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
精度的最终切削；
2）由于不需要维护电刷，主轴电机的安装位置可更自由地选择；
3）由于采用全封闭式电机，适应环境性更好；
4）由于不需要励磁线圈，更节省电能。
另外，对于通常采用离合器变速的车床，引入通用变频器后，也可取得如下的效果：
1）简化了动力传递机构；
2）能实现精细的恒线速控制；
3）不用对离合器进行维护；
4）容易实现高速恒功率运转。
图3 立式车床变频调速框图
对于自动车床，采用具有下列功能的变频器可以缩短加工周期：
（1）可不经过停止状态直接由正转变反转；
（2）变频器输出频率为120Hz以上，可加快速度；
（3）备有相应于急剧减速的再生制动装置，而且有制动功能，减速结束时不用机械闸就能完全停止；
（4）低速时速度变化率小，运行平滑。
3.3 磨床变频调速
旋转平面磨床变频调速工作示意图4。
图4
使用效果有：
1）与以往方式（油压电机方式）相比，对机械部件的热影响降低，因而提高了工件的研磨精度；
2）与以往方式相比，速度跟踪性能提高使线速度变化减小，降低了工件的
表面粗糙度；
3）速度设定较以往方式更容易，操作简便；
4）不需要油压保养，机器运转率提高。
变频技术已深入我们生活的每个角落，变频调速系统的控制方式包括V/F、矢量控制（VC）、直接转矩控制（DTC）等。
V/F控制主要应用在低成本、性能要求较低的场合；而矢量控制的引入，则开始了变频调速系统在高性能场合的应用。
随着变频技术的应用于发展和市场竞争的加剧，要掌握市场经济的主导，必须注重研发技术，加大力度，在人力资源和资金要给予大力支持。
开发具有自主产权特点鲜明的产品，不久后，我国在变频技术方面，将会走在世界前列。
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