交流传动在我国的应用和展望

一 我国变频技术应用现状

国内变频调速技术经过十多年的应用推广 , 得到了飞速发展 。变频器己广泛应用于国民经济的各个行业。 促进了节能改造, 极大地提高了我国工业电气传动水平。但推进的力度 还不够 , 变频器应有的潜能还远没有充分发挥出来 。1997 年统计全国需进行调速改造的变频器市 场大约有1500亿元人民币 ( 不包括后来新增的需调速设备 ), 但到 2001 年 , 改造不到10%( 包括高效节能电机的使用在内 ) 。距离国家 " 电机系统节能计划 " 投资500 亿元进行发展 的要求相距甚远。这里有我国电网结构问题, 耗能大, 浪费多的电机设备多集中在大型企业, 主要是那些高压电风机与水泵上 , 据有关资料统计报道 , 我国风机、水泵、空气压缩机总数 大约 4200 万台 , 装机容量约 1.1 亿万千瓦。然而实际情况大多是大马拉小车、无论轻载重 载都以一种恒速的方式运行。实际工作效率只有 60-40%, 损耗电能占总发电量的 40% 。多数 情况 , 设备不能跟随工作状况的变化及时调整运行设备的速度, 造成电能浪费 , 生产成本提高, 效益降低, 甚至造成环境污染。其原因包括技术，电网，资金和认识等问题。
变频调速技术的应用和推广，在工业生产中无非是解决两大问题：一是节能，二是改善生产过程。
我国的产值能耗是世界上最高的国家之一。据统计，目前我国电机的总装机容量己达 4 亿 kw, 年耗电量占全国用电量的近 60%, 但我国 电机驱动系统的能源利用率却非常低 , 基本上要比国外平均水平低20%，70%的电机只相当于国际 20 世纪 50 年代的技术水平 , 电机驱动系统能效比国外低 20% 左右 , 电能浪费十分严重。
要解决生产过程中能耗高的问题 , 除其它相关的技术问题需要改进外 , 变频调速技术已成为节能及提高产品质量的有效措施 , 变频调速的重要性日益得到了国家的重视 , 在国内推广变频器调速技术有着非常重大的现实意义和巨大的经济价值及社会价值。"十五"期间, 要通过" 电机系统节能" 计划的实施, 实现年节电1000亿kwh , 实施重点耗能行业节能示范工程, 计划在冶金、有色、建材、化工和石化等行业创办节能示范工厂 , 通过对工艺、技术和设备的全面改造和大量使用节能材料 , 实现系统节 能带动全国节能提效工作的进一步发展 。
从 20 世纪 90 年代初 , 随着国内企业对变频器认识的逐步深入和大量外国产品的入境 , 我国变频器市场得以快速启动。中国企业亦开始认识变频器的作用并尝试使用。经过十 余年的推广和使用 , 变频器己得到广大企业用户的认可，在20世纪90年代里, 变频器大规模进人中国市场 , 在空调、电梯、冶金、机械、电子、石化、造纸、纺织等行业有十分广阔的应用空间。目前在我国交流传动市场占有大份额的变频器产品主要是国外品牌，如芬兰的 ABB 公司，德 国 的
Simense公司、伦茨公司， 法国的施耐德公司 , 丹麦的丹佛斯 , 日本的富士、日立、安川 , 明电舍、春日等等，还有欧陆、 CT，威肯，松下、欧姆龙，A 一 B 、GE 和 摩托托尼，三星、ANSALDO等等 。其中ABB公司、Simense公司等己在国内建厂生产部分系列品牌变频器。
最先进入中国变频器市场的是日本品牌 ,计有三垦公司的, 富士公司的，后来又有了东芝公司的、三菱公司的，安川公司的等等。当时的变频器多为以大功率晶体管为逆变元件的产品 , 属于变频器的第二代产品。不久，欧洲品牌则以更新的技术随后进入中国。欧洲的品牌以更新的设计，更好的性能，更周到的服务，逐渐扩大了市场，经过十几年的应用检验，成为用户的首选品牌。
欧洲大公司变频器技术在不断发展，从控制策略到制造工艺都在飞快的提高，使得变频器产品已进入了第四代技术。其性能亦能和直流传动技术相当，有相当一部分应用领域可以采用交流传动，效果亦相当理想。

