大功率交流電機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)的研究(1)(已修改)
2025-01-27 02:32 本頁(yè)面
【正文】 大功率交流電機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)的研究李崇堅(jiān)(冶金自動(dòng)化研究設(shè)計(jì)院，北京100071)[摘要]論述了我國(guó)大功率交交(AC AC)變頻調(diào)速技術(shù)的研究和國(guó)產(chǎn)化裝備的研制工程，豐富并完善了大 功率交流調(diào)速理論,形成了自主創(chuàng)新的核心技術(shù)，解決了大功率交流調(diào)速裝備的多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，推動(dòng)國(guó)產(chǎn)交 流調(diào)速裝備步人國(guó)際先進(jìn)行列，立足工程,取得顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。 MVA三 電平IGCT交直交(ACDCAC)變頻調(diào)速系統(tǒng)的研制，該變頻器結(jié)構(gòu)緊湊、性能良好、運(yùn)行可靠，達(dá)到國(guó)際 先進(jìn)水平。[關(guān)鍵詞]大功率交流電機(jī)。交流調(diào)速。交交變頻。交直交變頻[中圖分類號(hào)]TM32 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A [文章編號(hào)]10091742(2〇09)05 0031 06萬(wàn)方數(shù)據(jù)2009年第11卷第5期35[收稿日期]2〇〇9〇1〇5[作者筒介]李崇堅(jiān)(1952 ),男,廣西合浦縣人，冶金自動(dòng)化研究設(shè)計(jì)院總工程師，教授級(jí)高級(jí)工程師，主要從事電力電子及電氣傳動(dòng)研究。E — mail: licj@ aritime c171。n1前言交流電機(jī)變頻調(diào)速是電力電子及電氣傳動(dòng)學(xué)科 的高新技術(shù)，大功率交流電機(jī)變頻調(diào)速是國(guó)家重大 技術(shù)裝備的關(guān)鍵設(shè)備，也是當(dāng)前節(jié)能減排的重點(diǎn)推 廣技術(shù)。交流電機(jī)變頻調(diào)速不僅具有直流調(diào)速同樣 優(yōu)越的調(diào)速性能，還有單機(jī)不受限制、體積小、重量 輕、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小、動(dòng)態(tài)響應(yīng)好、維護(hù)簡(jiǎn)單、節(jié)約能源等 許多優(yōu)于直流傳動(dòng)的特點(diǎn)。該技術(shù)一出現(xiàn)就受到國(guó) 內(nèi)外電工行業(yè)的極大關(guān)注。隨著電力電子技術(shù)、微 電子技術(shù)以及現(xiàn)代控制理論的發(fā)展，大功率交流電 機(jī)變頻調(diào)速得到長(zhǎng)足的發(fā)展，并在國(guó)民經(jīng)濟(jì)各領(lǐng)域 廣泛應(yīng)用。例如在國(guó)防與交通領(lǐng)域，大功率交流變 頻調(diào)速是大型艦船電力推進(jìn)、高速機(jī)車牽引、磁懸浮 列車的核心設(shè)備。在能源工業(yè)中，采用交流調(diào)速來(lái) 驅(qū)動(dòng)礦井提升機(jī)，西氣東輸、南水北調(diào)的油、氣、水輸 送大型壓縮機(jī)。尤其是交流變頻調(diào)速可以節(jié)能 30 %以上，成為當(dāng)前節(jié)能減排，國(guó)家十大節(jié)能工程 電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能的重點(diǎn)推廣技術(shù)。隨著鋼鐵行業(yè)飛速 發(fā)展，傳統(tǒng)的直流電機(jī)調(diào)速已不能滿足軋鋼機(jī)向大 型化、髙速化發(fā)展，采用交流調(diào)速取代直流調(diào)速已成 為趨勢(shì)。大功率交流調(diào)速技術(shù)復(fù)雜，裝備容量大，涉及電 力電子、自動(dòng)控制和電機(jī)等多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域，該技術(shù)被 少數(shù)國(guó)外大公司壟斷，國(guó)家重點(diǎn)工程和重大裝備中 的大型交流調(diào)速系統(tǒng)長(zhǎng)期依賴進(jìn)口。