【正文】 1Um?mN? abNU 1m?恒 轉(zhuǎn) 矩 恒 功 率低 頻 定 子 電 阻壓 降 補 償 11 圖 異步電機變頻調(diào)速控制特性 變頻器的分類 在本文中將主要以中小容量交 直 交通用變頻器我主要介紹對象，但它畢竟只是整個變頻器家族的一員，本節(jié)將大體介紹一下變頻器的分類。圖 27 為交 直 交電流型變頻器原理圖。 雖然交 交變頻原理簡單，能量變換直接、效率高，但其主電路復(fù)雜，可控器件多，觸發(fā)驅(qū)動電路就會復(fù)雜，從單位功率成本考慮，只適合大容量場合應(yīng)用，不適合小容量場合應(yīng)用。因此，在逆變部分只控制頻率，在變流 13 部分控 制輸出的電壓或電流。 低壓型變頻器 這類變頻器單相為 220V~240V，三相為 220V 或 380V~460V 容量從 ~280kV ~500kV,一般稱為中小容量變頻器。 變頻調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 14 從結(jié)構(gòu)上看，變頻調(diào)速系統(tǒng)可分為直接變頻和間接變頻兩類。而且，交 — 交變頻器在低頻時輸出波形接近正弦，且為一次變流，具有較高的效率，還能實現(xiàn)四象限運行。但前級市電的干擾不會影響后級，輸出波形好，變頻范圍寬。逆變電路既可將固定的直流電壓變換為固定幅值和頻率的交流電壓，亦可將其變換為幅值和頻率都可調(diào)節(jié)的交流電壓，后者常稱為變頻器。 三相異步電機變頻調(diào)速系統(tǒng)的方案設(shè)計 由 DSP 控制的變頻調(diào)速系統(tǒng)框圖如圖 32 所示，本系統(tǒng)以 DSP 為控制核心，主要由整流器，濾波環(huán)節(jié)，逆變器，檢測環(huán)節(jié)及控制回路組成。電路中電容 CZ、二極管 VD 和電阻 R、構(gòu)成一個典型的吸收緩沖電路。內(nèi)含過壓、過流、過熱保護(hù)，是一種新型的功率器件。 本設(shè)計用 TMS320F2808 作為變頻調(diào)速系統(tǒng)的控制芯片與其他單片機相比，其優(yōu)勢表現(xiàn)為 :數(shù)據(jù)處理能力強、高運算速度、能實時完成復(fù)雜計算、單周期多功能指令、 PWM 分辨率高、更短的采樣周期。模擬方法電路復(fù)雜，硬件太多，抗干擾性差，有溫漂現(xiàn)象，難以實現(xiàn)最優(yōu)化 PWM 控制 (最優(yōu)化 PWM 的調(diào)制波都不是正弦波 )，系統(tǒng)可靠性差 。 PWM(脈寬調(diào)制 )技術(shù)是利用半導(dǎo)體開關(guān)器件的導(dǎo)通與關(guān)斷把直流電壓變成電壓脈沖列，并通過控制電壓的脈沖寬度以 達(dá)到變壓變頻目的的一種控制技術(shù)。波形重構(gòu)的級數(shù)越多，出現(xiàn)的最低諧波次數(shù)越高，但主電路和控制電路也越復(fù)雜，相應(yīng)地控制難度也越大，輸出電壓的調(diào)節(jié)也不甚方便，因此這種方式通常只在大功率逆變電源中采用。消諧控制的優(yōu)勢己為人們認(rèn)識，并開展了不少的研究工作，希望該方法得到實際應(yīng)用?；蚴孪扔嬎隳承┨囟妷旱挠嘘P(guān)控制參數(shù)存入存儲器中，根據(jù)實際需要分級調(diào)節(jié)輸出電壓，這種方式往往需要很大的存儲空間，而且隨著電壓調(diào)節(jié)的分辨率增高，其存儲空間隨之增大。 在國民經(jīng)濟建設(shè)和國防 科技事業(yè)的進(jìn)程當(dāng)中，交流變頻調(diào)速的應(yīng)用極為廣泛和重要。