二 交流传动的应用

（一）风机泵类的应用
在相当一类工业企业中使用了大量的风机水泵。按不同工况的需要，功率有大有小，电压有高有低。由于他们在设计选型时都有功率裕量，因而他们都有很大的节能潜力。据有关部门的统计 , 泵与风机的 耗电量约占全国电力消耗总量的 50% 左右。目前 , 泵 与风机运行中还有很大的节能潜力 , 其潜力挖掘的主 要方向是提高泵与风机的运行效率。据估计 , 提高泵 系统和风机系统运行效率的节能潜力达 200~400 亿 KWh , 相当于 4-8 个装机容量为 1000MW 级的大型火 力发电厂的发电总量。
以火力发电企业为例 , 泵与风机当然是最主要的耗电设备。据前几年的统计资料表明, 全国火力发电厂下述八种泵与风机 : 送风机、引风机、一次风机、排粉风机、 锅炉给水泵、循环水泵、凝结水泵、灰浆泵配套电动机的总容量为 12829 MW , 年总用电量为 450.2 亿 kwh, 占 l994 年全国火力发电量的 5.8% 。调查结果表明 : 火电厂上述泵与风机的节能潜力巨大 , 还有总容量约为3913 MW的泵与风机需要进行节能改造 , 完成这些改造 后 , 估计年节电量可达 25.69 亿 kwh 。需要改造的 lOOMW 以上机组的风机、水泵达 2469 台。
再比如，冶金企业是我国的能耗大户 , 单位产品能耗高出日本的3倍 , 法国的4.9 倍 , 印度的1.9 倍。冶金企业使用的风机泵类非常多，仅就轧钢均热炉为例，其基本的生产过程可分为四个部分：装人，加热，保温，出钢。加热升温期一般将热负荷给定最大 , 这时热风以最大量供给炉膛；保温期间 , 风量减少约为加热期的60%；出钢期间风量约为加热期的30%；装入钢坯期间风量为零。根据均热炉这一工况 , 可见对其风机实施变频改造 , 可以大幅度的节约电能。不仅如此，改造前均热炉调节风量是通过调节预热器 出口位置的热风放散阀 , 炉膛需要减少风量时 , 热风放散阀开启 , 热风直接放散到预热器外 , 带走大量热量 , 造成热量 损耗 ,采用变频改造后 , 不存在多余风量问题 , 可使装钢后预热器保证足够的温度，从而还节约了1-7%煤气燃料。减少氧化烧损，改善钢锭均热质量。
我国是水泥工业大国 , 水泥工业作为我国基础 性原材料工业的支柱之一 , 在国民经济可持续发展中具有举足轻重的地位。目前水泥产量已达到 7 亿吨以上 , 约占世界水泥总产量 1/3 。国民经济稳步高速发展需要保持一个较大的建设规模。大规模的房屋建筑、基础设施和工程建设都要求建筑材料的支柱产品一水泥在未来有更大的发展。目前水泥的应用己渗透 到国民经济建设的每个角落 , 各种民用建筑与工业厂房建设、海洋与水工工程、机场与路桥建设、地下与海底隧道工程以及国防、航天、石油等特殊工程 应用 ,因此，我国国民经济的迅速发展带动了建材和水泥工业的兴旺发展 ,水泥生产过程同样大量使用交流电机，有许多应用场合需要通过改变转速达到节能和改善工艺的需求，比如原料矿石的破碎，堆取，研磨，均化；旋窑的驱动，窑尾风机，窑头风机，蓖冷风机的调速；煤粉制备等等都可以通过合理的应用变频调速达到节能的目的。
与此类似的还有石油化工企业等，也都大量的使用了很多风机和泵，还有大功率的挤压机或压缩机等等。
在这些应用中，由于技术发展的原因，早期的电气设备不具备对交流电机进行方便调速的功能，所以电机的速度是恒定的，对风量和水流量的调节采用机械的方法，电能的浪费特别大。再者，电力部门从减小电机启动对电网的冲击和工作当中线损的角度出发 , 希望提高供电电压。于是造成现在在某些行业中，大量使用着200KW及其以上功率的高压供电电机。于是，高压变频技术及高压变频器装置便出现了。经过十几年的发展，特别是新型高压电力电子器件的出现，使高压变频技术和高压变频装置有了极大的提高。
按现在变频技术水平，大功率电力电子器件水平，采用低压供电方案，满足3000KW以内电机功率的供电是不成问题的。尤其是变频调速控制方式实际上对电机起动过程来说是最好的软启动方式。采用变频器调速后, 起动电流被限制在 额定值内，减小电网冲击，免除电机的机械损伤，减小供电回路的开关容量，减轻设备维护量。
在没有变频技术的年代里，由于电网直接供电的原因，电机功率以200KW为分界，区分出高压供电电机和低压供电电机。现在有了变频技术及变频器，保护供电电网已经不成问题了，高低压供电的分界点也就随之产生了变化。经过对技术方案的研讨，对设备投资的比较，分界点一般认为在800-1000KW是合适的。即800KW以下的电机，采用低压变频器供电更合适，大于1000KW的电机可以考虑使用高压变频器供电方案。当然在3000KW以内，使用低压变频器供电方案也是没有问题的。在这方面，ABB公司，Simense公司，
Robincon公司等都有相应产品。特别是ABB公司的直接高压供电变频装置，采用了新一代电力电子器件IGCT构成的高压大功率逆变桥，应用ABB公司的独家专利技术DTC对电机进行调速控制，使产品的性能和可靠性都达到了极高的水平。

