淺談交流變頻調(diào)速在客運索道上的應(yīng)用

隨著交流變頻器技術(shù)的越來越成熟并精進(jìn)，與傳統(tǒng)的交流變壓、變極調(diào)速和可控硅（晶閘管）直流調(diào)速系統(tǒng)相比較而言，交流變頻調(diào)速的優(yōu)越性亦日益被廣大用戶認(rèn)可和接受，因而在各行各業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。尤其在我國各大景區(qū)的大型客運索道，三相交流變頻調(diào)速已廣泛替代其他調(diào)速系統(tǒng)而作為主要電力驅(qū)動系統(tǒng)的首選。

一、交流變頻器組成電路分析

首先，我們來認(rèn)識一下何謂交流變頻器。所謂交流變頻器就是應(yīng)用現(xiàn)代電力電子、微電子技術(shù)，通過整流、逆變等手段，從而改變交流電機(jī)工作電源頻率，以達(dá)到調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速的電力控制設(shè)備。交流變頻器主要由整流電路、緩沖電路、濾波電路、逆變電路等組成（見圖1）。

根據(jù)上圖，下面就交流變頻器各組成電路一一作簡單介紹。

①整流電路。所謂整流電路就是將電網(wǎng)交流電（市電）經(jīng)過電力電子電路整流后得到直流電，主要由橋式整流電路組成。對三相交流電而言，經(jīng)整流后，其輸出的直流電壓理論值為*U=*400≈567V;而對于單相交流電而言，經(jīng)整流后，其輸出的直流電壓理論值為*U=*220≈310V。

②緩沖電路。主要是為了保護(hù)整流橋不被損壞而設(shè)置的電路。由電解電容的工作原理可知，變頻器在受電瞬間，電容器的兩端電壓不會突變，而電容器兩端的電流會突變，此時電容器兩端相當(dāng)于短路，電容器將承受瞬間沖擊電流。若沒有緩沖電路（充電電阻），整流橋會因為瞬間沖擊電流過大而損壞。

③濾波電路。一般電解電容器的耐壓值為400V，而三相交流電，經(jīng)全橋整流后，其直流電壓理論值約為567V?？紤]到電容器的耐壓因素，因此濾波電容器只能由兩級電解電容串聯(lián)而成。由于兩級電解電容的容量不可能絕對相同，串聯(lián)之后兩級電解電容上的電壓分配很難達(dá)到絕對的均衡，這樣會致使兩個電解電容器所受的電壓不相等，從而導(dǎo)致它們的使用壽命不一樣。我們通過在兩個電解電容的兩端分別并聯(lián)阻值相同的均壓電阻，便很好地解決了這個問題。

④逆變電路。所謂逆變電路就是將直流電（直流母線）轉(zhuǎn)換成交流電的電力電子電路。在逆變橋里由多個IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor即絕緣柵雙極型晶體管芯片與FWD二極管芯片，通過特定的電路橋接封裝而成的模塊化半導(dǎo)體產(chǎn)品）組成。每個IGBT里都集成一個續(xù)流二極管，其作用是為電機(jī)的定子繞組反饋能量（電機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)）提供回路。當(dāng)電機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)時，其電能可通過續(xù)流二極管流向直流回路，對電解電容進(jìn)行充電。

二、變頻器的功能

變頻器主要有軟啟動、調(diào)速和節(jié)能三項功能，下面對三項功能作逐一簡述。

1.軟啟動功能

由電機(jī)啟動過程與電流沖擊曲線圖（見圖2）可知，若將交流電動機(jī)不通過其他設(shè)備接入電網(wǎng)進(jìn)行直接啟動，其啟動電流值將達(dá)到電機(jī)額定電流值的4-7倍。尤其直接啟動大功率電機(jī)的情況下，由于瞬間電機(jī)啟動電流過大，將會導(dǎo)致電網(wǎng)末端電壓值突然下降，從而影響電網(wǎng)末端其他用電設(shè)備的正常運行，這是供電管理部門所堅決不允許的。

如果通過接入交流變頻器對電機(jī)進(jìn)行軟啟動，其啟動電流值一般為電機(jī)額定電流值的1.2-1.5倍（見圖2），這樣很大程度抑制了電機(jī)的啟動電流值，從而有效降低了啟動沖擊電流對電網(wǎng)末端電壓值的影響，不會導(dǎo)致電網(wǎng)末端電壓大幅波動，幾乎不影響其他用電設(shè)備的正常運行。

2.調(diào)速功能

2.1傳統(tǒng)的變極調(diào)速

根據(jù)三相異步電動機(jī)同步轉(zhuǎn)速公式no （式中no為電機(jī)同步轉(zhuǎn)速、f為電源頻率、p為電機(jī)磁極對數(shù)）可知，通過改變電機(jī)定子繞組的磁極對數(shù)，就能改變它的同步轉(zhuǎn)速，從而改變轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。通過繞組的不同組合連接方式，一般可得到兩對極、三對極、四對極速度。顯而易見，其調(diào)速范圍較窄且受限（見下表1）。

2.2變頻調(diào)速

根據(jù)三相異步電動機(jī)轉(zhuǎn)速公式（式中：n為電機(jī)轉(zhuǎn)速、f為電源頻率、s為電機(jī)轉(zhuǎn)差率、p為電機(jī)磁極對數(shù)），可知電機(jī)轉(zhuǎn)速n與工作電源輸入頻率f成正比例關(guān)系。

