變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展回顧立式復(fù)合式破碎機(jī)

隨著電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)及控制理論的發(fā)展，變頻篩粉機(jī)調(diào)速技術(shù)已被廣泛的應(yīng)用到電機(jī)控制領(lǐng)域。功率器件的更新?lián)Q代促使了電力變換技術(shù)的不斷發(fā)展。從20世紀(jì)60年代后期開始，電力電子器件經(jīng)歷了從SCR(晶閘管)、GTO(門極可關(guān)斷晶閘管)到今天的IGBT(絕緣柵雙極型晶體管)、HVIGBT(耐高壓絕緣柵雙極型晶閘管)的轉(zhuǎn)變過程。與此同時，變頻調(diào)速控制技術(shù)也發(fā)生了由VVVF變頻、矢量控制變頻到直接轉(zhuǎn)矩控制變頻的轉(zhuǎn)變過程。

20世紀(jì)70年代，脈寬調(diào)制變壓變頻(PWM-VVVF)調(diào)速的研究引起了人們的高度重視。20世紀(jì)80年代，作為變頻技術(shù)核心的PWM模式優(yōu)化問題吸引著人們的濃厚興趣，并得出諸多優(yōu)化模式，其中以鞍形波PWM模式效果最佳。歐、美、日等發(fā)達(dá)國家的VVVF變頻器已投入市場并廣泛應(yīng)用。VVV對輥式破碎機(jī)F變頻器的控制相對簡單，機(jī)械特性硬度也較好，能夠滿足一般傳動的平滑調(diào)速要求，已在產(chǎn)業(yè)的各個領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。但是，這種控制方式在低頻時，由于輸出電壓較小，受定子電阻壓降的影響比較顯著，故造成輸出最大轉(zhuǎn)矩減小。另外，其機(jī)械特性終究沒有直流電動機(jī)硬，動態(tài)轉(zhuǎn)矩能力和靜態(tài)調(diào)速性能都還不盡如人意，因此，人們又研究出矢量控制變頻調(diào)速。

矢量控制變頻調(diào)速的實(shí)現(xiàn)方法為：將異步電動機(jī)在三相坐標(biāo)系下的定子交流電流Ia、Ib、Ic通過三相—二相變換，等效成兩相靜止坐標(biāo)系下的交流電流Ia1、Ib1，再通過按轉(zhuǎn)子磁場定向旋轉(zhuǎn)變換，等效成同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的直流電流Im1、It1。其中Im1相當(dāng)于直流電動機(jī)的勵磁電流 ；It1相當(dāng)于與轉(zhuǎn)矩成正比的電樞電流。然后模仿直流電動機(jī)的控制方法，求得直流電破碎機(jī)動機(jī)的控制量，經(jīng)過相應(yīng)的坐標(biāo)反變換，實(shí)現(xiàn)對異步電動機(jī)的控制。矢量控制方法的提出具有劃時代的意義。然而在實(shí)際應(yīng)用中，由于轉(zhuǎn)子磁鏈難以準(zhǔn)確觀測，系統(tǒng)特性受電動機(jī)參數(shù)的影響較大，且在等效直流電動機(jī)控制過程中所用矢量旋轉(zhuǎn)變換較復(fù)雜，使得實(shí)際的控制效果難以達(dá)到理想分析的結(jié)果。

1985年，德國魯爾大輸送機(jī)學(xué)的DePenbrock教授首次提出了直接轉(zhuǎn)矩控制變頻技術(shù)。該技術(shù)在很大程度上解決了上述矢量控制方法的不足，并以新穎的控制思想、簡潔明了的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、優(yōu)良的動靜態(tài)性能得到了迅速發(fā)展。目前，該技術(shù)已成功地應(yīng)用在電力機(jī)車牽引的大功率交流傳動上。直接轉(zhuǎn)矩控制直接在定子坐標(biāo)系下分析交流電動機(jī)的數(shù)學(xué)模型，控制電動機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩。它不需要將交流電動機(jī)化成等效直流電動機(jī)，因而省去了矢量旋轉(zhuǎn)變換中的許多復(fù)雜計算 ；它不需要模仿直流電動機(jī)的控制，也不需要為解耦而簡化交流電動機(jī)的數(shù)學(xué)模型。