為此，國(guó)家把 大功率交流調(diào)速裝備國(guó)產(chǎn)化列為重大技術(shù)裝備攻關(guān) 項(xiàng)目。2大功率交流調(diào)速系統(tǒng)的組成和技術(shù)難點(diǎn)大功率交流電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)由交流變頻電 機(jī)、電力電子變頻器、調(diào)速控制系統(tǒng)三大部分組成。 交流電機(jī)分異步電機(jī)和同步電機(jī)，由于同步電 機(jī)具有功率因數(shù)高、變頻容量小、動(dòng)態(tài)性能好等顯著 優(yōu)點(diǎn)，國(guó)際上2 000 kW以上大功率變頻調(diào)速多趨向 于同步電機(jī)。但是國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)界對(duì)同步電機(jī)調(diào)速理論的研究 不多，變頻同步電機(jī)的運(yùn)行機(jī)理不清楚，特別是電機(jī) 變頻狀態(tài)的阻尼繞組理論模糊，一些學(xué)者提出同步 電機(jī)只設(shè)半阻尼，甚至不設(shè)阻尼繞組。同時(shí)我國(guó)鋼 鐵廠從國(guó)外引進(jìn)的裝備多次出現(xiàn)電機(jī)阻尼繞組燒壞 事故,變頻同步電機(jī)調(diào)速理論有待于深入研究。 大功率電力電子變頻器面臨的主要問(wèn)題是大功 率、高電壓、大電流、高效率和髙可靠性，而變頻器技 術(shù)主要取決于電力電子器件的發(fā)展。目前，兆瓦級(jí) 大功率變頻器主要器件是晶閘管、場(chǎng)控器件絕緣柵 雙極晶體管IGBT、集成門極換向晶閘管IGCT。通 過(guò)器件或者變頻器串聯(lián)可以提高輸出電壓，采用并 聯(lián)可以擴(kuò)大電流，從而提高系統(tǒng)的輸出功率。按照 變換過(guò)程中有無(wú)中間直流環(huán)節(jié)，可以把變頻器分為 交交變頻和交直交變頻調(diào)速系統(tǒng)。電力電子變頻器產(chǎn)生的諧波、無(wú)功沖擊會(huì)對(duì)電 網(wǎng)產(chǎn)生污染公害,諧波治理是近年來(lái)“綠色電能”的 重要課題。諧波問(wèn)題是所有變頻器的共同問(wèn)題，尤 其在大功率變頻調(diào)速系統(tǒng)中更為突出。諧波會(huì)污染 電網(wǎng)，殃及同一電網(wǎng)上的其他用電設(shè)備，甚至影響電 力系統(tǒng)的正常運(yùn)行。諧波還會(huì)干擾通訊和控制系統(tǒng)， 嚴(yán)重時(shí)會(huì)使通訊中斷，系統(tǒng)癱瘓。因此，大功率變頻 器的諧波與無(wú)功的計(jì)算，工程設(shè)計(jì)與諧波治理就成 為該技術(shù)推廣應(yīng)用的難題。交流電機(jī)磁場(chǎng)定向控制理論于20世紀(jì)70年代 出現(xiàn),隨后又提出交流電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制，這些調(diào)速 理論的完善和實(shí)用化使交流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的技術(shù)性 能大大提髙，達(dá)到并超過(guò)了直流調(diào)速的水平。但國(guó) 內(nèi)高校和研究所對(duì)變頻調(diào)速的研究多針對(duì)異步電 機(jī)，同步電機(jī)磁場(chǎng)定向控制被少數(shù)大公司壟斷，各公 司控制方法不同，可借鑒的參考材料稀少，大功率同 步電機(jī)調(diào)速理論在國(guó)內(nèi)還是空白。特別是由10多臺(tái)上萬(wàn)千瓦大型電機(jī)協(xié)調(diào)傳動(dòng) 的熱連軋機(jī)傳動(dòng)要求高精度、高動(dòng)態(tài)響應(yīng)指標(biāo)，一直 是國(guó)際電氣傳動(dòng)界很難攀登的高難度臺(tái)階，該技術(shù) 只有西門子、東芝、GE幾家國(guó)外大公司掌握。此外，交流調(diào)速傳動(dòng)產(chǎn)生的諧
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