|
|
當前位置:首頁 - 新聞中心 |
|
|
談我國變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展及應用 |
|
近10年來,隨著電力電子技術(shù)、計算機技術(shù)、自動控制技術(shù)的迅速發(fā)展,電氣傳動技術(shù)面臨著一場歷史革命,即交流調(diào)速取代直流調(diào)速和計算機數(shù)字控制技術(shù)取代模擬控制技術(shù)已成為發(fā)展趨勢。電機交流變頻調(diào)速技術(shù)是當今節(jié)電、改善工藝流程以提高產(chǎn)品質(zhì)量和改善環(huán)境、推動技術(shù)進步的一種主要手段。變頻調(diào)速以其優(yōu)異的調(diào)速和起制動性能,高效率、高功率因數(shù)和節(jié)間效果,廣泛的適用范圍及其它許多優(yōu)點而被國內(nèi)外公認為最有發(fā)展前途的調(diào)速方式。PN2帝國開發(fā) 1 我國變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展概況PN2帝國開發(fā) 電氣傳動控制系統(tǒng)通常由電動機、控制裝置和信息裝置3部分組成。電氣傳動關(guān)系到合理地使用電動機以節(jié)約電能和控制機械的運轉(zhuǎn)狀態(tài)(位置、速度、加速度等),實現(xiàn)電能-機械能的轉(zhuǎn)換,達到優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、低耗的目的。電氣傳動分成不調(diào)速和調(diào)速兩大類,調(diào)速又分交流調(diào)速和直流調(diào)速兩種方式。不調(diào)速電動機直接由電網(wǎng)供電,但隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展這類原本不調(diào)速的機械越來越多地改用調(diào)速傳動以節(jié)約電能(節(jié)約15%~20%或更多),改善產(chǎn)品質(zhì)量,提高產(chǎn)量。在我國60%的發(fā)電量是通過電動機消耗的,因此調(diào)速春傳動是一個重要行業(yè),一直得到國家重視,目前已有一定規(guī)模。PN2帝國開發(fā) 近年來交流調(diào)速中最活躍、發(fā)展最快的就是變頻調(diào)速技術(shù)。變頻調(diào)速是交流調(diào)速的基礎(chǔ)和主干內(nèi)容。上個世紀變壓器的出現(xiàn)使改變電壓變得很容易,從而造就了一個龐大的電力行業(yè)。長期以來,交流電的頻率一直是固定的,變頻調(diào)速技術(shù)的出現(xiàn)使頻率變?yōu)榭梢猿浞掷玫馁Y源。PN2帝國開發(fā) 我國電氣傳動產(chǎn)業(yè)始建于1954年當時第一批該專業(yè)范圍內(nèi)的學生從各大專院校畢業(yè),同時在機械工業(yè)部屬下建立了我國第一個電氣傳動成套公司,這就是后來天津電氣傳動設(shè)計研究所的前身。我國電氣傳動與變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展簡使見表1,F(xiàn)在我國已有200家左右的公司、工廠和研究所從事變頻調(diào)速技術(shù)的工作。PN2帝國開發(fā) 我國是一個發(fā)展中國家,許多產(chǎn)品的科研開發(fā)能力仍落后于發(fā)達國家。至今自行開發(fā)生產(chǎn)的變頻調(diào)速產(chǎn)品大體只相當于國際上80年代水平。隨著改革開放,經(jīng)濟高速發(fā)展,形成了一個巨大的市場,它既對國內(nèi)企業(yè),也對外國公司敞開。很多最先進的產(chǎn)品從發(fā)達國家進口,在我國運行良好,滿足了我國生產(chǎn)和生活需要。國內(nèi)許多合資公司生產(chǎn)當今國際上先進的產(chǎn)品,國內(nèi)的成套部分在自行設(shè)計制造的成套裝置中采用外國進口公司和合資企業(yè)的先進設(shè)備,自己開發(fā)應用軟件,能為國內(nèi)外重大工程項目提供一流的電氣傳動控制系統(tǒng)。雖然取得很大成績,但應看到由于國內(nèi)自行開發(fā)、生產(chǎn)產(chǎn)品的能力弱,對國外公司的依賴性嚴重。