交-交变频器应用研究

仇楷

摘要：20世纪30年代交交变频电路就已经出现，当时采用的是水银整流器，曾经有装置用在电力机车上，由于原件性能的限制，没能得到推广。到20世纪70年代，随着晶闸管的问世交交变频电路曾经广泛应用于电机的变频调速。20世纪80年代随着全控器件的广泛应用，交交变频电路逐渐被交直交变频电路取代。近年来随着现代工业生产及社会发展的需要推动了交交变频技术的飞速发展，现代电力电子器件的发展和应用、现代控制理论和控制器件的发展和应用、微机控制技术及大规模集成电路的发展和应用为交流变频技术的发展和应用创造了新的物质和技术条件，交交变频电路又逐渐成为研究的热点。

关键词：交交变频器；应用；研究

一、交交变频器的基本原理

采用晶闸管的交-交变频器电路，将电网交流电变成电压和频率可调的低频交流电。大功率同步电动机使用的是三相输出的交交变频电路（又称三相交交变频电路），其原理与单相输出的交交变频电路（又称单相交交变频电路）相同。三相交交变频电路的输出电压的频率越低，每个周期所含的工频相电压的波头数越多，因此就可以得到正弦度非常好的电压波形，谐波分量小，而随着其输出频率的增加，输出电压的谐波分量会大幅度的增加导致变频器出力降低，负载电动机脉动转矩增大，损耗增加，因此交交变频器最大输出频率为电网工频的1/3～1/2，对于50Hz工频的交流电压，交交变频器输出电压的频率最高为16.6~25Hz。

二、交交变频器系统应用研究

1.交交变频器组成部分

交交变频器系统由主电路、系统保护电路和控制电路组成

其中主电路部分由整流电路、滤波电路、逆变电路(IPM)和IPM驱动电路与吸收电路组成；系统保护电路包括过压、欠压保护、限流启动、IPM故障保护与泵升控制等；控制电路包括DSP最小系统电路、频率输入电路、光耦隔离电路等。

2.交交变频器应用举例---交流提升机控制系统

（1）交流提升机控制系统多种方案的比较

矿井提升机所使用的交流绕线式电动机通常是靠切换其转子电阻来进行调速的。但电动机依靠转子电阻获得的低速，其运行特性较软。当提升容器通过给定的减速点时，由于负载的不同，而将得到不同的减速度，不能达到稳定的低速爬行，最后导致停车位置不准，不能正常装卸载。通过操作人员同时施用机械闸，利用闸制动和电机拖动的合成特性来得到要求的减速度及低速爬行。这样做，不仅耗电量大，闸瓦磨损大，而且操作人员工作非常紧张，安全性、可靠性差。

晶闸管串级调速自动化提升机，可以获得较好的控制特性。但电控设备多、容量大。为获得减速阶段的制动力矩，还需一套动力制动装置，因而使系统复杂，投资增加。特别是对于500kW以上的绕线电动机，其转子电压约为700V左右，使晶闸管装置的选择带来困难。

当交流提升机只采用动力制动时，减速爬行阶段就要出现制动－电动、电动－制动的多次转换，才能获得平均的、而非平稳的爬行速度，能满足爬行距离较长的提升机。这种方法要求主减速器有两个主轴，并增加气囊离合器，增加了机械结构和制造过程的复杂性。动力制动的最大弱点是不能提供正力矩。当系统需要低速正力爬行时，要从动力制动转换到高压状态工作，实行爬行阶段二次给电的脉冲爬行。这种方法机械特性较软，不易控制。

采用低频制动，即将电动机定子绕组从三相电网（6kV，50Hz）上断开后，接至电压相序相同的低频电源上。提升机低频拖动在减速阶段使电动机运行在再生发电制动区内，在爬行阶段运行电动区内。并且，提升电动机由制动状态到电动状态是自然过渡的。交交变频器作为一种在大功率、低速范围内得到很好应用的交流调速方案，其频率范围容易调节，作为低频电源适用于各种作业的交流提升机。