（二） 改善工艺水平的应用
上述应用场合要求传动装置功率大，电压高。但对速度和力矩控制的精度和响应并无特殊要求。
与此相对应的更多的是低压供电变频器的需求。除去低压供电的小功率风机泵类以外，还有许多行业要求变频器不仅具有很好的速度控制精度，还要有快速的，精确的力矩控制性能。比如金属加工行业中的带材轧制过程，线材轧机，拉丝机械，铣面，纵剪，复合加工，连铸连轧，酸洗，矫直，剪切等等。这些工艺过常常要求多台电机之间要有精确的速度配合，或是要求力矩能快速的跟随负载的变化而变化。这些特性同时也是造纸行业，纺织印染行业，化纤行业，橡塑行业，印刷，包装，胶片制备和涂布等等行业所需要的。
上述各类加工过程，其产品的质量和产量除和加工机械有关外，还依赖于电气传动设备以及电气系统的构成水平。
还有一些对控制要求特殊的应用，比如提升机应用。提升机广泛的用于沿海沿江的港口码头，集装箱集散地，工矿企业，电站航天造船等大型设备的安装场合。他不仅要有精确的速度控制特性，还要有极好的力矩控制特性。力矩控制的精确度和响应快慢是衡量电气传动技术的重要指标。因为这一类纯位势负载的特性是被提升物一旦离开地面便没有了依托，物体在悬空状态下的升降或停住完全靠电气传动进行控制，起安全保护作用的抱闸的开闭必须精确控制，且传动必须能记忆提升力矩，以配合抱闸的开闭实现无跳变的速度控制过程，避免溜车造成的损害。有与此类似要求的应用场合还有电梯，立体仓库的物料运输机，高炉的卷扬机等设备。满足这类应用场合要求的传动设备就不是简单的通用变频器能完成的了。除要求电气设备的硬件有过硬的可靠性外，还要有特殊的专用软件，专门适合这类负载的全部控制需要：提升过程中的速度力矩控制要求，力矩记忆，抱闸控制，全程的速度力矩跟踪，校验，监视。岸机的稳定性监视和限制。在这类应用中，ABB公司具有标准的产品系列和专用软件。在世界各国的海港，集装箱码头，应用极其普遍。小容量的应用场合也有其他品牌在使用，比如安川公司的产品。
特殊应用中的另一大类是张力控制。
张力控制的只要应用对象是卷取机，卷取机是卷取各种成品或半成品的生产机械设备 , 一般都是处于生产线最后一道工序 , 卷取设备的机械和电气性能 , 直接影响着成品或半成品的质量 , 因之是关键性设备之一 。 同时卷取的过程还与前几道工序之间 有密切的联系 , 例如速度的同步性 , 速度的精度、速度的稳定性等 。而卷取的工艺过程又有它的特殊性 。 为此无论机械设备、电气控制、传动系统等都是比较复杂的 。卷取的失误，在最后一道工序中产生废品，肯定会造成前功尽弃的局面 , 所以他也是关键性设备 , 卷取设备投资较贵的是电气传动控制系统 , 他必须结合被卷取的物料特性 , 厚薄程度 , 物料强度 , 延伸率弹性变形量 , 物料的允许公差 , 卷取物料的直径变动量、重量、卷取速度等诸多因素综合考虑。对不同行业，不同物料的卷取有各种不同的控制方法和于段 , 既要保证卷取的质量又要尽可能减少设备的投资。
按照被卷取的成品或半成品物料的不同大致有下列几类 :
需要高精度卷取控制的 : 连续薄膜类产品如录像带、录音带、电影胶片、胶卷、及其涂布过程，塑料包装用薄膜、农用膜、塑料带、塑料管线 , 各种纸张 , 化纤生产用的拉丝筒 ( 晴仑、丙仑、维尼龙、化纤物 等)，冶金厂的冷热闸薄板、钢带，铜带、铝带，特殊稀有带材。拉丝厂的较细的铜线 , 合金丝 ,电热鸽丝 , 细的漆色线，帘子布的制造，压胶，叠层等 。
控制精度稍低的卷取有 : 直径较粗的漆
包线 , 细钢丝 , 铁丝 , 普通电线电缆 ,各
类传动皮带 , 橡胶带 , 粗纱卷绕，印染清洗、漂白、染色、印花、烘干，整烫。
以上情况仅按卷取物料和成品的不同 , 大致分类 , 不可一概而论。对速度控制精度、力矩快速响应的程度 , 虽然各自有各自的要求 , 但这方面的特性是一个公共的要求，需要电气传动设备必须保证的。
在ABB的交流传动系列中，有专门的卷取控制软件，通过参数设定，可以选择不同类型的张力控制方式。比如卷取，开卷设定，直接张力控制或间接张力控制，电流电势复合控制或最大力矩控制方式，张力恒定是采用速度补偿还是力矩补偿方式等等。软件内部自动完成卷径的高精度计算，自动进行动态补偿和静态补偿，自动完成线速度对卷取机的速度给定的转换和张力给定对电机的力矩给定转换。此外还有自动投张，静张保持，断带保护，自动环卷等诸多功能。充分发挥了现代交流传动的应用能力。因为在卷取过程中，恒张力控制是相当复杂的，除去要求传动装置的硬件性能优良外，还必须有专用的软件，才能支持器应用。所以能完成恒张力控制的传动品牌必须要仔细的进行选择。

