【文章內(nèi)容簡介】 最有發(fā)展前途的調(diào)速方式，其重要性日益得到世界各國的重視。在世界能源緊缺的今天，開展變頻調(diào)速技術(shù)的研究，推廣其應(yīng)用，有著非常重大的現(xiàn)實意義和巨大的經(jīng)濟效益及社會效益。 變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展概況 20 世紀 60 年代以前，直流調(diào)速一直以控制能力強、可靠性高、噪聲低、控制電路簡單等一系列優(yōu)良的性能在傳動領(lǐng)域中占據(jù)著主導地位。但是隨著社會生產(chǎn)力及技術(shù)的不斷發(fā)展，直流傳動的薄弱環(huán)節(jié)逐步顯示出來。由于換向器的存 在，使直流電動機的維護工作量加大，單機容量、最高轉(zhuǎn)速以及使用環(huán)境等都受到限制。同時，電動機在實際應(yīng)用中，已由過去簡單的起?？刂?，以提供動力為目的發(fā)展為對其速度、位置、轉(zhuǎn)矩等參數(shù)進行精確控制，使被驅(qū)動的機械運動符合預(yù)想的要求。另外，隨著電力電子技術(shù)、控制技術(shù)以及微型計算機和大規(guī)模集成電路的飛速發(fā)展，交流調(diào)速取代直流調(diào)速，計算機數(shù)字控制技術(shù)取代模擬控制技術(shù)已成為發(fā)展趨勢。因此，人 們便轉(zhuǎn)向應(yīng)用結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠、便于維護、價格低廉的交流電動機 。 然而，要實現(xiàn)對交流電動機高性能的調(diào)速遠比直流電動機調(diào)速困難得多。 70 年代以來， 6 隨著新型自關(guān)斷電力電子器件、智能功率集成電路的問世，現(xiàn)代控制理論的發(fā)展和計算機技術(shù)的應(yīng)用，新的控制策略不斷涌現(xiàn)，使得交流調(diào)速技術(shù)得到迅猛發(fā)展，并已在冶金、機械、電氣、紡織、食品等行業(yè)得到普遍應(yīng)用，交流調(diào)速以其顯著的節(jié)電效果，優(yōu)良的調(diào)速性能以及廣泛的適用性逐步取代直流調(diào)速的地位， 已經(jīng)成為電氣傳動領(lǐng)域發(fā)展的主流方向 。 ]3[ 國內(nèi)現(xiàn)狀 1） 有大量 市場需求 。 隨著工業(yè)自動化程度的不斷提高和能源全球性短缺，變頻器越來越廣泛地應(yīng)用在冶金、機械、石油、化工、紡 織、造紙、等各個行業(yè)以及風機、水泵等節(jié)能場合，并取得了顯著的經(jīng)濟效益。 2）功率器件發(fā)展迅速 。 近年來，高電流、大電流的 SCR、 GTO、 IGBT、 IGCT 以及智能模塊 IPM (Intelligent Power Module) 等器件的生產(chǎn)以及并聯(lián)、串聯(lián)技術(shù)應(yīng)用的發(fā)展，使高電壓、大功率變頻器產(chǎn)品的生產(chǎn)及應(yīng)用成為現(xiàn)實。 3）控制理論和微電子技術(shù)的支持 。 在現(xiàn)代自動化控制領(lǐng)域中，以現(xiàn)代控制論為基礎(chǔ)，融入模糊控制、專家控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等新的控制理論為高性能變頻調(diào)速提供了理論基礎(chǔ)；16 位、 32 位高速微處理器和專 用集成電路 (ASIC)技術(shù)的快速發(fā)展，則為實現(xiàn)變頻調(diào)速的高精度、多功能提供了硬件手段。 現(xiàn)在，我國有 200 家左右的公司、工廠和研究所從事變頻調(diào)速技術(shù)的工作。隨著改革開放，經(jīng)濟高速發(fā)展，形成了一個巨大的市場，它既對國內(nèi)企業(yè)，也對外國公司敞開。很多最先進的產(chǎn)品從發(fā)達國家進口，在我國運行良好，滿足了我國生產(chǎn)和生活需要。