變頻調(diào)速技術(shù)以其顯著的節(jié)電效果、優(yōu)良的調(diào)速性能以及廣泛的適用性、系統(tǒng)的安全可靠性、延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命和提高產(chǎn)品質(zhì)量等優(yōu)點(diǎn)而成為現(xiàn)代電力傳動(dòng)技術(shù)的一個(gè)主要發(fā)展方向。變頻調(diào)速技術(shù)涉及到電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)、信息與控制以及電動(dòng)機(jī)等多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域，變頻調(diào)速理論已形成較為完善的科學(xué)體系，成為一門相對(duì)獨(dú)立的學(xué)科。變頻器自問世以來，經(jīng)歷40多年的發(fā)展，在歐美發(fā)達(dá)國(guó)家廣泛使用，我國(guó)的空調(diào)、電梯、冶金、機(jī)械、電子、石化、紡織等行業(yè)應(yīng)用十分廣泛，目前在煤礦的礦井通風(fēng)、空壓機(jī)、水泵、提升機(jī)、皮帶運(yùn)輸機(jī)等機(jī)械上也開始應(yīng)用。這些變頻器除了具有調(diào)速范圍寬、調(diào)速精度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快和效率高等優(yōu)點(diǎn)外，還在節(jié)能及延長(zhǎng)機(jī)械使用壽命等方面有顯著效果。通常情況下電壓等級(jí)為660V以上、10 000V以下的變頻器，也就是業(yè)內(nèi)所說的中壓變頻器。
一、變頻器的分類及工作原理
  （一）變頻器的分類
  變頻器根據(jù)有無直流環(huán)節(jié)可分為2大類：
  1)無直流環(huán)節(jié)的變頻器叫做交一交變頻器，如圖1所示。它是采用晶閘管(GTR)或可關(guān)斷晶閘管(GTO)或絕緣柵雙極晶體管(IGBT)等實(shí)現(xiàn)的無直流環(huán)節(jié)的直接由交流到交流的變頻器。根據(jù)目前電子元器件水平，當(dāng)額定電壓超過3kV時(shí)，晶閘管等功率器件需要串聯(lián)，所用的晶閘管等功率器件數(shù)量多。其優(yōu)點(diǎn)是可驅(qū)動(dòng)同步電機(jī)、異步電機(jī)，堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩大，動(dòng)態(tài)過載能力強(qiáng)，可群機(jī)拖動(dòng)電機(jī)，四象限運(yùn)行，效率高；缺點(diǎn)是功率因數(shù)與轉(zhuǎn)速有關(guān)，低速時(shí)功率因數(shù)低，最大輸出頻率只能在電源輸入頻率以下，網(wǎng)側(cè)諧波大。
    2)有直流環(huán)節(jié)的變頻器叫做交一直一交變頻器，如圖2所示，其中直流環(huán)節(jié)到逆變環(huán)節(jié)的濾波形式采用電容抑制電壓波動(dòng)的變頻器叫做交一直一交電壓源型變頻器；直流環(huán)節(jié)到逆變環(huán)節(jié)的濾波形式采用電感抑制電流波動(dòng)的變頻器叫做交一直一交電流源型變頻器。

    （二）交一直一交變頻器的工作原理
    1．功率元件串聯(lián)電壓源變頻器
    功率元件串聯(lián)多重化電壓源型中、高壓變頻器是利用低壓?jiǎn)蜗嘧冾l器串聯(lián)，來彌補(bǔ)功率器件IGBT的耐壓能力的不足。
    所謂多重化技術(shù)，就是每相由幾個(gè)低壓功率單元串聯(lián)組成，各功率單元由一個(gè)多繞組的移相隔離變壓器供電，用高速微處理器實(shí)現(xiàn)控制和以光導(dǎo)纖維隔離驅(qū)動(dòng)。圖3為6kV變頻器的主電路拓?fù)鋱D。

    圖4中的每個(gè)功率單元都是由低壓絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)構(gòu)成的三相輸入，單相輸出的低壓的PWM電壓型逆變器。