主电路接线及其特点SIMOREGK6RA24是SIEMENS生产的一种紧凑式三相交流直接供电的全数字直流调速装置，设计电流范围15A～120A。其基于高性能的16位微处理器，采用参数组态方式用软件实现调速传动控制系统的各种控制功能，具有较高技术水平。该系统构成为三相桥式6脉波接线交交变频器。相电压分别为UOR，UOS，UOT，彼此相差120°，作为三相电压输出。这种联结可使在选用的晶闸管承受电压较低的情况下，提高装置的输出电压。如果3个相电压中含有同样的直流分量，由于采用星形联结，线电压中不含有直流分量，变频器输出到负载的电压波中也不会出现直流分量。从而改善了变频器的输入功率因数。如果3个相电压中含有3,6,9等次谐波，由于这些谐波彼此同相，在该接线（Y接输出）中也相互抵消，不反映到负载及线电压中去，即输出相电压中的3倍频谐波不会传到电动机端。因此，该系统输出功率大，高次谐波少，输出波形好，工作可靠。

控制系统构成：低频制动方式，使提升机在减速段可将部分机械能转变为电能回馈到电网，并自然过渡到爬行阶段，实现稳定的低速爬行。通过采用数字控制技术，其控制性能得到大大改善。本系统为速度、电流双闭环控制，充分利用了SIMOREGK6RA24的基本控制功能。主要由主机板；信号板；光电隔离开关量输入、输出板；智能化A/D，D/A板；总线板组成。3个电流反馈信号经电流互感器检测，并由两对采样开关整形后送入单片机；速度给定及速度反馈信号经滤波电路和绝对值电路变换后送入各组单片机。电流和速度调节均由计算机软件完成。数字触发脉冲信号由单片机的6个高速通道输出，并由高频调制信号一起送入逻辑门阵列电路，变换成互差60°的双脉冲列，再经放大和隔离，分别去触发各相功率组件。所有调节和控制全数字化，保证了系统的调节精度。

（2）交交变频器用于交流提升机控制系统的研究

传动装置的工作状态通过开关选择。“内控”时通过主机面板按键进行参数设置和装置调试；“外控”时由操作台接通传动装置，通过主机串行接口RS232（485）施加主给定，使交流提升机低频制动过程操作实现自动化。同时可利用6RA24的状态字观察晶闸管工作状态反馈信号，读出实际值及参数组的写入和储存，完成各数据与PC的通讯。

三、应用效果

该交交变频全数字拖动控制系统就用于某矿主井，提升机型号JKMD－2.25×4E，AC6kV，800kW。其定转子回路采用真空接触器换向，整个操作过程为PLC控制带CRT监控。中信重机自动化工程公司制造安装，2011年12月投入使用。技术性能完全达到设计要求，运行效果良好，保证了提升设备的安全生产。

四、结论

随着社会的进步和科学技术的发展，在电机调速技术方面也得到飞速发展有传统的调速技术逐步发展到现在的交交变频器技术，该技术的应用大大提高了电机的调节的精准度，使得交流调速结构简单，大大降低了成本，也提高了效率。为此，交交变频器得到了广泛的应用，给我们的生活、生产带来了便利。随着交交变频器的智能化的发展，将使得该技术得到更广泛的应用。

参考文献:

[1]江明，王伟.变频调速技术的发展概况及趋势[J].安徽机电学院学报，2002，17(4)：34-37.

[2]满永奎.通用变频器及其应用[M].北京:机械工业出版社.2002,65-67

[3]张燕宾.SPWM变频调速应用技术[M].北京:机械工业出版社,2002.9.

[4]陈伯时.电力拖动自动控制系统[M],第3版.北京:机械工业出版社,2003.7.

作者简介：仇楷（1988年）男，阜阳华润电力有限公司发电部，大学本科，助理工程师，主要负责火力发电厂电气及其附属设备的运行调整。