國內(nèi)許多合資公司生產(chǎn)當今國際上先進的產(chǎn)品，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)，在變頻調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用和研究上取得了很大的成績 。 但應(yīng)看到，由于國內(nèi)自行開發(fā)、生產(chǎn)產(chǎn)品的能 力弱，對國外公司的依賴仍很嚴重。 變頻調(diào)速未來的發(fā)展方向 交流變頻調(diào)速是強、弱電混合，機電一體的綜合技術(shù)，既要處理巨大電能的轉(zhuǎn)換，又要處理信息的收集變換和傳輸。因此它的共性技術(shù)必定是分為功率和控制兩大部分。前者要解決與高壓大電流有關(guān)的技術(shù)問題和新型電力電子器件的應(yīng)用技術(shù)問題，后者要解決硬、軟件開發(fā)問題 。各種高性能變頻控制都是國內(nèi)外研究的熱點，其未來主要的發(fā)展方向 是 1）實現(xiàn)變頻器的人工智能化對于交流電機這樣多變量、強耦合的參數(shù)非線性時變的復(fù)雜被控對象，要獲得良好的控制性能較為困難。由于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具 有很強的信息處理能力，能通過自身學習來解決復(fù)雜系統(tǒng)的控制問題，故目前已成為非線性系統(tǒng)建模的重要技術(shù)。近年來，國外神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在變頻調(diào)速系統(tǒng)控制中獲得了應(yīng)用，已成為當前神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論及應(yīng)用的研究熱點。 2）實現(xiàn)全數(shù)字控制化全數(shù)字控制使硬件簡化，柔性的控制算法使控制靈活、可靠，易實現(xiàn)復(fù)雜的控制規(guī)律，便于故障診斷和監(jiān)視。 3）實現(xiàn)變頻器的通信網(wǎng)絡(luò)化和技術(shù)規(guī)格標準化當前，國外先進的變頻器都配有總線適配器模塊 (如 modbus, feidbus, interbus 等 )作為選件，外部總線可以雙絞線和適配器連接，變頻器則作為系統(tǒng) 的智能終端。進一步可形成集散式 (DCS)變頻控制系統(tǒng)和現(xiàn)場總線 (FCS)變頻控制系統(tǒng)。變頻 器的技術(shù)規(guī)格已統(tǒng)一成國際性標準，可根據(jù)用戶的需要實現(xiàn)靈活的配置 。 4）實現(xiàn)變頻器的特大容量化隨著電力電子技術(shù)的不斷 進步，控制容量將進一步增大， 7 使交流電機比直流電機的優(yōu)勢更加明顯 。 5）實現(xiàn)變頻器硬件的集成化為了使變頻裝置體積更小巧，新型變頻器要求功率和控制單元具有高集成度。利用不斷發(fā)展的大規(guī)模集成電路工藝，把自動控制系統(tǒng)中控制電路集成化為若干個專用 IC 芯片 (ASIC )，使整個系統(tǒng)的構(gòu)成更小型、可靠，從而構(gòu)成強弱電一體 的智能化電機。 6）實現(xiàn)變頻器的高頻化提高變頻器開關(guān)頻率是抑制諧波、提高系統(tǒng)性能的關(guān)鍵之一。但開關(guān)頻率提高，會增加器件自身的開關(guān)損耗，影響變頻器的效率和可靠性，使其調(diào)制頻率受到限制。目前在高頻變換器中采用較多的器件是 MOSFET， IGBT 和 IPM。各國正在利用新一代高頻電力電子器件，如靜電感應(yīng)晶閘管 (SITH )，以及 IGCT 和 IECT，研發(fā)新一代高頻的電控裝置 。 7）實現(xiàn)變頻器的 “ 綠色環(huán)保 ” 化實現(xiàn)變頻器的 “ 綠色環(huán)保 ” 化也就是開發(fā)清潔電能的變頻器。所謂清潔電能變頻器是指變頻器的功率因數(shù)為 1，電網(wǎng)側(cè)和負載側(cè) 的諧波分量很少。研究環(huán)保型整流器，使其不產(chǎn)生諧波，且實現(xiàn)功率雙向流動是國內(nèi)外目前研究的熱點問題。 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)滲透到所有經(jīng)濟領(lǐng)域的技術(shù)部門中。