1 引言

直流電氣傳動和交流電氣傳動在19世紀先后誕生。由于直流傳動易于實現調壓、調磁調速，并有成熟的控制理論和控制系統，可以滿足工業生產發展不斷提出的寬調速、高精度和快速響應的要求，所以在20世紀的大部分年代里，高性能的調速系統都采用直流調速傳動，而約占電氣傳動總容量80％的不變速電氣傳動則采用交流電氣傳動，這種分工在一段時間里已成為舉世公認的格局。交流調速傳動的控制原理很早被確立，異步電機降電壓調速，繞線轉子異步電機轉子串電阻調速等雖已實用化，但在調速范圍、穩定性、可靠性和維修性等方面有些不足，應用范圍受到限制。1965年以后，由于電力電子技術的不斷發展和進步，伴隨著新的控制理論的提出與完善，使交流調速傳動，尤其是性能優異的變頻調速傳動得到飛速的發展。繞線轉子異步電機的串級調速，采用變頻器的無換向器電機調速，籠型異步電機的變頻調速等依次實用化，完成了以變頻調速為主流的交流調速傳動的基礎?，F代矢量技術的應用，使交流調速傳動也具備了直流調速傳動的高性能。直流電機的換向器是它的主要薄弱環節，它使直流電機的單機容量、過載能力、最高電壓和最高轉速等重要技術指標受到限制，也給直流電機的制造和維護帶來了不少麻煩，這些缺點，在很大程度上限制了直流電機的應用。交流變頻調速傳動中的籠型異步電機結構簡單、堅固耐用、運行可靠、維護方便、轉動慣量小、動態性能好，其單機容量、電壓等級和最高轉速等技術指標，均優于直流電機。目前，高性能的交流變頻調速系統已完全可以和直流調速系統相媲美，而且可以在直流電機無法應用的場合使用。直流調速傳動一統天下的舊格局已被打破，用交流調速傳動取代直流調速傳動已成為可能。

2 龍門銑床直流調速系統進行改造的必要性

我廠用于道岔加工的龍門銑床調速系統采用三相半控橋不可逆直流拖動，分為工作臺、左主軸和右主軸三個進給方向。這臺機床的電控系統運行已有十余年，直流調速插板已嚴重老化，加之插板之間的連線多，由導線虛接造成故障日漸增多，維修成本不斷上升。此臺龍門銑床的調速系統急待改造。

近年來，交流變頻調速傳動的發展日新月異，它的優異的調速性能已能取代傳統的直流調速系統。而且，隨著電子元器件的發展，變頻器的價格不斷降低，經濟性價比，不斷上升，也給它的應用提供了日益廣闊的市場。我們詳細分析比較了直流調速系統與交流調速系統的優缺點，采用變頻器改造原調速系統，可帶來以下好處：

（1）簡化控制線路

變頻器的使用極為方便，可通過其外圍的少數幾個，控制端子進行全范圍控制。變頻器內部有完善的保護措施，無須在其外圍線路中設計各種保護電路。由于變頻器的正反向運行是通過控制端子來改變逆變器的輸出相位來實現，因此可以比原直流調速系統少兩個大型直流接觸器。采用具有無速度傳感器的矢量控制變頻器后，還可以去掉用作轉速反饋的速度傳感器，使控制線路大為簡化。

（2）可以采用標準籠型異步電機

采用籠型異步電機可以充分發揮它堅固耐用、結構簡單、運行可靠、維護方便、價格低廉的優勢，避免直流電機定期更換、維護電刷和換向器的麻煩。

（3）調試方便

變頻器的各種運行參數調試通過智能化鍵盤和顯示器來完成，設置方便，更改靈活，調試時間短。傳統的直流調速系統調試涉及到觸發脈沖相位調整，放大板PI整定，轉速負反饋調試等多項參數的綜合統調，調試難度大，時間長，且不易達到最優控制。

3 變頻器的選擇

變頻器的正確選用對于機械設備電控系統的正常運行是至關重要的。選擇變頻器，首先要按照機械設備的類型、負載轉矩特性、調速范圍、靜態速度精度、起動轉矩的要求，然后決定選用何種控制方式的變頻器最合適。所謂合適是在滿足機械設備的實際工藝生產要求和使用場合的前提下，實現變頻器應用的最佳性價比。

3.1 機械設備的負載轉矩特性

人們在實踐中常將生產機械根據負載轉矩特性的不同，分為三大類型：恒轉矩負載、恒功率負載和流體類負載。

（1）恒轉矩負載

在這類負載中，負載轉矩TL與轉速n無關，任何轉速下TL總保持恒定或基本恒定，負載功率則隨著負載速度的增高而線形增加。傳送帶、攪拌機、擠壓機和機械設備的進給機構等摩擦類負載以及起重機、提升機、電梯等重力負載，都屬于恒轉矩負載。

變頻器拖動恒轉矩性質的負載時，低速時的輸出轉矩要足夠大，并且要有足夠的過載能力。如果需要在低速下長時穩速運行，應該考慮標準籠型異步電動機的散熱能力，避免電動機溫升過高。

（2）恒功率負載

這類負載的特點是需求轉矩TL與轉速n大體成反比，但其乘積即功率卻近似保持不變。金屬切削機床的主軸和軋機、造紙機、薄膜生產線中的卷取機、開卷機等，都屬于恒功率負載。

負載的恒功率性質應該是就一定的速度變化范圍而言的。當速度很低時，受機械強度的限制，TL不可能無限增大，在低速下轉變為恒轉矩性質。負載的恒功率區和恒轉矩區對傳動方案的選擇有很大的影響。電動機在恒磁通調速時，最大允許輸出轉矩不變，屬于恒轉矩調速；而在弱磁調速時，最大允許輸出轉矩與速度成反比，屬于恒功率調速。如果電動機的恒轉矩和恒功率調速的范圍與負載的恒轉矩和恒功率范圍相一致時，即所謂“匹配”的情況下，電動機的容量和變頻器的容量均最小。

（3）流體類負載

這類負載的轉矩與轉速的二次方成正比，功率與轉速的三次方成正比。各種風機、水泵和油泵，都屬于典型的流體類負載。

流體類負載通過變頻器調速來調節風量、流量，可以大幅度節約電能。由于流體類負載在高速時的需求功率增長過快，與負載轉速的三次方成正比，所以不應使這類負載超工頻運行。

3.2 變頻器的控制方式

現在市場上出售的變頻器種類繁多，功能也日益強大，變頻器的性能也越來越成為調速性能優劣的決定因素，除了變頻器本身制造工藝的“先天”條件外，對變頻器采用什么樣的控制方式也是非常重要的。附表列出了近年來各種變頻器控制方式的性能特點。

綜上所述，異步電動機變頻控制選用不同的控制方法，就可得到不同性能特點的調速特性。

同時，調頻控制根據不同的控制方法，就可得到不同類型的機械特性?；l以下恒磁通變頻調速控制方式，其機械特性屬于恒轉矩調速方式，它適用于負載轉矩與轉速無關，任伺轉速下負載轉矩總保持恒定或基本恒定，負載功率則隨著負載速度的增高而線形增加的應用場合，例如傳送帶、攪拌機、擠壓機和機械設備的進給機構等摩擦類負載以及起重機、提升機、電梯等重力負載等?；l以上弱磁變頻調速控制方式，其機械特性屬于恒功率調速方式，適用于負載隨轉速升高而減小的應用場合，例如機床主軸的傳動、卷揚機等。