而且多數(shù)產(chǎn)品應(yīng)用的是基本的 SPWM 控制，在高性能變頻技術(shù)方面處于劣勢。為了極大發(fā)揮各種功率器件的特性 ,使器件性能對電機性能的影響減至最小 ,新型的電機技術(shù)和新型的控制技術(shù) ,可使功率開關(guān)工作在零電壓或零電流狀態(tài) ,從而可大大的提高工作頻率 ,提高異步電機工作效率。國外交流調(diào)速在電氣傳動行業(yè)已占絕對優(yōu)勢，雖然國內(nèi)直流調(diào)速還在大量使用，但近年來凡新建的電氣傳動系統(tǒng)均采用交流調(diào)速，其發(fā)展勢頭是迅速的。 所謂變頻就是利用電力電子器件 (如功率晶體管 GTR、絕緣柵雙極型晶體管IGBT)將 5OHz 的市電變換為用戶所要求的交流電或其他電源。前者主要用于中頻加熱，方波變頻又分為等幅、等寬和 SPWM 變頻。在硬件方面課題采用了目前比較流行的數(shù)字信號處理器（ DSP）作為本實驗的控制器，其處理速度高的特點正好符合本實驗的需要；主電路中，本系統(tǒng)采 19 用了集成度高的功率器件；智能模塊作為逆變環(huán)節(jié)，實現(xiàn)了高開關(guān)效率逆變以及故障診斷的功能，從而使控制系統(tǒng)的體積大大縮 小，控制更加靈活。目前，它已逐步發(fā)展成為一門包含更多學(xué)科的綜合性技術(shù)學(xué)科，并在為現(xiàn)代通訊、電子儀器、計算機工業(yè)自動化、電網(wǎng)優(yōu)化、電力工程、國防及某些高新技術(shù)提供高質(zhì)量、高效率、高可靠性的電能方面起著關(guān)鍵的作用。另一方面是變頻調(diào)速系統(tǒng)技術(shù)在不同應(yīng)用領(lǐng)域具體控制技術(shù)的發(fā)展。 我國變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展概況 電氣傳動控制系統(tǒng)通常由電動機、控制裝置和信息裝置 3 部分組成。在我國 60%的發(fā)電量是通過電動機消耗的，因此調(diào)速春傳動是一個重要行業(yè)，一直得到國家重視，目前已有一定規(guī)模。長期以來，交流電的頻率一直是固定的，變頻調(diào)速技術(shù)的出現(xiàn)使頻率變?yōu)榭梢猿浞掷玫馁Y源。 我國是一個發(fā)展中國家，許多產(chǎn)品的科研開發(fā)能力仍落后于發(fā)達(dá)國家。 國內(nèi)許多合資公司生產(chǎn)當(dāng)今國際上先進(jìn)的產(chǎn)品，國內(nèi)的成套部分在自行設(shè)計制造的成套裝置中采用外國進(jìn)口公司和合資企業(yè)的先進(jìn)設(shè)備，自己開發(fā)應(yīng)用軟件，能為國內(nèi)外重大工程項目提供一流的電氣傳動控制系統(tǒng)。這類設(shè)備的市場很大，隨著交流調(diào)速的發(fā)展，該市場雖在縮減，但由于我國舊設(shè)備改造任務(wù)多，以及它在幾百至一千多 kW 范圍內(nèi)價格比交流調(diào)速低得多，所以在短期內(nèi)市場不會縮減很多。這類設(shè)備的市場很大，總?cè)萘空嫉谋壤淮?，但臺數(shù)多，增長快，應(yīng)用范圍從單機擴展到全生產(chǎn)線，從簡單的 V/f 控制到高性能的矢量控制。國內(nèi)只有少數(shù)科研單位有能力制造，目前容量最大做到 12MW。主要靠進(jìn)口，國內(nèi)只有少數(shù)科研單位有 21 能力制造。 （ 1）應(yīng)用面廣，是工業(yè)企業(yè)和日常生活中普遍需要的新技術(shù)。 （ 5）是替代進(jìn)口，節(jié)約投資的最大領(lǐng)域之一。