應(yīng)積極應(yīng)用變頻調(diào)速技術(shù)來改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，節(jié)約能源及提高產(chǎn)品質(zhì)量，以獲得較好的經(jīng)濟效益和社會效益；要大力發(fā)展變頻調(diào)速技術(shù)，必須把我國變頻調(diào)速技術(shù)提高到一個新的水平，縮小與世界先進水平的差距，提高自主開發(fā)能力，滿足國民經(jīng)濟重點工程建設(shè)和市場的需求；并規(guī)范我國變頻調(diào)速技術(shù)方面的標準，提高產(chǎn)品可靠性及工藝水平，實現(xiàn)規(guī)?；?、標準化生產(chǎn) ]4[ 。 8 第二 章 變頻器 交流變頻器是微型計算機及現(xiàn)代電力電子技術(shù)高度發(fā)展的結(jié)果。微型計算機是變頻器的核心，電力電子器件構(gòu)成了變頻器的主電路。大家都知道，從發(fā)電廠送出的交流電的頻率是恒定不變的，在我國是每秒 50Hz。 而交流電動機的同步轉(zhuǎn)速 : PfN 11 60? 式中 1N 同步轉(zhuǎn)速， r/min； 1f 定子頻率， Hz； P 電機的極對數(shù)。 而異步電動機轉(zhuǎn)速 ： )1(60)1( 11 sP fsNN ???? 式中 s 異步電機轉(zhuǎn)差率， 11 /)( NNNs ?? ，一般小 于 3%。 均與送入電機的電流頻率成正比例或接近于正比例。因而，改變頻率可以方便地改變電機的運行速度，也就是說變頻對于交流電機的調(diào)運來說是十分合適的 ]5[ 。 變頻 器的基本結(jié)構(gòu) 從頻率變換的形式來說。變頻器分為交 交和交 直 交兩種形式。交 交變頻器可將工頻交流電直接變換成頻率、電壓均可控制的交流電，稱為直接式變頻器。而交 直 交變頻器則是先把工頻交流電通過整流變成直流電。然后再把直流電變換成頻率、電壓均可控制的交流電．又稱間接式變頻器。市售通用變頻器多是交 直 交變頻器，其基本結(jié)構(gòu)圖如圖 21 所示， 圖 21 交 直 交變頻器的基本結(jié)構(gòu) 由主回路，包括整流器、中間直流環(huán)節(jié)、逆變器和控制回路組成，現(xiàn)將各部分的功能分述如下： (1)整流器。電網(wǎng)側(cè)的變流器是整流器，它 的作用是把三相 (也可以是單相 )交流整流成直流 ]10[ 。 (2)直流中間電路。直流中間電路的作用是對整流電路的輸出進行平滑，以保證逆變電路及控制電源得到質(zhì)量較高的直流電源。由于逆變器的負載多為異步電動機，屬于感性負載。 9 無論是電動機處于電動或發(fā)電制動狀態(tài)其功率因數(shù)總不會為 1。因此，在中間直流環(huán)節(jié)和電動機之間總會有無功功率的交換。這種無功能量要靠中間直流環(huán)節(jié)的儲能元件 (電容器或電抗器 )來緩沖。所以又常稱直流中間環(huán)節(jié)為中間直流儲能環(huán)節(jié)。 (3)逆變器。負載側(cè)的變流器為逆變器。逆 變器的主要作用是在控制電路的控制下將直流平滑輸出電路的直流電源轉(zhuǎn)換為頻率和電壓都可以任意調(diào)節(jié)的交流電源。逆變電路的輸出就是變頻器的輸出。 (4)控制電路。變頻器的控制電路包括主控制電路、信號檢測電路、門極驅(qū)動電路、外部接口電路及保護電路等幾個部分。其主要任務(wù)是完成對逆變器的開關(guān)控制，對 整流器的電壓控制及完成各種保護功能。控制電路是變頻器的核心部分。 性能的優(yōu)劣決定了變頻器的性能。 一般三相變頻器的整流電路由三相全波整流橋組成。 直流中間電路的儲能元件在整流 電路是電壓源時是大容量的電解電容，在整流電路是電流源時是大容量的電感。為了電動機制動的需要，中間電路中有時還包括制動電阻及一些輔助電路。逆變電路最常見的結(jié)構(gòu)形式是利用 6個半導體主開關(guān)器件組成的三相橋式逆變電路。有規(guī)律的控制逆變器中主開關(guān)的通與斷，可以得到任意頻率的三相交流輸出。現(xiàn)代變頻器控制電路的核心器件是微型計算機，全數(shù)字化控制為變頻器的優(yōu)良性能提供了硬件保障 ]6[ 。