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)代電力傳動技術(shù)的一個主要發(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機(jī)等多個學(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)國家廣泛使用，我國的空調(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、動態(tài)響應(yīng)快和效率高等優(yōu)點(diǎn)外，還在節(jié)能及延長機(jī)械使用壽命等方面有顯著效果。通常情況下電壓等級為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，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)動同步電機(jī)、異步電機(jī)，堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩大，動態(tài)過載能力強(qiáng)，可群機(jī)拖動電機(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單相變頻器串聯(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)，就是每相由幾個低壓功率單元串聯(lián)組成，各功率單元由一個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。圖3為6kV變頻器的主電路拓?fù)鋱D。
圖4中的每個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；
3)當(dāng)電網(wǎng)電壓和電機(jī)電壓不相同時無法實(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)-個單元損壞時，單元可旁路，但此時輸出電壓不平衡中心點(diǎn)的電壓是浮動的，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)行時會導(dǎo)致電動機(jī)的損壞；
6)輸出電壓波形在額定負(fù)載時尚好，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平衡的）時，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，再加上變壓器鐵芯的固有損耗，變壓器的效率就會降低，從而影響了整個高壓變頻器的效率。這種情況在越低于額定負(fù)荷運(yùn)行時，越是顯著。lOkV時，變壓器有近400個接頭近百根電纜。在額定負(fù)荷時效率可達(dá)96%，但在輕負(fù)荷時，效率低于900/0；
8)同時控制2臺電動機(jī)時，無法實(shí)現(xiàn)共用直流母線整流方式，只能單臺整流逆變控制單臺電動機(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势骷霈F(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。
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)部或電動機(jī)（電動機(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，時間1min，每lOmin-個間隔；200a/o額定負(fù)載立即保護(hù)；
4)電機(jī)失步：2臺電動機(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，自動調(diào)整電動機(jī)轉(zhuǎn)速以保證2臺電動機(jī)同步。
三、變頻器的應(yīng)用實(shí)例簡介
目前，煤礦膠帶主運(yùn)輸系統(tǒng)正向多電機(jī)、可控驅(qū)動和監(jiān)測監(jiān)控保護(hù)系統(tǒng)齊全、自動化程度高的方向發(fā)展。大多數(shù)主運(yùn)輸系統(tǒng)采用3臺電機(jī)驅(qū)動，以滿足重載起動。其控制系統(tǒng)如圖6所示。
變頻器1控制同軸驅(qū)動的2臺電動機(jī)，變頻器l采用共用直流母線、同一指令信號、直接速度控制技術(shù)、分開逆變單獨(dú)驅(qū)動同軸電動機(jī)Ml和M2;使得電動機(jī)Ml正轉(zhuǎn)、電動機(jī)M2反轉(zhuǎn)。變頻器2控制處于皮帶中間的一臺電動機(jī)，采用直接速度控制技術(shù)控制此臺電動機(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臺變頻器可根據(jù)負(fù)載力矩的變化自動跟蹤調(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，，驅(qū)動電機(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、托輥由國內(nèi)公司生產(chǎn)，滾筒由外國公司生產(chǎn)，膠帶為引進(jìn)德國公司鋼繩芯膠帶。
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)在我國膠帶輸送機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用的初級階段，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)量日益增長的需要，該煤礦對驅(qū)動裝置和變頻調(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），驅(qū)動電機(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，驅(qū)動功率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）
