浅析高压变频调速技术应用现状与发展趋势

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　　摘要：随着社会的发展及人们节能环保的意识不断增强，人们更加迫切地希望通过科学技术手段改变现状，做出节能、环保的新型产品应用于工业生产和日常生活中。故而，人们向着全新的科技投去更多目光，关注度较以往提高了很多。例如，在我们的生产、生活中，相关研发技术人员更新了高压变频调速的技术，将其更广泛地应用在各种工况场合及生产现场。新型技术的应用大大减少了电能的输出，节省了能源。因此，我们根据高压变频调速技术的发展现状，分析其在生产、生活中的技术应用，研究、探讨高压变频调速技术未来的发展趋势。
　　关键词：变频;调速;高压变频;节约;能源
　　中图分类号：G30.7 文献标识码：A
　　高压变频调速技术是社会发展下的先进生产产能，在我们生产、生活中被人们广泛地应用。其在电力能源的使用方面，进行了良好的分配和调控，能夠高效提高并扩大生产效益，进而引发经济效益提升、促进相关行业技术革新等连锁反应。由于许多技术壁垒因素，这种能源技术在生产上出现了一定的问题，导致在后来的加大生产中存在生产产能滞后的现象。所以，企业生产技术车间和有关部门应该更加注意生产技术问题，在技术生产上应该投入更多的关注，加大资源的投入力度，实现高压变频调速技术更上一层楼。故而，本文对现在高压变频调速技术在各个领域上的应用状态及其中涉及的相关技术等进行剖析和讨论，以此使读者对这种技术未来的发展趋势有一个多方位的了解[1]。
　　1 高压变频调速技术的发展进程和现状
　　1.1 高压变频调速技术的发展历史
　　高压变频调速技术涉及的工程广泛，如电力开发、电力工程、电子技术、信息处理和控制系统等多个学术领域。随着电力电子技术、计算机信息技术和自动化控制技术的兴起，以高压变频调速为代表的近现代交流调控技术就有了很大的进步。通过这种交流变频传动带动交流电机，解决了直流电机存在的直流电机制造比较贵、结构复杂、故障多、可靠性低、寿命短、保养维护工作量大等缺点。而且发挥了交流电机结构简便、经济适用、牢固耐磨、动态响应良好的优点，很好地处理了交流电机调速在性能上先天不足的缺陷，交流变频调速技术依靠高超的调速性能、卓越的用电效率及人们在使用过程中良好的应用反馈，被大家一致认可是一种最有前途和发展的交流调速方式，代表了电力传动发展的主体方向[2]。在节能环保、降低消耗、改善控制性能和提高产品的质量、产能方面，变速调控技术都起到了至关重要的作用。变频调速控制已经成为一门相对来说较为独立的理论学科，形成了相对稳定的科学体系。
　　电力电子变频技术由诞生到全盛时期是在20世纪，最开始的交流变频调速理论诞生在20世纪20年代，一直到60年代，电力电子器件开始发展，变频调速技术才开始向实用的方向发展。在20世纪70年代的时候，大多数发达国家发生了石油危机，所以他们在研究高效率变频器的时候投入了大量的人力、物力和财力。这样一来，变频调速技术就得到了很好的发展应用和使用方面的积极推广。在20世纪80年代的时候，变频调速技术逐渐产品化，在其使用性能方面得到大幅度提升，更大程度上发挥了变流调速的自身优越性，被大力使用到工业的各种场合，甚至取代了以往直流调速的一部分。20世纪90年代，绝缘栅双极型晶体管、集成门极换流型晶闸管等新型电力电子器件的发展和实用性能的提高，对变频调速技术的性能方面，都有极大的提高，很好地促进了变频调速技术的发展更新[3]。
　　近几年来，国外各大公司纷纷推出以DSP（数字信号处理器）为基础的内核，配以电机控制所需的外围功能电路，集成在单一芯片内的DSP单片电机控制器内（如ADI的ADMC3系列、TI的TM S320C240和Motorola的DSP56F8系列），价格大大降低，体积缩小，结构紧凑，使用便捷，可靠性提高。DSP的单周期指令执行时间快达几十纳秒，它和普通的单片机相比，处理数字运算能力增强10～15倍，确保系统有更优越的控制性能。数字控制使硬件简化，柔性的控制算法使控制具有很大的灵活性，可实现复杂控制规律，使现代控制理论在运动控制系统中的应用成为现实，易于与上层系统连接进行数据传输，便于故障诊断加强保护和监视功能，使系统智能化（如有些变频器具有自调整功能）。微处理器的进步使数字控制成为现代控制器的发展方向，运动控制系统是快速系统，特别是交流电动机高性能的控制需要存储多种数据和快速实时处理大量信息，所有的变频调速技术被广泛应用，在一定程度上，高压电力系统得到更多的完善和优化。