PN2帝國開發(fā) 目前國內(nèi)主要的產(chǎn)品狀況如下。PN2帝國開發(fā) (1)晶閘管交流器和開關(guān)斷器件(DJT、IGBT、VDMOS)斬波器供電的直流調(diào)速設(shè)備。這類設(shè)備的市場很大,隨著交流調(diào)速的發(fā)展,該市場雖在縮減,但由于我國舊設(shè)備改造任務多,以及它在幾百至一千多kW范圍內(nèi)價格比交流調(diào)速低得多,所以在短期內(nèi)市場不會縮減很多。國產(chǎn)設(shè)備能滿足需要,部分出口。自行開發(fā)的控制器多為模擬控制,近年來主要采用進口數(shù)字控制器配國產(chǎn)功率裝置。PN2帝國開發(fā) (2)IGBT或BJT PWM逆變器供電的交流變頻調(diào)速設(shè)備。這類設(shè)備的市場很大,總?cè)萘空嫉谋壤淮,但臺數(shù)多,增長快,應用范圍從單機擴展到全生產(chǎn)線,從簡單的V/f控制到高性能的矢量控制。約有50家工廠和公司生產(chǎn),其中合資企業(yè)占很大比重。PN2帝國開發(fā) (3)負載換流式電流型晶閘管逆變器供電的交流變頻調(diào)速設(shè)備。這類產(chǎn)品在抽水蓄水能電站的機組起動,大容量風機、泵、壓縮機和軋機傳動方面有很大需求。國內(nèi)只有少數(shù)科研單位有能力制造,目前容量最大做到12MW。功率裝置國內(nèi)配套,自行開發(fā)的控制裝置只有模擬式的,數(shù)字裝置需進口,自己開發(fā)應用軟件。PN2帝國開發(fā) (4)交-交變頻器供電的交流變頻調(diào)速設(shè)備。這類產(chǎn)品在軋機和礦井卷揚傳動方面有很大需求,臺數(shù)不多,功率大。主要靠進口,國內(nèi)只有少數(shù)科研單位有能力制造。目前最大容量做到7000~8000kW。功率部分國產(chǎn),數(shù)字控制裝置進口,包括開發(fā)應用軟件。PN2帝國開發(fā) 變頻調(diào)速技術(shù)在國民經(jīng)濟和日常生活中的重要地位是由以下因素決定的。PN2帝國開發(fā) (1)應用面廣,是工業(yè)企業(yè)和日常生活中普遍需要的新技術(shù)。PN2帝國開發(fā) (2)是節(jié)約能源的高新技術(shù)。PN2帝國開發(fā) (3)是國際上技術(shù)更新?lián)Q代最快的領(lǐng)域。PN2帝國開發(fā) (4)是高科技領(lǐng)域的綜合性技術(shù)。PN2帝國開發(fā) (5)是替代進口,節(jié)約投資的最大領(lǐng)域之一。PN2帝國開發(fā) 2 國內(nèi)外技術(shù)現(xiàn)狀對比PN2帝國開發(fā) 2.1 國外現(xiàn)狀PN2帝國開發(fā) 在大功率交-交變頻(循環(huán)變流器)調(diào)速技術(shù)方面,法國阿爾斯通已能提供單機容量達3萬kW的電氣傳動設(shè)備用于船舶推進系統(tǒng)。在大功率無換向器電機變頻調(diào)速技術(shù)方面,意大利ABB公司提供了單機容量為6萬kW的設(shè)備用于抽水蓄能電站。在中功率變頻調(diào)速技術(shù)方面,德國西門子公司Simovert A電流型晶閘管變頻調(diào)速設(shè)備單機容量為10 ~ 2600 kVA和Simovert P GTO PWM變頻調(diào)速設(shè)備單機容量為100 ~ 900 kVA,其控制系統(tǒng)已實現(xiàn)全數(shù)字化,用于電力機車、風機、水泵傳動。在小功率交流變頻調(diào)速技術(shù)反面,日本富士BJT變頻器最大單機容量可達700 kVA,IGBT變頻器已形成系列產(chǎn)品,其控制系統(tǒng)也已實現(xiàn)全數(shù)字化。PN2帝國開發(fā) 國外交流變頻調(diào)速技術(shù)高速發(fā)展有以下特點。PN2帝國開發(fā) (1)市場的大量需求。隨著工業(yè)自動化程度的不斷提高和能源全球性短缺,變頻器越來越廣泛地應用在機械、紡織、化工、造紙、冶金、食品等各個行業(yè)以及風機、水泵等的節(jié)能場合,應取得顯著的經(jīng)濟效益。PN2帝國開發(fā) (2)功率器件的發(fā)展。