减少了维修，减少了工人的劳动强度。

19造纸机类负载
我国造纸工业的纸机，过去要求精度高的多采用SCR直流调速方式，有的用滑差电机、整流子电机。由于存在滑环和碳刷造成可靠性和精度不高。导致造纸机械落后，一般车速只有200米/分左右，难同国外1000米/分相比。因而造纸机械的变频化已是大势所趋。

20音乐喷泉类负载
非常招揽游人的音乐喷泉，其水的高低和量的大小是靠变频控制的。目前较多的大型喷泉多采用变频控制。美观而经济。

21磨床等机械类负载
磨床主轴电机转速很高，需要电源的频率也高，有200 Hz 400 Hz甚至800Hz。以前主轴电机的电源多由中频发电机组拖动。中频机组体积大、效率低、噪声大、故障多、精度差。目前使用变频控制后，好处甚多。一是精度高，加工的轴承等表面光滑，而是占地小、噪音小（90Db降到30dB），三是提高产品质量，四是节点。

22卷烟机类负载
卷烟行业过去进口的卷烟机，不论莫林8，还是莫林10，均非无极调速。因而，在卷烟行业主要是解决无极调速和可靠性问题，技术简单，变频器用法简单，收效极大。
卷烟机改造迅速，受益很大。现在国产的卷烟机大部分都装备了变频调速功能。

23减震和降低噪音型负载
不少负载，如大型空压机、中频机组等噪声大、振动大。采用变频技术，可以减震降噪，达到标准以内。石油工厂码头螺杆泵是作为油轮卸油用，卸油扫舱时振动和噪音很大。因为振动往往使管架晃动，阀门和船破裂，噪声超过90分贝，振动和噪声成为卸船扫舱的大难问题。通过变频调速，控制最佳状态，使螺杆泵出口压力恒定，把振动和噪声控制在标准内。目前一些较早的大型空压机设备也存在一定的问题需要变频改造。

24印染机类负载
大部分印染机械都是多单元联合工作设备。工艺上要求各单元以相同的县速度同步运行并保持张力恒定。否则会断布、缠布、色度不匀、色彩度不够，缩水率过大等质量问题。以往的印染机械无论是共电源方式或分电源方式都是采用直流调速系统。
因为直流电机固有的缺点，现在印染行业多数采用交流变频技术。圆网印花机由进布单元、印花单元、烘房导带单元及落布单元四部分组成，属于印染调速系统复杂的一种。采用变频调速形成速度链控制。同步性能好，精度高，可靠性高。
变频调速正在逐步地成为电气传动的中枢。它取代着变级调速、滑差调速、整流子电机调速、液力耦合调速、串级调速及直流调速。除了节电外（12~70%），更重要的事，产生增产、降耗、优质的效果，深受设计、工程、操作人员欢迎。

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