在小功率交流變頻調(diào)速技術(shù)反面，日本富士 BJT 變頻器最大單機容量可達(dá) 700 kVA， IGBT 變頻器已形成系列產(chǎn)品，其控制系統(tǒng)也已實現(xiàn)全數(shù)字化。 （ 2）功率器件的發(fā)展。 （ 4）基礎(chǔ)工業(yè)和各種制造業(yè)的高速發(fā)展，變頻器相關(guān)配套件社會化、專業(yè)化生產(chǎn)。在中小功率變頻技術(shù)方面，國內(nèi)幾乎所有的產(chǎn)品都是普通的 V/f控制，僅有少量的樣機采用矢量控制，品種與質(zhì)量還不能滿足市場需要， 每年大量進(jìn)口。 （ 3）相關(guān)配套產(chǎn)業(yè)及行業(yè)落后。 其主要發(fā)展方向有如下幾項。所謂清潔電能變流器是指變流器的功率因數(shù)為 1，網(wǎng)側(cè)和負(fù)載側(cè)有盡可能低的諧波分量，以減少對電網(wǎng)的公害和電動機的轉(zhuǎn)矩脈動。緊湊型變流器要求功率和控制元件具有高的集成度，其中包括智能化的功率模塊、緊湊型的光耦合器、高頻率的開關(guān)電源，以及采用新型電工材料制造的小體積變壓器、電抗器和電容器。 （ 5）模擬與計算機輔助設(shè)計（ CAD）技術(shù)。 （ 2）大功率負(fù)載換流電流型逆變器供電的傳動設(shè)備在抽水蓄能 電站、大型風(fēng)機和泵上的推廣應(yīng)用。 （ 5）風(fēng)機和泵用高壓電動機的節(jié)能調(diào)速研究。 主要的研究內(nèi)容及關(guān)鍵技術(shù)有如下各項。 （ 4）現(xiàn)代控制技術(shù)：多變量解耦控制技術(shù)；矢量控制和直接力矩控制技術(shù)；自適應(yīng)技術(shù)。 1995 ~ 1997 年 3 年間我國風(fēng)機水泵變頻調(diào)速技術(shù)改造投入資金 億元，改造總?cè)萘窟_(dá) 100 萬 kW，可年節(jié)電 7 億 kW? h，平均投資回收期約 2 年。即將出臺的限制性政策規(guī)定：對新建和擴建工程需要調(diào)速運行的風(fēng)機和水泵，一律不準(zhǔn)采用擋板和閥門調(diào)節(jié)流量；對采用擋板和閥門調(diào)節(jié)流量的要分期、分批、有步驟地進(jìn)行調(diào)速改造。 如 25 廣東茂名石化公司和九江石油化工廠現(xiàn)已發(fā)展到飲用常減壓和催裂化變頻裝置，取得了節(jié)能、增產(chǎn)的顯著效果；長春第一汽車廠 18 個專業(yè)廠的輸送機械、空壓機等設(shè)備應(yīng)用了 162 臺變頻器，保證了新車的制造迅速達(dá)到了生產(chǎn)指標(biāo)；新疆克拉瑪依油田在煉油、化工、供水、天然氣處理等系統(tǒng)中廣泛采用了變頻器，低壓變頻調(diào)速的普及率已達(dá) 70%；梅林水廠、太原鋼廠、邯鄲鋼廠等單位在水泵、風(fēng)機機組上采用中壓變頻技術(shù)，保證了生產(chǎn)，節(jié)約了 能源等。 5 結(jié)束語 變頻調(diào)速技術(shù)作為高新技術(shù)、基礎(chǔ)技術(shù)、和節(jié)能技術(shù)，已經(jīng)滲透到經(jīng)濟領(lǐng)域的所有技術(shù)部門中。 （ 3）規(guī)范我國變頻調(diào)速技術(shù)方面的標(biāo)準(zhǔn)，提高產(chǎn)品可靠性工藝水平，實 現(xiàn)規(guī)模化、標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn) 。