近年來高電壓、大電流的SCR、GTO、IGBT、IGCT等器件的生產(chǎn)以及并聯(lián)、串聯(lián)技術(shù)的發(fā)展應用,使高抵押、大功率變頻器產(chǎn)品的生產(chǎn)及應用成為現(xiàn)實。PN2帝國開發(fā) (3)控制理論和微電子技術(shù)的發(fā)展。矢量控制、磁通控制、轉(zhuǎn)矩控制、模糊控制等新的控制理論為高性能的變頻器提供了理論基礎(chǔ);16位、32位高速微處理器以及信號處理器(DSP)和專用集成電路(ASIC)技術(shù)的快速發(fā)展,為實現(xiàn)變頻器高精度、多功能提供了硬件手段。PN2帝國開發(fā) (4)基礎(chǔ)工業(yè)和各種制造業(yè)的高速發(fā)展,變頻器相關(guān)配套件社會化、專業(yè)化生產(chǎn)。PN2帝國開發(fā) 2.2 國內(nèi)現(xiàn)狀PN2帝國開發(fā) 從總體上看我國電氣傳動的技術(shù)水平較國際先進水平差距10 ~ 15年。PN2帝國開發(fā) 在大功率-交、無換向器電機等變頻技術(shù)方面,國內(nèi)只有少數(shù)科研單位有能力制造,但在數(shù)字化及系統(tǒng)可靠性方面與國外還有相當差距。而這方面產(chǎn)品在諸如抽水蓄能電站機組起動及運行、大容量風機、壓縮機和軋機傳動、礦井卷場方面有很大需求。在中小功率變頻技術(shù)方面,國內(nèi)幾乎所有的產(chǎn)品都是普通的V/f控制,僅有少量的樣機采用矢量控制,品種與質(zhì)量還不能滿足市場需要,每年大量進口。PN2帝國開發(fā) 國內(nèi)交流變頻調(diào)速技術(shù)產(chǎn)業(yè)狀況表現(xiàn)如下。PN2帝國開發(fā) (1)變頻器的整機技術(shù)落后,國內(nèi)雖有很多單位投入了一定的人力、物力,但由于力量分散,并沒有形成一定的技術(shù)和生產(chǎn)規(guī)模。PN2帝國開發(fā) (2)變頻器產(chǎn)品所用半導體功率器件的制造業(yè)幾乎是空白。PN2帝國開發(fā) (3)相關(guān)配套產(chǎn)業(yè)及行業(yè)落后。PN2帝國開發(fā) (4)產(chǎn)銷量少,可靠性及工藝水平不高。PN2帝國開發(fā) 3 未來的發(fā)展方向PN2帝國開發(fā) 交流變頻調(diào)速技術(shù)是強弱電混合、機電一體的綜合性技術(shù),既要處理巨大電能的轉(zhuǎn)換(整流、逆變),又要處理信息的收集、變換和傳輸,因此它的共性技術(shù)必定分成功率和控制兩大部分。前者要解決與高壓大電流有關(guān)的技術(shù)問題和新型電力電子器件的應用技術(shù)問題,后者要解決(基于現(xiàn)代控制理論的控制策略和智能控制策略)的硬、軟件開發(fā)問題(在目前狀況下主要全數(shù)字控制技術(shù))。PN2帝國開發(fā) 其主要發(fā)展方向有如下幾項。PN2帝國開發(fā) (1)實現(xiàn)高水平的控制;陔妱訖C和機械模型的控制策略,有矢量控制、磁場控制、直接傳矩控制和機械扭振補償?shù);基于現(xiàn)代理論的控制策略,有滑模變結(jié)構(gòu)技術(shù)、模型參考自適應技術(shù)、采用微分幾何理論的非線性解耦、魯棒觀察器,在某種指標意義下的最優(yōu)控制技術(shù)和逆奈奎斯特陣列設(shè)計方法等;基于智能控制思想的控制策略,有模糊控制、神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)、專家系統(tǒng)和各種各樣的自優(yōu)化、自診斷技術(shù)等。PN2帝國開發(fā) (2)開發(fā)清潔電能的變流器。所謂清潔電能變流器是指變流器的功率因數(shù)為1,網(wǎng)側(cè)和負載側(cè)有盡可能低的諧波分量,以減少對電網(wǎng)的公害和電動機的轉(zhuǎn)矩脈動。對中小容量變流器,提高開關(guān)頻率的PWM控制是有效的。對大容量變流器,在常規(guī)的開關(guān)頻率下,可改變電路結(jié)構(gòu)和控制方式,實現(xiàn)清潔電能的變換。PN2帝國開發(fā) (3)縮小裝置的尺寸。緊湊型變流器要求功率和控制元件具有高的集成度,其中包括智能化的功率模塊、緊湊型的光耦合器、高頻率的開關(guān)電源,以及采用新型電工材料制造的小體積變壓器、電抗器和電容器。