  其不足是：
  1)使用的功率單元及功率器件數(shù)量太多，6kV系統(tǒng)要使用150只功率器件（90只二極管，60只IGBT），裝置的體積太大，重量大，安裝位置和基建投資有困難；
    2)無法實(shí)現(xiàn)能量回饋及四象限運(yùn)行，且無法實(shí)現(xiàn)能耗制動(dòng)；
    3)當(dāng)電網(wǎng)電壓和電機(jī)電壓不相同時(shí)無法實(shí)現(xiàn)旁路切換控制；
    4)所需高壓電纜非常多，系統(tǒng)的內(nèi)阻無形中增大，接線太多，故障點(diǎn)相應(yīng)的增多；
    5)-個(gè)單元損壞時(shí)，單元可旁路，但此時(shí)輸出電壓不平衡中心點(diǎn)的電壓是浮動(dòng)的，造成電壓、電流不平衡，從而諧波也相應(yīng)的增大，勉強(qiáng)運(yùn)行時(shí)會(huì)導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)的損壞；
    6)輸出電壓波形在額定負(fù)載時(shí)尚好，低于25Hz以下畸變突出；
    7)由于系統(tǒng)中存在著變壓器，系統(tǒng)效率再提高不容易實(shí)現(xiàn)；移相變壓器中，6kV三相6繞組x3( IOkV時(shí)需12繞組x3)延邊三角形接法，在三相電壓不平衡（實(shí)際上三相電壓是不可能絕對(duì)平衡的）時(shí)，產(chǎn)生的內(nèi)部環(huán)流，必將引起內(nèi)阻的增加和電流的損耗，造成變壓器銅損增大。此時(shí)，再加上變壓器鐵芯的固有損耗，變壓器的效率就會(huì)降低，從而影響了整個(gè)高壓變頻器的效率。這種情況在越低于額定負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，越是顯著。lOkV時(shí)，變壓器有近400個(gè)接頭近百根電纜。在額定負(fù)荷時(shí)效率可達(dá)96%，但在輕負(fù)荷時(shí)，效率低于900/0；
    8)同時(shí)控制2臺(tái)電動(dòng)機(jī)時(shí)，無法實(shí)現(xiàn)共用直流母線整流方式，只能單臺(tái)整流逆變控制單臺(tái)電動(dòng)機(jī)。
    2．電流源型中高壓變頻器
    功率器件直接串聯(lián)的電流源型中高壓變頻器是在線路中串聯(lián)大電感，再將SCR(或GTO、SGCT等)開關(guān)速度較慢的功率器件直接串聯(lián)而構(gòu)成的。如圖5所示。

    這種方式使用功率器件少、易于控制電流，但是沒有真正解決中高壓功率器件的串聯(lián)問題。因?yàn)榧词构β势骷�出現(xiàn)故障，由于大電感的限流作用，di/dt受到限制，功率器件雖不易損壞，但帶來的問題是對(duì)電網(wǎng)污染
嚴(yán)重、功率因數(shù)低。
    電流源型中高壓變頻器對(duì)電網(wǎng)電壓及電機(jī)負(fù)載的變化敏感，無法做成真正的通用型產(chǎn)品。電流源型中高壓變頻器是最早的產(chǎn)品，現(xiàn)在凡是電壓型變頻器到達(dá)的地方它都被迫退出，因?yàn)樵诮?jīng)濟(jì)上、技術(shù)上，它都明顯處于劣勢(shì)。
二、變頻器的主要功能參數(shù)
  一、；
  1)輔助電源：50Hz，380V三相。
  2)具有標(biāo)準(zhǔn)的RS485計(jì)算機(jī)接口。
  3)具備的保護(hù)功能：過電流、短路、接地、輸入電源斷相、輸出斷相、過電壓、欠電壓、過溫、電機(jī)過載、電機(jī)失步等保護(hù)。其中：
    過電流：200%le立即保護(hù)；
    短路：變頻器輸入、輸出側(cè)三相電壓任兩相短路，整機(jī)立即保護(hù)停機(jī)。
    接地：變頻器輸入、輸出側(cè)三相電壓任一相接地，整機(jī)立即保護(hù)停機(jī)。
    輸入電源斷相：變頻器輸入側(cè)三相電壓任一相斷電，整機(jī)立即保護(hù)停機(jī)。
輸出斷相：變頻器輸出側(cè)三相電壓任一相斷電，整機(jī)立即保護(hù)停機(jī)。
    過壓：至變頻器輸入端電壓超過+IO% Ue，立即保護(hù)；
    欠壓：至變頻器輸入端電壓低于-15% Ue，立即保護(hù)；
    過溫（熱）：變頻器內(nèi)部或電動(dòng)機(jī)（電動(dòng)機(jī)必須加裝傳感器）溫度超過80C，立即保護(hù)停機(jī)；
    過載：150%額定負(fù)載，時(shí)間1min，每lOmin-個(gè)間隔；200a/o額定負(fù)載立即保護(hù)；
    4)電機(jī)失步：2臺(tái)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速通過速度傳感器反饋至變頻器，變頻器根據(jù)PLC的指令及負(fù)載轉(zhuǎn)矩，自動(dòng)調(diào)整電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速以保證2臺(tái)電動(dòng)機(jī)同步。
  三、變頻器的應(yīng)用實(shí)例簡(jiǎn)介
  目前，煤礦膠帶主運(yùn)輸系統(tǒng)正向多電機(jī)、可控驅(qū)動(dòng)和監(jiān)測(cè)監(jiān)控保護(hù)系統(tǒng)齊全、自動(dòng)化程度高的方向發(fā)展。大多數(shù)主運(yùn)輸系統(tǒng)采用3臺(tái)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，以滿足重載起動(dòng)。其控制系統(tǒng)如圖6所示。