　　1.2 高压变频调速技术在各行各业中应用的现状
　　随着信息技术快速发展，对于高压变频调速技术的需求也越来越多，在性能、保护使用方面也越来越多样化，但因为一些外部原因的存在，高压变频调速技术在市场上的需求方面还存在一定的局限性。因为高压变频调速技术在使用方面可以实现流量和速率的变化，可以使设备不用安装挡板和阀门等流量控制器件，节省了能源，达到高效操作的效果，特别是在大功率设备的应用上根据生产工艺要求及时调频调速，能够更好地提高资源使用的效果。
　　1.3 高压变频调速技术自身产品的组成结构
　　随着社会的不断发展和进步，人们生产、生活中的需求也越来越多，对于高压变频调速技术的要求也变得严格起来。人们希望利用现有的技术进行对应的产品开发，以此实现产品的多样化、功能的选择化、保护的全面化、控制的智能化。在目前的市面上，高压变频调速技术的主要产品类型以两象限通用为主，在技术开采方面则是以单元串联多电平的技术类型为主，在能量使用的反馈方面以四象限为主。
　　2 高压变频调速技术在应用方面的发展趋势
　　2.1 在变频电路拓扑结构方面的变化趋势
　　在变频电路拓扑结构方面，高压变频调速技术也有着很大潜能，其未来发展的趋势大体是向着绿色节能环保的方向发展，达到电力能源最大效率的应用。生产现场中，电路整流部分同样运用电子自关断器实现控制，被称之为绿色节能技术。这种绿色节能技术的使用可以实现电流波形的变化，波形变成正弦波形，也能够良好地控制住功率因数，让其控制在1的范围中。通过变频电路拓扑结构绿色环保的节能技术，可以对直流环节滤波电容容量进行相关整理，达到降低能源消耗的效果，在随着半导体技术的相应使用中，绿色节能电路会大量应用，这也是在以后的生产发展过程中，带来的材料费用降低和半导体器件性能不断升级的良好消息。 　　2.2 在变频开关器件方面的使用趋势
　　高压变频调速技术在应用技术方面分布在各个领域，随着国家科技水平的不断提升和发展，开关器件方面的技术应用也被人们发展和利用。时间不断推进，高压变频调速技术在开关器件方面也会迎来更大的进步。绝缘栅双极型晶体管IGBT是由MOSFET和双极型晶体管复合而成的一种器件，其输入极为MOSFET，输出极为PNP晶体管，因此，可以把其看作是MOS输入的达林顿管。它融和了这两种器件的优点，既具有MOSFET器件驱动简单和快速的优点，又具有双极型器件容量大的优点，因而，在现代电力电子技术中得到了越来越广泛的应用。在中大功率的开关电源装置中，IGBT由于其控制驱动电路简单、工作频率较高、容量较大的特点，已逐步取代晶闸管或GTO。IGBT的工作原理如下：若在IGBT的栅极和发射极之间加上驱动正电压，则MOSFET导通，这样PNP晶体管的集电极与基极之间成低阻状态而使得晶体管导通;若IGBT的栅极和发射极之间电压为0V，则MOSFET截止，切断PNP晶体管基极电流的供给，使得晶体管截止。
　　20世纪90年代，社会发展的主要技术就是IGBT变频器，在未来的很长一段时间，IGBT变频器都占据社会主流的高端位置。但随着后来信息技术的发展，技术流由IGBT变频器逐渐转向IPM技术和智能化方向。因为集成化技术的诞生与扩展，促使石油管道在安装时候的变频器得到前所未有的改进，实现了石油管道变频器在检验系统、功率和控制器等方面的智能化。所以在未来社会的发展中，一些新电力新电子技术产品将在高压变频技术的开关方面促使下进行深度研发和开采。例如，集成发射式门极晶闸管、碳化硅复合器等技术，给人们带来了巨大的便利，从而极大程度上提高了人们生活和工作的效率，为国家的发展做出巨大贡献。
　　2.3 以网络配置为主体的系统化发展趋势