功率器件冷卻方式的改變(如水冷、蒸發(fā)冷卻和熱管)對縮小裝置的尺寸也很有效。PN2帝國開發(fā) (4)高速度的數(shù)字控制。以32位高速微處理器為基礎(chǔ)的數(shù)字控制模板有足夠的能力實現(xiàn)各種控制算法,Windows操作系統(tǒng)的引入使得可自由設(shè)計,圖形編程的控制技術(shù)也有很大的發(fā)展。PN2帝國開發(fā) (5)模擬與計算機輔助設(shè)計(CAD)技術(shù)。電機模擬器、負載模擬器以及各種CAD軟件的引入對變頻器的設(shè)計和測試提供了強有力的支持。PN2帝國開發(fā) 主要的研究開發(fā)項目有如下各項。PN2帝國開發(fā) (1)數(shù)字控制的大功率交-交變頻器供電的傳動設(shè)備。PN2帝國開發(fā) (2)大功率負載換流電流型逆變器供電的傳動設(shè)備在抽水蓄能電站、大型風機和泵上的推廣應用。PN2帝國開發(fā) (3)電壓型GTO逆變器在鐵路機車上的推廣應用。PN2帝國開發(fā) (4)電壓型IGBT、IGCT逆變器供電的傳動設(shè)備擴大功能,改善性能。如4象限運行,帶有電極參數(shù)自測量與自設(shè)定和電機參數(shù)變化的自動補償以及無傳感器的矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制等。PN2帝國開發(fā) (5)風機和泵用高壓電動機的節(jié)能調(diào)速研究。眾所周知,風機和泵改用調(diào)速傳動后節(jié)約大量電力。特別是電壓電動機,容量大,節(jié)能效果更顯著。研究經(jīng)濟合理的高壓電動機調(diào)速方法是當今重大課題。PN2帝國開發(fā) 主要的研究內(nèi)容及關(guān)鍵技術(shù)有如下各項。PN2帝國開發(fā) (1)高壓、大電流技術(shù):動態(tài)、靜態(tài)均壓技術(shù)(6kV、10kV回路中3英寸晶閘管串聯(lián),靜動態(tài)均壓系數(shù)大于0.9);均流技術(shù),大功率晶閘管并聯(lián)的均流技術(shù),均流系數(shù)大于0.85);浪涌吸收技術(shù)(10 kV、6kV回路中);光控及電磁觸發(fā)技術(shù)(電/光,光/電變換技術(shù));導熱與散熱技術(shù)(主要解決導熱及散熱性好、電流出力大的技術(shù),如熱管散熱技術(shù));高壓、大電流系統(tǒng)保護技術(shù)(抗大電流電磁力結(jié)構(gòu)、絕緣設(shè)計);等效負載模擬技術(shù)。PN2帝國開發(fā) (2)新型電力電子器件的應用技術(shù):可關(guān)斷驅(qū)動技術(shù);雙PWM逆變技術(shù);循環(huán)變流 / 電流型交-直-交(CC / CSI0)變流技術(shù)(12脈波變頻技術(shù));同步機交流勵磁變速運行技術(shù);軟開關(guān)PWM變流技術(shù)。PN2帝國開發(fā) (3)全數(shù)字自動化控制技術(shù):參數(shù)自設(shè)定技術(shù);過程自優(yōu)化技術(shù);故障自診斷技術(shù);對象自辨識技術(shù)。PN2帝國開發(fā) (4)現(xiàn)代控制技術(shù):多變量解耦控制技術(shù);矢量控制和直接力矩控制技術(shù);自適應技術(shù)。PN2帝國開發(fā) 4 變頻調(diào)速技術(shù)的因應用PN2帝國開發(fā) 縱觀我國變頻調(diào)速技術(shù)的應用,總的說來走的是一個由試驗到實用,由零星到大范圍,由輔助系統(tǒng)到生產(chǎn)裝置,由單純考慮節(jié)能到全民改善工藝水平,由手動控制到自動控制,由于低壓中小容量到高壓大容量,一句話,由低級到高級的過程。PN2帝國開發(fā) 多年來,國家經(jīng)貿(mào)委一直會同國家有關(guān)部門致力于變頻調(diào)速技術(shù)的開發(fā)及推廣應用,在技術(shù)開發(fā)、技術(shù)改造方面給予了重點扶持,組織了變頻調(diào)速技術(shù)的評測推薦工作,并把推廣應用變頻調(diào)速技術(shù)作為風機、水泵節(jié)能技改專項的重點投資方向,同時鼓勵單位開展統(tǒng)貸統(tǒng)還方式,抓開發(fā)、抓示范工程、抓推廣應用。