VVVF變頻、矢量控制變頻、直接轉(zhuǎn)矩控制變頻都是交-直-交變頻中的一種。其共同反擊錘式破碎機(jī)缺點(diǎn)是輸入功率因數(shù)低，諧波電流大，直流回路需要大的儲能電容，再生能量又不能反饋回電網(wǎng)，即不能進(jìn)行四象限運(yùn)行。為此，矩陣式交-交變頻應(yīng)運(yùn)而生。由于矩陣式交-交變頻省去了中間直流環(huán)節(jié)，從而省去了體積大、價格貴的電解電容。它能實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)為l，輸入電流為正弦且能四象限運(yùn)行，系統(tǒng)的功率密度大。該技術(shù)目前雖尚未成熟，但仍吸引著眾多的學(xué)者深入研究。

變頻給料機(jī)調(diào)速基本原理

三相異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速公輸送網(wǎng)帶式為:

n = n1 (1-s震篩機(jī))=60f(1-s)/p (1)

式中輸煤皮帶機(jī):
n — 電機(jī)的轉(zhuǎn)速，r/m微型電磁振動給料機(jī)in
n1 — 同步轉(zhuǎn)回轉(zhuǎn)分級篩速，r/min
p — 粉體輸送設(shè)備磁極對數(shù)
篩粉機(jī)s — 轉(zhuǎn)差率，%
f — 頻率，Hz破碎機(jī)

由轉(zhuǎn)速公式（1）可知, 我們可以通過改變極對數(shù)、轉(zhuǎn)差率和頻率的方法實(shí)現(xiàn)對異步電機(jī)的調(diào)速。前兩種方法轉(zhuǎn)差損耗大，效率低，對電機(jī)特性都有一定的局限性。變頻調(diào)速是通過改變定子電源頻率來改變同步頻率實(shí)現(xiàn)電機(jī)調(diào)速的。在調(diào)速的整個過程中，從高速到低速可以保持有限的轉(zhuǎn)差率，因而具有高效、調(diào)速范圍寬(10%～100%)和精度高等性能，節(jié)電效果20%～30%。
實(shí)際上僅僅改變電動機(jī)的頻率并不能獲得良好的變頻特性。因?yàn)橛僧惒诫姍C(jī)的電勢公式可知，外加電壓近似與頻率和磁通乘積成正比，即：

U∝E=C1fΦ （2）

式（2）中，C1為常數(shù)，因此有：

Φ∝E/f≈U/f （3）

若外加電壓不變，則磁通Φ隨頻率而改變，如頻率f下降，磁通Φ會增加，造成磁路過飽和，勵磁電流增加，功率因數(shù)下降，鐵心和線圈過熱，顯然這是不允許的。為此，要在降頻的同時還要降壓，這就要求頻率與電壓協(xié)調(diào)控制。此外，在許多場合，為了保持在調(diào)速時，電機(jī)產(chǎn)生最大轉(zhuǎn)矩不變，需要維持磁通不變，這可由頻率和電壓協(xié)調(diào)控制來實(shí)現(xiàn)，故稱為可變頻率可變電壓調(diào)速(VVVF)，簡稱變頻調(diào)速。

從結(jié)構(gòu)上看，靜止變頻調(diào)速裝置可分為交-直-交變頻、交-交變頻兩種方式。前者適用于高速小容量電機(jī)，后者適用于低速大容量拖動系統(tǒng)。只要設(shè)法改變?nèi)嘟涣麟妱訖C(jī)的供電頻率f, 就可以十分方便地改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速n, 比改變極對數(shù)p和轉(zhuǎn)差率s兩個參數(shù)簡單得多。特別是近二十多年來,靜態(tài)電力變頻調(diào)速器突飛猛進(jìn)的發(fā)展,使得三相交流電機(jī)變頻調(diào)速成為當(dāng)前電機(jī)調(diào)速的主流。

變頻器的構(gòu)成

異步電機(jī)的變頻調(diào)速是通過變頻器實(shí)現(xiàn)的。變頻器一般由整流器、濾波器、驅(qū)動電路、保護(hù)電路以及控制器(MCU/DSP)等部分組成。圖1給出了PWM型交-直-交變頻器的控制原理框圖。