　　随着信息科技的不断发展，新的电子产品和网络计算机被人们大力应用到生产生活中，信息科技的发展变化能够更好地促使产业信息化的完美施行。对于重工业行业来说，在大环境条件的影响下，网络配置为主导控制的高压变频调速技术，将成为发展的主流方向。在现实操作过程中，以计算机网络控制为主导的变频器主要由3个部分组成：①设施储备层;②操作控制层;③信息处理层。在重工业行业中，变频器是作为一个执行器使用在操作过程中，按照生产中最基本的通信协议进行连接处理，对于普通的变频器来说，带有装置网络变频化配置的变频器更有優势。第一个优势特点：装有这种类型的网络配备器可以对频率进行精准的调整控制，提高它在运行过程中的精准度。第二个优势特点：可以在使用过程中通过这个变频器创建远距离的操控诊断系统，这样操作人员能够很好地进行设备装备的操控，对于突如其来的事件有一个提前预防作用，由此不断提升设备运行上的工作效率，与此同时也可以制定一个高效率的方案，为以后在技术引用方面带来实际性质的协助。
　　2.4 在实际操控中与同步电机有机结合
　　在我们所有的重工业行业里，配置电机是高压变频调速技术运用其中的过程中不能缺少的一个基础设施设备，它能够保证生产建设的正常运作运行，尤其是最近几年中，交流电机的同步使用和高压变频调速技术相互依托、相互交流使用，使重工业行业在工作效率上得到非常大的提升与进步。在我们现实的生产生活中，电磁同步电机的运用能够非常有效地降低在能源方面的损耗，给重工业生产带来非常不错的经济效益，推动社会经济的发展。电机的功率数和效率之间是成正比例关系的，功率数越高，它所能够产生的效率就越高，而高压变频调速技术的应用可以让转子和频率保持在相同的步调里，能够促使电机发电的效率高效的提升，电能在电动设备工作中使用和输出就会大大降低。随着社会科技的不断发展和进步，人们能够将高压变频调速技术与同步电机进行高效率的有机结合，在未来社会的生产和发展中，逐步将无转子位置传感器系统方向进行合理的开发和研究，取得非凡的效果，在市场上得到大面积广泛的应用。
　　2.5 矢量控制技术控制策略及直接转矩控制技术
　　矢量控制一直都是高性能交流电机调速系统的主导控制最佳方针。矢量控制现在所包含的关键技术有：①控制的基本操作和方式，例如PWM技术、速率上的辨识、磁通的观测、无速度传感控制、电机铁损补偿、参数在变化上的补偿、参数辨别等;②主电路在形式上运用的新型电力半导体器件。这些技术会提升开关的效率，从而改变以往电压和电流波形的不足，也能够使用微电子技术给予提供的DSP、ASIC、CPU等。
　　直接转矩控制技术在低速范围内还存在着很多无法解决的问题，定子电阻的分辨问题上表现得尤为明显，这个问题已经成为其未来发展的重大阻碍，对于国际上的行业专家、学者来说，也是一个棘手的问题。对矢量控制的低速范围来说，解决的办法已经存在了，解决办法的出现对直接转矩的控制系统的低速性能，有着巨大的贡献和现实指导意义。时间已经验证，在电机本体中完善直接转矩控制技术这件事，已经是不可能实现的了，必须想出其他的办法来解决这个问题。现如今的控制理论在迅速崛起，这为控制交流电气传动系统供给了坚不可摧的理论基础，越来越多的来自世界各地的学者已经将现代控制技术，切实地应用到交流电机的调速控制中。直接转矩控制是一种全新的、更加精进的技术，作为一种新兴的技术，是需要多样的先进辅助技术来支撑的，直接转矩控制技术完全需要多种多样的先进辅助技术来增加新鲜的血液，使其不断精进和持续发展[4]。
　　3 结语
　　总而言之，高压变频调速技术在人们生产生活中都有广泛的应用和价值，尤其是在生产任务重要的重工业行业中。因为高压变频调速技术有着非常新兴、卓越的优点，所以在现代生产生活中应该充分发掘、发挥它的作用，电力系统能源能在它的运作下发光发彩。
　　参考文献
　　[1] 郑培飞.高压变频器矢量控制技术在煤矿提升机中的应用[J].四川水泥，2019（5）：132.
　　[2] 徐甫荣，陈辉明.高压变频调速技术应用现状与发展趋势[J].变频器世界（4）：62-68.
　　[3] 邱庆利.除尘风机节能高压变频技术改造[J].冶金设备管理与维修，2019（1）：42-45.
　　[4] 高云龙.火电厂高压变频器故障分析与探讨[J].山东工业技术，2018（1）：167.
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