國家成力了風機水泵節(jié)能中心,開展信息咨詢和培訓。1995 ~ 1997年3年間我國風機水泵變頻調(diào)速技術(shù)改造投入資金3.5億元,改造總?cè)萘窟_100萬kW,可年節(jié)電7億kWž h,平均投資回收期約2年。PN2帝國開發(fā) 1997年朱榕基總理在國家經(jīng)貿(mào)委上報的“關(guān)于風機、水泵節(jié)能改造工作情況的報告”上明確指示“這件事抓得好”。1998年1月1日實施的《中華人民共和國節(jié)約能源法》第39條,已將變頻調(diào)速列入通用節(jié)能技術(shù)加以推廣。在國家經(jīng)貿(mào)委《“九五”資源節(jié)能綜合利用工作綱要》中,變頻調(diào)速已被列入重點組織實施的10項資源節(jié)約綜合利用技術(shù)改造示范工程之一。即將出臺的限制性政策規(guī)定:對新建和擴建工程需要調(diào)速運行的風機和水泵,一律不準采用擋板和閥門調(diào)節(jié)流量;對采用擋板和閥門調(diào)節(jié)流量的要分期、分批、有步驟地進行調(diào)速改造。PN2帝國開發(fā) 據(jù)有關(guān)資料表明,我國變頻調(diào)速技術(shù)已經(jīng)取得了如下成績。PN2帝國開發(fā) (1)變頻調(diào)速技術(shù)的應用范圍已發(fā)展到新階段。石油、石化、機械、冶金等行業(yè)都經(jīng)過了單系統(tǒng)試用、大量使用和整套裝置系統(tǒng)使用3個發(fā)展階段。如廣東茂名石化公司和九江石油化工廠現(xiàn)已發(fā)展到飲用常減壓和催裂化變頻裝置,取得了節(jié)能、增產(chǎn)的顯著效果;長春第一汽車廠18個專業(yè)廠的輸送機械、空壓機等設(shè)備應用了162臺變頻器,保證了新車的制造迅速達到了生產(chǎn)指標;新疆克拉瑪依油田在煉油、化工、供水、天然氣處理等系統(tǒng)中廣泛采用了變頻器,低壓變頻調(diào)速的普及率已達70%;梅林水廠、太原鋼廠、邯鄲鋼廠等單位在水泵、風機機組上采用中壓變頻技術(shù),保證了生產(chǎn),節(jié)約了能源等。PN2帝國開發(fā) (2)變頻調(diào)速技術(shù)已成為節(jié)約能源及提高產(chǎn)品質(zhì)量的有效措施。很多用戶實踐的結(jié)果證明,節(jié)電率一般在10% ~ 30%,有的高達40%,更重要的是生產(chǎn)中一些技術(shù)難點也得到解決。例如包鋼1150軋機采用變頻裝置后,年平均事故時間達到工作時間的0.1%以下,大幅度提高了產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量,且年節(jié)約電費約50萬元;儀征化纖聯(lián)合公司共用了300臺變頻器,頻率精度達0.2%,做到了使用3年無一事故;烏魯木齊市熱力總公司在供熱系統(tǒng)中采用變頻調(diào)速后,當年節(jié)電達35%以上;石油系統(tǒng)從80年代末到1997年,油田和長輸管道在用的變頻裝置已達12萬kW,年節(jié)電量近2億kW h。PN2帝國開發(fā) 5 結(jié)束語PN2帝國開發(fā) 變頻調(diào)速技術(shù)作為高新技術(shù)、基礎(chǔ)技術(shù)、和節(jié)能技術(shù),已經(jīng)滲透到經(jīng)濟領(lǐng)域的所有技術(shù)部門中。我國以后在變頻調(diào)速技術(shù)方面應積極做的工作如下。PN2帝國開發(fā) (1)應用變頻調(diào)速技術(shù)來改造傳統(tǒng)的產(chǎn)業(yè),節(jié)約能源及提高產(chǎn)品質(zhì)量,獲得較好的經(jīng)濟效益和社會效益。PN2帝國開發(fā) (2)大力發(fā)展變頻調(diào)速技術(shù),必需把我國變頻調(diào)速技術(shù)提高到一個新水平,縮小與世界先進水平的差距,提高自主開發(fā)能力,滿足國民經(jīng)濟重點工程建設(shè)和市場的需求。PN2帝國開發(fā) (3)規(guī)范我國變頻調(diào)速技術(shù)方面的標準,提高產(chǎn)品可靠性工藝水平,實現(xiàn)規(guī);、標準化生產(chǎn)。PN2帝國開發(fā)
|
發(fā)表時間:2011-6-1 9:21:09 |
|
|
|