三 交流变频调速器的类型

采用变频的方法，作为交流异步机的供电电源，实现对电机的转速控制，达到节能或改善工艺的目的，大约已有40年的历史了。随着电力电子技术和微电子技术的展，变频器的理论和产品水平也在飞快的发展。从60年代末到90年代，变频器的控制方法经历了几次大的发展变化。大概经历了三个阶段，每一个阶段，技术上都有一个突破性的进展，推出一个更先进的控制原理。每一类都有很大的应用市场，延续至今，形成三类控制原理并存的局面。
第一类是70年代以恒压频比控制方式为理论基础的变频调速。它可以做成转速开环变频调速方式，也可以做成转速闭环调速方式。转速开环变频调速系统在恒压频比控制的基础上，为了改善电机的低速力矩特性，增加了变频器低频段的电压补偿的协调控制 , 为了改善电机的速度特性的硬度，增加了转差补偿控制。虽然其结构简单 , 成本较低 , 但调速系统静、动态性能不高 。为了改善性能，继开环系统的基础上，软件里加入了 PI 型转速调节器 , 力图使转速无静差 , 改善稳态性能。在动态过程中 , 转速调节器饱和 , 系统能以最大转矩 Tm 加减速 , 保证了在允许条件下的快速性、加减速的平滑性 , 系统也容易稳定。然而这类基本型转差频率控制是从异步电机稳态等值电路和稳态转矩公式出发的 ," 保持磁通恒定 " 的结论只在稳态情况下成立。电流调节器只控制了定子 电流的幅值 , 并未控制其相位 , 其动态性与理想的闭环控制指标仍存在一定的差距。这类变频器常用于风机、水泵类节能型调速系统或对速度的动态指标要求不高的简单机械传动上。
第二类矢量控制型变频器出现于80年代
它是基于“ 感应电机磁场定向控制原理”, 和矢量系的 " 坐标变换 "原理, 经过不断改进和完善 , 形成的一类高性能的矢量控制变频调速系统。其基本思想是通过矢量变换和磁场定向 , 实现定子电流转矩分量与励磁分量的解耦 , 得到类似直流电机的动态数学模型 , 然后模拟直流电机进行控制 , 获得良好的静、动态性能。 继而出现的转差型矢量控制 , 进一步简化系统结构 , 使之进一步实用化。虽然理论上采用直接转子磁链定向最为理想，但是由于转子磁链直接检测相当困难 , 只能利用转子磁链模型进行磁场定向 , 而电机运行状态的变化以及参数的变化势必会影响转子磁链模型的精确性 , 进而影响系统的静、动态性能。为了使磁场定向准确且对电机参数变化不敏感 , 可以通过参数辨识、参数自适应等方法，提高系统的鲁棒性。
由于这类变频器采用了矢量控制技术，依靠计算机的快速数据处理能力，将一个连续的电流量经过坐标变换分解成无数对离散的、空间上互相垂直的两个电流分量 , 按 照磁场和其正交的电流乘积就是转矩这一原理 , 将定子电流分解成建立磁场的励磁分量和与磁场正交的产生转矩的转矩分量 , 然后分别进行各自的闭环控制 , 就象直流电动机可以分别对励磁和电枢电流进行控制一样 , 从而使得普通的交流电动机得到如同直流电动机的控制规律和动态性能。矢量控制变频器已广泛的应用到工业领域的各个行业中了。