觀察上式，不難發(fā)現(xiàn)通過改變電機(jī)工作電源頻率f可以達(dá)到改變電機(jī)轉(zhuǎn)速n的目的（見圖3：變頻器頻率與電機(jī)轉(zhuǎn)速的關(guān)系曲線）。從圖3曲線可以發(fā)現(xiàn)，利用交流變頻器改變電機(jī)電源頻率，從而調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速，其調(diào)速平滑便利，且調(diào)速范圍廣。

3.節(jié)電功能

客運索道負(fù)載產(chǎn)生的阻力（驅(qū)動輪與鋼絲繩間的摩擦力）大致與電機(jī)轉(zhuǎn)速n2成正比，驅(qū)動所需的功率大致與電機(jī)轉(zhuǎn)速n3成正比。

在我國的各大風(fēng)景名勝區(qū)，尤其是山岳型景區(qū)，基本存在旅游淡旺季之分的共性，也就是說根據(jù)旅游淡旺季的不同，旅游人次存在很大的區(qū)別。當(dāng)旅游景區(qū)處在旺季的時段，乘坐客運索道的游客多，索道可在滿載全速工況下運行;當(dāng)景區(qū)進(jìn)入旅游淡季，乘坐索道的客人銳減時，客運索道無需在全速的工況下運行，我們可以利用變頻器調(diào)速的方式來降低索道運行速度，可以大幅度地節(jié)約電能。下表是此類負(fù)載節(jié)電理論依據(jù)（附表2）。

通過上表的數(shù)據(jù)，可以明顯地看出，當(dāng)景區(qū)游客不多的情況下，客運索道無需在額定轉(zhuǎn)速下運行時，利用變頻器降低索道運行速度可以節(jié)約大量電能。尤其是索道在半載半速工況下運行，節(jié)電率可達(dá)87.5%，這樣索道在在乘客非高峰期，通過減速運行，可以減少大量能耗，有效降低年運行費用。

三、交流變頻器技術(shù)的發(fā)展趨勢

隨著科技不斷進(jìn)步，電力電子器件的基片材料已從過去的Si（硅）更新為如今的SiC（碳化硅），由于基礎(chǔ)材料的改變，使得電力電子新器件具有以下優(yōu)點：一是耐高壓、耐高溫、低功耗;二是能制造出體積小、容量大的驅(qū)動裝置;三是永久勵磁電動機(jī)以其功能獨特性，正在推廣和應(yīng)用之中。隨著信息技術(shù)的迅猛進(jìn)步并普及，以及人類對相關(guān)科技瓶頸地不斷突破，使得交流變頻器技術(shù)也得到了前所未有的提升，未來主要朝以下幾個方向發(fā)展。

1.專門化

變頻器向?qū)ｉT化方向發(fā)展，就是使變頻器在某個行業(yè)領(lǐng)域的性能更強(qiáng)，如起重機(jī)械專用變頻器、電梯專用變頻器、張力控制專用變頻器（客運架空索道行業(yè)使用的就是這款變頻器）等。

2.一體化

變頻器向一體化發(fā)展，就是將變頻器與電動機(jī)進(jìn)行一體化裝配，這樣可以使組件總成的體積更小，控制更方便。

3.網(wǎng)絡(luò)智能化

變頻器向智能化方向發(fā)展，就是可以實現(xiàn)以下三項功能。一是在利用互聯(lián)網(wǎng)的情況下，可以實現(xiàn)多臺變頻器聯(lián)動;二是根據(jù)用戶需要，變頻器買來就可以用，不需要進(jìn)行很多復(fù)雜的具體設(shè)定;三是其可以自行診斷出現(xiàn)的故障，同時可以實現(xiàn)遙控診斷以及零部件自動置換功能。

四、客運索道變頻調(diào)速的發(fā)展方向

當(dāng)前，客運索道行業(yè)的拖動系統(tǒng)正推廣使用直接驅(qū)動器，所謂直接驅(qū)動器就是一種無需附加減速機(jī)（齒輪箱）便能驅(qū)動索道裝置的驅(qū)動系統(tǒng)（電機(jī)轉(zhuǎn)速低，只有幾十轉(zhuǎn)/分鐘）。整個驅(qū)動系統(tǒng)包含一個或多個獨立的電機(jī)環(huán)。每個電機(jī)環(huán)均為一個獨立的永久勵磁同步電機(jī)（每個電機(jī)環(huán)的功率為315KW），若想得到更大的驅(qū)動功率，可以將多個電機(jī)環(huán)進(jìn)行拼裝。該驅(qū)動電機(jī)的冷卻方式為強(qiáng)迫水循環(huán)冷卻，散熱好，運行噪音低。這樣每個電機(jī)環(huán)都有一套與之匹配的交流調(diào)速系統(tǒng)，來控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。即使某一環(huán)電機(jī)或與之匹配的交流變頻調(diào)速器故障，切除該環(huán)電機(jī)工作，不影響整機(jī)運行，索道可以在減速減載的工況下運行。該項技術(shù)的應(yīng)用，省去了傳統(tǒng)驅(qū)動系統(tǒng)中的減速機(jī)（齒輪箱）環(huán)節(jié)，降低了機(jī)械損耗，使得驅(qū)動效率大為提高，減少了維護(hù)設(shè)備的工作量，有效節(jié)約了企業(yè)的年運行成本，同時很大程度提高了索道安全運行的保障率。

作者簡介：鐘華明，安徽省廬江人，1972年11月1日，男，研究方向：技術(shù)安全管理，大學(xué)本科，工程師。