圖 22為電流型變頻器主電路基本結(jié)構(gòu)示意圖 圖 22 電壓型變頻器和電流型變頻器主電路基本結(jié) 構(gòu) 10 RS TVD1VD2 VD3 VD4 VD5VD6VD7 VD8 VD9VD10 VD11 VD12CF 1 CF 2RC 1 RC 2 RHRBVBV1 V2V3 V4V5 V6S L R L U V W交 — 直 變 換能 耗 電 路 直 — 交 變 換圖 23 變頻器主電路結(jié)構(gòu)圖 變頻器的分類及工作原理 變頻器的較詳細的工作原理還與變頻器的工作方式有關(guān)，通用變頻器按工作方式分類如下： （ 1） U/f控制。 U/f控制即電壓與頻率成比例變化控制。 由于通用變頻器的負載主要是電動機，出于電動機磁場恒定的考慮，在變頻的同時都要伴隨著電壓的調(diào)節(jié)。 U/f控制由于忽略了電動機漏阻抗的作用，在低頻段工作特性不理想。因而實際變頻器中采用 E/f控制。采用 U/f控制方式的變頻器通常被稱為普通功能變頻器。 （ 2）轉(zhuǎn)差頻率控制。轉(zhuǎn)差頻率控制是在 E/f控制基礎(chǔ)上增加轉(zhuǎn)差控制的一種控制方式。從電動機的轉(zhuǎn)速角度看，這是一種以電動機的實際運行速度加上該速度下電動機的轉(zhuǎn)差頻率確定變頻器的輸出頻率的控制方式。更重要的是，在 E/f=常數(shù)的條件下，通過對轉(zhuǎn)差率的控制，可以實現(xiàn)對電機轉(zhuǎn)矩的控制。采用轉(zhuǎn)差頻率控制的變頻器通常屬于多功能型變頻器。 （ 3）矢量控制。矢量控制是受調(diào)速性能優(yōu)良的直流電動機磁場電流及轉(zhuǎn)矩電流可分別控制啟發(fā)而設(shè)計的一種控制方式。矢量控制將交流電動機的定子電流采用矢量分解的方法，計算出定子電流的磁場分量及轉(zhuǎn)矩分量 ，并分別控制，從而大大提高了變頻器對電動機轉(zhuǎn)速及力矩控制的精度及性能。采用矢量控制的變頻器通常稱為高功能變頻器。 通用變頻器按工作方式分類的主要工程意義在于各類變頻器對負載的適應(yīng)性。普通功能型變頻器適用于泵類負載及要求不高的反抗性負載，而高功能變頻器可適用于位能性負載 11 ]7[ 。 變頻器的操作方式及使用 和 PLC一樣，變頻器是一種可編程的電氣設(shè)備。在變頻器接入電路工作前，要根據(jù)通用變頻器的實際應(yīng)用修定變頻器的功能碼。功能碼一般有數(shù)十甚至上百條， 涉及調(diào)速操作端口 指定、頻率變化范圍、 力矩控制、系統(tǒng)保護等各個方面。功能碼在出廠時已按默認值存儲。修訂是為了使變頻器的性能與實際工作任務(wù)更加匹配。 變頻器與外界交換信息的接口很多，除了主電路的輸入與輸出接線端外，控制電路還設(shè)有許多輸入輸出端子，另有通信接口及一個操作面板，功能碼的修訂一般就通過操作面板完成。 變頻器的輸出頻率控制有以下幾種方式： （ 1）操作面板控制方式。這是通過操作面板上的按鈕手動設(shè)置輸出頻率的一種操作方式。具體操作又有兩種方法，一個按面板上頻率上升或頻率下降的按鈕調(diào)節(jié)輸出頻率，另一個方法是通過直接設(shè)定頻率 數(shù)值調(diào)節(jié)輸出頻率。 （ 2）外輸入端子數(shù)字量頻率選擇操作方式。變頻器常設(shè)有多段頻率選擇功能。各段頻率值通過功能碼設(shè)定，頻率段的選擇通過外部端子選擇。變頻器通常在控制端子中設(shè)置一些控制端， 控制端 的 7種組合 方式 選定 7種工作頻率值。這些端子的接通組合可通過機外設(shè)備，如PLC控 制實現(xiàn)。 （ 3） 外輸入端子模擬量頻率選擇操作方式。為了方便與輸出量為模擬電流或電壓的調(diào)節(jié)器、控 制器的連接，變頻器還設(shè)有模擬量輸入中端， 當接在這些端口上的電流或電壓量在一定范圍內(nèi)平滑變化時，變頻器的輸出頻率在一定范圍內(nèi)平滑變化。 （ 4） 通信數(shù)字量 操作方式。為了方便與網(wǎng)絡(luò)接口，變頻器一般都設(shè)有網(wǎng)絡(luò)接口，都可以通過通信方式接收頻率控制指令，不少變頻器生產(chǎn)廠家還為自己的變頻器與 PLC 通信設(shè)計了專用的協(xié)議 ]8[ 。