PWM型交-直-交變頻器原理框圖

由圖1可知，這是一個VVVF變頻調(diào)速系統(tǒng)。首先是將單相或三相交流電源通過整流器并經(jīng)電容濾波后形成幅值基本穩(wěn)定的直流電壓加在逆變器上，利用逆變器功率元件的通斷控制，使逆變器輸出端獲得一定形狀的矩形脈沖波形。在這里，通過改變矩形脈沖的寬度控制其電壓幅值；通過改變調(diào)制周期控制其輸出頻率，從而在逆變器上同時進(jìn)行輸出電壓和頻率的控制，而滿足變頻調(diào)速對U/f的協(xié)調(diào)控制的要求。PWM的優(yōu)點(diǎn)是能消除與抑制低次諧波，使負(fù)載電機(jī)在近似正弦波的交變電壓下運(yùn)行，轉(zhuǎn)矩脈動小，調(diào)速范圍寬。近年來，帶驅(qū)動和保護(hù)電路的各種智能功率模塊(IPM)也相繼應(yīng)用在變頻系統(tǒng)中。IPM模塊是將三相逆變IGBT、驅(qū)動電路以及保護(hù)電路集成在一塊芯片上，它的出現(xiàn)推動了變頻家電市場的啟動和發(fā)展。新型IPM模塊甚至將開關(guān)電源也設(shè)計在模塊內(nèi)，更加方便用戶使用，用戶只需要了解接口電路和定義，很快便可以組成并運(yùn)行系統(tǒng)，從而大大加快了新產(chǎn)品的開發(fā)周期。

變頻調(diào)速技術(shù)在家電中的應(yīng)用

通常，家用電器用得最多的是單相異步電動機(jī)，靠電容或電阻分相。電機(jī)在工作時常處于短時重復(fù)狀態(tài)(開/停)，如空調(diào)、冰箱等。這樣勢必帶來起動頻繁、噪聲大、電機(jī)壽命短、溫度穩(wěn)定性差以及能耗高等一系列弊端。 變頻技術(shù)的發(fā)展促進(jìn)了家用電器的變頻化，變頻家用電器具有省電節(jié)能、舒適、壽命長、安全可靠、靜音化等優(yōu)點(diǎn)。20世紀(jì)70年代，在歐美等發(fā)達(dá)國家率先將變頻技術(shù)應(yīng)用到空調(diào)、微波爐、電冰箱、洗衣機(jī)等家電產(chǎn)品中，從而給家電產(chǎn)業(yè)帶來了一場新的革命。

首先是空調(diào)，空調(diào)器應(yīng)用變頻技術(shù)后，擴(kuò)大了壓縮機(jī)的工作范圍，不需要壓縮機(jī)在斷續(xù)狀態(tài)下運(yùn)行就可實(shí)現(xiàn)冷、暖控制，達(dá)到降低電力消耗，消除由于溫度變動而引起的不適感。近年來，新式的空調(diào)器已采用無刷直流電動機(jī)實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速，其節(jié)能效果相對于異步電動機(jī)變頻又提高了約10%-15%。為進(jìn)一步提高裝置的效能，近年來，日本的空調(diào)器又逐步從單純的PWM控制改為PWM PAM混合控制方式。即較低速時采用PWM控制，保持U/f為一定 ；當(dāng)轉(zhuǎn)速大于一定值時，將調(diào)制度固定在最大值附近，通過改變直流斬波器的導(dǎo)通占空比，提高逆變器輸入直流電壓值，從而保持變頻器輸出電壓和轉(zhuǎn)速成比例，這一區(qū)域稱為PAM區(qū)。采用混合控制方式后，變頻器的輸入功率因數(shù)、電機(jī)效率、裝置綜合效率都比單獨(dú)PWM控制時有較大幅度的提高。

其次是電冰箱，由于它處于全天工作，功耗及噪聲問題嚴(yán)重。采用變頻制冷后，壓縮機(jī)始終處在低速運(yùn)行狀態(tài)，可以徹底消除因壓縮機(jī)起動引起的噪聲，節(jié)能效果更加明顯。目前，日本中高檔冰箱中95%以上采用了變頻技術(shù)，歐美等發(fā)達(dá)國家也在大力推廣普及變頻冰箱。但在國內(nèi)市場，由于技術(shù)和成本原因使變頻冰箱遲遲無法大批量生產(chǎn)和在市場推廣。海爾在1998年開發(fā)出國內(nèi)第一臺變頻冰箱后，經(jīng)過幾年的不懈努力，依靠整合全球化資源，與日本三洋株式會社合作，在中國投產(chǎn)建立了最新一代的三相直流變頻壓縮機(jī)工廠，由此改寫了國內(nèi)企業(yè)進(jìn)口變頻壓縮機(jī)的歷史，也使變頻冰箱可低成本大批量生產(chǎn)，使變頻冰箱更加貼近于尋常百姓。2004年，一款208L的變頻冰箱日耗電只有0.29度，上市幾個月便占據(jù)了全國3500元以上高檔冰箱最暢銷前5個型號中的2個席位，得到廣大用戶的一致認(rèn)可。