从控制角度看，矢量控制的变换机理需要用测速元件，以测量转子的瞬时状态来确定转子磁链的位置。从应用角度看，要提高传动系统的控制精度，就需要精确测量转子的转速，构成速度闭环控制 。但速度传感器安装要求高 , 机械调试工作量大 , 由于场地及空间的限制 , 有些装置不允许安装速度传感器 , 于是近些年，许多公司纷纷推出无速度传感器的高性能交流调速系统。它正能弥补这些不足之处。无速度传感器的初始方法是实时检测定子电压和电流 , 再依据电机模型对转速直接进行估算 , 用估算的值作为内部速度反馈量，完成高精度的速度控制。因此提高转速估算精度是该系统的关键。
ABB公司在上世纪70年代已有型号为“SAMISTAR”和“ACV700”的矢量控制型变频器系列，随着更先进的直接转矩控制DTC型变频器问世，矢量控制型变频器曾淡出过ABB交流传动家族。为了补充交流传动在标准应用领域的需要，最近ABB公司再次推出更新了的矢量控制变频器系列-ACS550系列。该系列以更新的结构和更强大的功能服务于小容量，要求高的传动市场。
第三类是采用目前最先进的变频控制理论DTC构成的交流传动。DTC变频器由ABB公司于上世纪90年代推出。它的控制思路简单明了，控制性能卓越，几乎达到了交流异步电机调速的完美程度。很快深入到工业应用的各个领域。
它摈弃了大量的矢量控制中坐标系变换的计算，直接以电机的磁场和力矩为目标进行控制，系统原理简单明确。
理论和实践都证明了异步电动机接受了变频器馈入的 SPWM 电压后 , 在定子绕组中得到的是连续的正弦电流 , 且三相正弦电流在三相定子绕组中会产生圆形的旋转磁场 , 从而产生恒定的电磁转矩。反过来 , 如果用跟踪圆形旋转磁场的方法来控制定子绕组输入端的脉宽调制电压 , 形成反馈、闭环控制 , 那么效果会比输入 SPWM 电压更好。这就是“ 电压空间矢量控制 ” 思想，亦称 “ 磁链跟踪控制 ”。DTC控制着眼于定子侧的磁链为被控对象，极大的简化了矢量控制中的坐标变换计算。某一时刻的电压空间矢量决定了该时刻的磁链空间矢量，每一个磁链空间矢量都要根据前一个矢量的位置单独计算，由此形成的PWM输出，就时时刻刻反映着电机的实际力矩。因为数据从采集到运算完输出，仅经过25微妙，所以变频器的力矩可以快速的跟随负载的变化而变化，始终保持转速为给定值。PWM脉冲经过优化后在取控制逆变桥，进一步改善了速度控制过程中的指标。精确的电机模型直接输出电机速度值，作为反馈量，使交流异步机调速系统也具有象直流机一样的双闭环调节过程，使交流调速达到了目前的最高控制水平。
现在各厂商为了适应市场的需求，都在不断完善产品的控制性能和规格容量。其中ABB公司的变频调速产品在控制原理方面涵盖了上面提到的三个类别。有性能最好的DTC控制的，有现在市场大量存在的无传感器磁通矢量控制的，还有恒压频比控制的。他们被分别定义为工业应用级，标准应用级，OEM应用级和一般机械配套级。根据不同的系列，功率可以从0.12KW，大到2.7MW。电压可以从220V三相到4160V三相。其性能几乎可以满足当前工业应用中绝大多数的需求。
此外，还有一些国外知名品牌，虽然没有DTC变频器，但矢量控制型变频器应用的范围也是很大的。