    變頻器1控制同軸驅(qū)動(dòng)的2臺(tái)電動(dòng)機(jī)，變頻器l采用共用直流母線、同一指令信號(hào)、直接速度控制技術(shù)、分開逆變單獨(dú)驅(qū)動(dòng)同軸電動(dòng)機(jī)Ml和M2;使得電動(dòng)機(jī)Ml正轉(zhuǎn)、電動(dòng)機(jī)M2反轉(zhuǎn)。變頻器2控制處于皮帶中間的一臺(tái)電動(dòng)機(jī)，采用直接速度控制技術(shù)控制此臺(tái)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。由于變頻器l和變頻器2都采用了“無速度傳感器的直接速度控制技術(shù)”，因此，2臺(tái)變頻器可根據(jù)負(fù)載力矩的變化自動(dòng)跟蹤調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。
某煤礦原設(shè)計(jì)規(guī)模為400萬t/a．膠帶機(jī)由外國(guó)公司總承包，膠帶輸送機(jī)參數(shù)為：帶寬B：1 400mm，輸送能力Q=1 700t/h，長(zhǎng)度L =2 668m，提升高度H=192m，速度V=4m/s，帶強(qiáng)ST4000S。膠帶輸送機(jī)的基本要求為：主斜井膠帶輸送機(jī)采用中壓變頻驅(qū)動(dòng)，，驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率為3x500kW，控制部分為GE公司的PLC控制系統(tǒng)，減速器采用戴維·布朗公司產(chǎn)品，機(jī)架、托輥由國(guó)內(nèi)公司生產(chǎn)，滾筒由外國(guó)公司生產(chǎn)，膠帶為引進(jìn)德國(guó)公司鋼繩芯膠帶。
    該膠帶輸送機(jī)1995年投入使用。使用初期，變頻調(diào)速系統(tǒng)采用國(guó)產(chǎn)模擬控制產(chǎn)品，該技術(shù)為變頻調(diào)速技術(shù)在我國(guó)膠帶輸送機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用的初級(jí)階段，由于是新技術(shù)，使用人員素質(zhì)跟不上，加之產(chǎn)品質(zhì)量與整套進(jìn)口產(chǎn)品質(zhì)量相差較大，在交變荷載的作用下，多次出現(xiàn)減速器輸出軸斷裂及咬齒事故，故障率高、維護(hù)量大。
    2005年2月，為了改善原系統(tǒng)不合理環(huán)節(jié)和滿足煤炭產(chǎn)量日益增長(zhǎng)的需要，該煤礦對(duì)驅(qū)動(dòng)裝置和變頻調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行改造。把變頻調(diào)速系統(tǒng)改為SIMENS的2 300V中壓變頻器（共3臺(tái)），驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率由原來的3x500kW的改為3x750kW，減速器改為弗蘭德產(chǎn)品，電機(jī)采用SIMENS產(chǎn)品，控制系統(tǒng)也由SIMENS公司改造。自2005年改造后，產(chǎn)量由原來的400萬t/a增加到的800萬t/a．工作時(shí)間由原來14h/d增加到20h/d。運(yùn)行基本穩(wěn)定，達(dá)到了預(yù)期目的。
    21某礦主井使用的提升膠帶機(jī)，也為變頻調(diào)速系統(tǒng)，參數(shù)為：膠帶寬度B=1 600mm，長(zhǎng)L=1 800m，速度y =4.5m/s，能力Q=3 000t/h，提升高度H=210m，使用SIMENS的2 300kV中壓變頻器3臺(tái)，驅(qū)動(dòng)功率P~3x1 070kW，使用SEW公司的減速器。設(shè)備整體運(yùn)行良好。
四、結(jié)語
   中壓大功率變頻器已在煤礦得到成功應(yīng)用。隨著變頻器在煤礦的推廣應(yīng)用，必將引起傳統(tǒng)運(yùn)輸驅(qū)動(dòng)方式的變革。
    三門峽富通新能源可以根據(jù)用戶的需求定做各種類型的高低壓配電柜。（鞏義配電柜定做、三門峽配電柜定做、洛陽配電柜定做、鄭州配電柜定做）