迄今為止 ,電力電子器件的發(fā)展經(jīng)歷了分立換流關(guān)斷器件 (第一代 ) →自關(guān)斷器件 (第二代 ) →功率集成電路 PIC(第三代 ) →智能模塊 IPM(第四代 ) 四個階段。隨著向大電流、高電壓、高頻化、集成化、模塊化方向繼續(xù)發(fā)展 ,第三代電力電子器件是 20 世紀(jì) 90 年代制造變頻器的主流產(chǎn)品 , 中、小功率的變頻調(diào)速裝置 ( 1 — 100kw) 主要是采用 IGBT , 中、大功率的變頻調(diào)速裝置 (1000 — 10000kw) 采用 GTO 器件。進(jìn)入第四代后 ,GTO 器件也將被逐步淘汰。 需要指出的是 ,以上所述的全 控型開關(guān)功率器件主要應(yīng)用于異步電動機變頻調(diào)速系統(tǒng)中 ,其原因眾所周知。 脈寬調(diào)制 (PWM) 技術(shù) 27 脈寬調(diào)制 (PWM) 技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用優(yōu)化了變頻裝置的性能 ,變頻調(diào)速系統(tǒng)采用 PWM 技術(shù)不僅能夠及時準(zhǔn)確地實現(xiàn)變壓變頻控制要求 ,而且更重要的意義是抑制逆變器輸出電壓或電流中的諧波 分量 ,從而降低或消除了變頻調(diào)速時電機的轉(zhuǎn)矩脈動 ,提高了電機的工作效率 ,擴大了調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速范圍?，F(xiàn)代 PWM 生成電路大多采用具有高度輸出口 HSO 的單片機 (如 80196) 及數(shù)字信號處理器 DSP(Digital Signal Processor) ,通過軟件編程生成 PWM。 矢量控制的關(guān)鍵是靜止坐標(biāo)軸與旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)軸系之間的坐標(biāo)變換 ,而兩坐標(biāo)軸系之間的變換的關(guān)鍵是要找到兩坐標(biāo)軸之間的夾角。隨后日本學(xué)者 I Taka2hashi 提出了磁鏈軌跡的圓形方案。受矢量控制的啟迪 ,近年來又派生出諸如多變量解藕控制、變結(jié)構(gòu)滑?？刂频确椒ā? 矢量變換控制技術(shù)及直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù) 眾所周知 ,直流電動機雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)具有優(yōu)良的靜、動態(tài)調(diào)速特性 ,其根本原因在于作為控制對象的他勵直流電動機電磁轉(zhuǎn)矩能夠容易而靈活地進(jìn)行控制?；旧峡煞譃樗念?, 即等寬 PWM 法、正弦 PWM 法 (SPWM) 、磁鏈追蹤型 PWM 法及電流跟蹤型 PWM 法。一代電力電子器件帶來一代變頻調(diào)速裝置 ,性價比一代高過一代。如智能化模塊 IPM、專用功率器件模塊 ASPM 等。主要實用的第四代器件為 : (1) 高壓 IGBT 器件 , (2) IGCT( Insulated Gate ControlledTransistor) 器件 , (3) IEGT ( Injection Enhanced Gate Transis2tor) 器件 , (4) SGCT(Symmetrical Gate Commutated Thyristor)器件。裝置的效率、可靠性、成本、體積均無法與同容量的直流調(diào)速裝置相比。從此 ,交流調(diào)速理論及應(yīng)用技術(shù)大致沿下述四個方面發(fā)展。 （ 1）應(yīng)用變頻調(diào)速技術(shù)來改造傳統(tǒng)的產(chǎn)業(yè)，節(jié)約能源及提高產(chǎn)品質(zhì)量，獲得較好的經(jīng)濟效益和社會效益。很多用戶實踐的結(jié)果證明，節(jié)電率一般在 10% ~ 30%，有的高達(dá) 40%，更重要的是生產(chǎn)中一些技術(shù)難點也得到解決。 （ 1）變頻調(diào)速技術(shù)的應(yīng) 用范圍已發(fā)展到新階段。 1998 年 1 月 1 日實施的《中華人民共和國節(jié)約能源法》第 39 條，已將變頻調(diào)速列入通用節(jié)能技術(shù)加以推廣。 多年來，國家經(jīng)貿(mào)委一直會 同國家有關(guān)部門致力于變頻調(diào)速技術(shù)的開發(fā)及推廣應(yīng)用，在技術(shù)開發(fā)、技術(shù)改造方面給予了重點扶持，組織了變頻調(diào)速技術(shù)的評測推薦工作，并把推廣應(yīng)用變頻調(diào)速技術(shù)作為風(fēng)機、水泵節(jié)能技改專項的重點投資方向，同時鼓勵單位開展統(tǒng)貸統(tǒng)還方式，抓開發(fā)、抓示范工程、抓推廣應(yīng)用。 （ 2）新型電力電子器件的應(yīng)用技術(shù)：可關(guān)斷驅(qū)動技術(shù)；雙 PWM 逆變技術(shù)；循環(huán)變流 / 電流型交 直 交（ CC / CSI0）變流技術(shù)（ 12 脈波變頻技術(shù)）；同步機交流勵磁變速運行技術(shù)；軟開關(guān) PWM 變流技術(shù)。特別是電壓電動機，容量大，節(jié)能效果更顯著。 （ 4）電壓型 IGBT、 IGCT 逆變器供電的傳動設(shè)備擴大功能，改善性能。 主要的研究開發(fā)項目有如下各項。 （ 4）高速度的數(shù)字控制。對大容量變流器，在常規(guī)的開關(guān)頻率下，可改變電路結(jié)構(gòu)和控制方式，實現(xiàn)清潔電能的變換?；陔妱訖C和機械模型的控制策略，有矢量控制、磁場控制、直接傳矩控制和機械扭振補償?shù)?；基于現(xiàn)代理論的控制策略，有滑模變結(jié)構(gòu)技術(shù)、模型參考自適應(yīng)技術(shù)、采用微分幾何理論的非線性解耦、魯棒觀察器，在某種指標(biāo)意義下的最優(yōu)控制技術(shù)和逆奈奎斯特陣列設(shè)計方法等；基于智能控制思想的控制策略，有模糊控制、神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)、專家系 統(tǒng)和各種各樣的自優(yōu)化、 23 自診斷技術(shù)等。 3 未來的發(fā)展方向 交流變頻調(diào)速技術(shù)是強弱電混合、機電一體的綜合性技術(shù)，既要處理巨大電能的轉(zhuǎn)換（整流、逆變），又要處理信息的收集、變換和傳輸，因此它的共性技術(shù)必定分成功率和控制兩大部分。 （ 1）變頻器的整機技術(shù)落后，國內(nèi)雖有很多單位投入了一定的人力、物力，但由于力量分散，并沒有形成一定的技術(shù)和生產(chǎn)規(guī)模。 在大功率 交、無換向器電機等變頻技術(shù)方面，國內(nèi)只有少數(shù)科研單位有能力制造，但在數(shù)字化及系統(tǒng)可靠性方面與國外還有相當(dāng)差距。 （ 3）控制理論和微電子技術(shù)的發(fā)展。 （ 1）市場的大量需求。在大功率無換向器電機變頻調(diào)速技術(shù)方面，意大利 ABB 公司提供了單機容量為 6 萬 kW 的設(shè)備用于