四 不断发展的新技术

1. 智能控制
在现代自动化控制领域中，以现代控制论为基础，融入模糊控制，专家控制，神经网络控制，以形成高智能化的自动控制系为最新劫向。
2. 模糊控制
基于模糊數学的模糊控制理论 , 具有自学习的功能。它靠模糊控制器在执行控制的过程中不斷获取现场的信息 , 及肘调整模糊控制規律 , 改善系統性能。模糊控制不严格依賴控制过程或对象模型 , 具有較強的魯棒性和不敏感性。因此控制系统的稳定性会有很大的改善。为了进一步提高控制精度、抑制振蕩等現象,人們提出了各种改进方案 , 设计出各种模糊控制器。例如 :帶有积分作用的模糊控制器 , 自学系及自调整模糊控制器。現在 , 模糊控制理论已开始逐步应用于电气传动控制系統了。
3. 专家系統
专家系統是上世纪中期发展起来的人工智能应用領域的一个重要研究方法 ,上世纪末期将它引入实时控制領域。专家控制器结构简单, 它以知识库与推理机为主要部分。知识库用于存放大量的規則与经验 , 由数据庫和学习适应器組成 , 推理机利用知知识庫中的知识进行推理抉策 , 尋找理想的控制作用。专家控制系统结构复杂、造价高 , 除了具有专家控制器的基本功能外 , 还具备实时识别 , 性能评价 , 获取更高级专家知识等功能。专家系统和专家控制器在提高控制系统的灵活性及智能化方面 , 显示出极大的优越性 , 但由于知识获取、实时控制和鲁棒性等问题 , 能真正用于电气传动控制系统还需要专家进一步研究。
4. 神经网络
神经网络以其独特的优点引起人们极大的关注 , 从仿生学的角度出发 , 对人脑神经系统进行模拟 , 使机器具有人脑那样的感知、学习和推理能力。 神经网络能充分逼近任意复杂的非线性关系 , 能学习与适应严重不确定的系统的动态性能 , 所有信息都等势分布贮存于网络内各神经元 , 故有极强的鲁 棒性和容错性 , 这些特点显示了神经网络在解决高度非线性和严重不确定系统的控制方面有着巨大的潜力。神经网络在电气传动控制系统中的应用研究尚属起步阶段 , 尤其是其自学习功能与实时控制快速性的矛盾 , 有待于进一步研究解决。

智能控制系统在提高系统的鲁棒性 , 系统的自学习及决策能力方面有其独到之处。但对解决电气传动系统中调速精度或定位精度等问题的能力尚嫌不足 , 而传统的 PI 调节则正能弥补这个缺陷。行之有效的方法是将传统的 PI 调节与智能控制结合起来 , 取长补短 , 既保证了系统的控制精度 , 又提高系统的鲁棒性。例如带有积分作用的模糊控制器 , 能最终消除负载引起的转速变化 , 实现无静差控制。利用智能控制系统的自学习及决策能力 , 及时修改 PI 调节器参数 , 形成智能型 PI 调节器。


参考文献：
[1] 刘力军，中国变频器市场的现状分析
[2] 马小亮，变频器选型中的几个问题
[3] 阮毅，交流调速系统控制策略