變頻洗衣機(jī)變頻波輪式洗衣機(jī)于20世紀(jì)90年代初最先由日本三菱公司推出，隨后新西蘭公司也推出了變頻攪拌式洗衣機(jī)。目前歐洲和日本研制的變頻滾筒式洗衣機(jī)也已經(jīng)大量進(jìn)入市場。變頻洗衣機(jī)具有三大特點(diǎn)：一是提高了洗滌效果。由于采用直接驅(qū)動式變頻電機(jī)，其洗滌、脫水速度可調(diào)，可以針對不同衣物的質(zhì)地確定不同的洗滌脫水速度。同時，在洗滌桶和波輪低速轉(zhuǎn)動時也能產(chǎn)生大轉(zhuǎn)矩。采用電磁制動器，可實(shí)現(xiàn)反向高速轉(zhuǎn)動，同時可根據(jù)洗滌物的種類、數(shù)量、臟污程度，選擇水流，使衣物的洗凈率和磨損率達(dá)到最佳效果。二是節(jié)能。變頻洗衣機(jī)效率高，過去的洗衣機(jī)電機(jī)的效率僅為40%～50%，而直流變頻洗衣機(jī)的效率可達(dá)到80%以上，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)約能源。三是噪聲低、振動小。這是因?yàn)橹绷髯冾l電機(jī)的電磁噪聲要小于單相感應(yīng)電機(jī)，同時改機(jī)械傳動為直接傳動，使齒輪、皮帶、電磁噪聲及脫水振動得到有效控制。如日本夏普公司開發(fā)的ES-A80E型變頻洗衣機(jī)，其洗滌噪聲僅為28dB，脫水噪聲為40dB，脫水振動減少一半，與8年前該公司的ES-B55機(jī)型（耗電260Wh）相比，現(xiàn)在的ES-A80E機(jī)型(耗電85Wh)的耗電約為老機(jī)型的1/3。無錫小天鵝公司是我國最早開發(fā)變頻洗衣機(jī)的廠家。該公司生產(chǎn)的“變頻王”洗衣機(jī)，采用先進(jìn)的無刷直流變頻電機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)速控制，洗滌轉(zhuǎn)速和節(jié)拍可同時改變，速度控制靈活，可洗滌從絲綢到牛仔不同質(zhì)地的所有衣物，根據(jù)衣物質(zhì)地選擇不同脫水轉(zhuǎn)速，從而達(dá)到高洗凈、低磨損、免纏繞的效果。其低噪聲和高效節(jié)能表現(xiàn)在平均脫水噪聲在59dB(A)以下，比普通洗衣機(jī)下降10dB(A)。特設(shè)的靜聲程序，噪聲在55dB(A)以下。直流變頻電機(jī)壽命比傳統(tǒng)的感應(yīng)電機(jī)延長200%，而能耗降低50%。

另外，變頻技術(shù)也被應(yīng)用到電磁爐、電飯煲等其他家電以及照明系統(tǒng)中，成為家電業(yè)的一個嶄新的亮點(diǎn)。目前，我國制造的變頻家電大多數(shù)都是交流變頻產(chǎn)品。如變頻空調(diào)，2004年度中國空調(diào)市場總結(jié)報告顯示， 2004年變頻空調(diào)產(chǎn)品的總銷量達(dá)到了195萬臺左右，總體市場占有率達(dá)到了7.93%，比去年微幅上升了近1.6個百分點(diǎn)。有業(yè)內(nèi)人士預(yù)計，今年變頻空調(diào)的市場占有率將達(dá)到20%。

變頻技術(shù)正在給形形色色的家電帶來新的革命，并將給用戶帶來更大的福音。今后變頻技術(shù)還將隨著電力電子器件、新型電力變換拓?fù)潆娐?、濾波及屏蔽技術(shù)的進(jìn)步而發(fā)展。另外，變頻技術(shù)應(yīng)用中帶來的諧波、電磁干擾和電源系統(tǒng)功率因數(shù)下降等問題也必將得到逐步解決。