【導(dǎo)讀】中文題目變頻技術(shù)的發(fā)展。系（院）電氣工程系。專業(yè)電氣工程與自動化

　　

【正文】 個世紀(jì)變壓器的出現(xiàn)使改變電壓變得很容易，從而造就了一個龐大的電力行業(yè)。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。 這 10 年來，變頻技術(shù)的應(yīng)用在我國有很大的發(fā)展，并取得了良好的效果可以說，變頻技術(shù)已為大多數(shù)用戶所接受，但是不能不指出，我國在變頻技術(shù)的應(yīng)用方面，與發(fā)達國家的水平尚有很大差距，目前，我國在用的交流電動機使用變頻調(diào)速運行的僅 6%左右，而下業(yè)發(fā)達國家已達 (60%~70%)，日本在風(fēng)機、水泵上變頻調(diào)速的采用率已達 10% ,而我國還不足 %.在日本，空調(diào)器的 70%采用了變頻調(diào)速，而我國才剛剛起步。從這個現(xiàn)實出發(fā)，變頻技術(shù)尚有很大的發(fā)展空間，應(yīng)該鍥而不舍地做好推廣應(yīng)用工作。 而且隨著控制技術(shù)和控制手段的不斷提高，變頻調(diào)速又由變壓變頻控制的變頻調(diào)速發(fā)展到了矢量控制變頻調(diào)速，通過控制交流電動機里相當(dāng)于并勵直流電動機勵磁繞組的磁通變化，提高變頻器的恒轉(zhuǎn)矩輸出范圍和動靜態(tài)特性，使得交流電動機變頻調(diào)速系統(tǒng)的性能超過了直流電動機調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)的性能。為了簡化控制系統(tǒng)， 9 減少設(shè)備故障率，在矢量控制變頻調(diào)速的基礎(chǔ)上又發(fā)展了無速度傳感器的矢量控制變頻調(diào)速。在一些對動靜態(tài)特性要求不太高的應(yīng)用中，無速度傳感器的矢量控制變頻調(diào)速己完全可以和有速度傳感器的矢量控制變頻調(diào)速相媲美。矢量控制對交流電機調(diào)速具有劃 時代的意義。 變頻調(diào)速是電機調(diào)速的最佳方式，是企業(yè)技術(shù)改造和產(chǎn)品更新?lián)Q代的理想設(shè)備，是工業(yè)自動化系統(tǒng)必不可少的組成部分，是實現(xiàn)生產(chǎn)過程和管理自動化的前提，也是信息化發(fā)展的先決條件。在我國傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)中，采用直流電機拖動的調(diào)速系統(tǒng)約占調(diào)速系統(tǒng)總量的 85%~90%，而交流調(diào)速系統(tǒng)僅占 10%~15%。效率低、質(zhì)量差、消耗大、故障率高己成為制約企業(yè)發(fā)展的瓶頸。因此，必須積極推廣先進的交流變頻調(diào)速技術(shù)，用先進的設(shè)備武裝傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，促進自動化、工業(yè)化和信息化的進一步發(fā)展。 2. 變頻調(diào)速發(fā)展趨勢 如果說以第一個晶閘管的出現(xiàn)作 為交流電動機變頻調(diào)速的起點，可以認(rèn)為它的發(fā)展歷史己 40 多年了。而變頻調(diào)速技術(shù)真正高速發(fā)展時期，應(yīng)該是在 PWM 調(diào)制技術(shù)的出現(xiàn)和微機控制技術(shù)發(fā)展之后。特別是最近 20 年來，隨著交流調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用普及，交流變頻調(diào)速在化工、火電廠、礦山、油田、機械制造、城市建設(shè)、水處理、甚至家電等行業(yè)己經(jīng)全面推廣使用，一般主要用于節(jié)能及控制。隨著變頻技術(shù)的普及和深入，以及國際、國內(nèi)電器設(shè)備使用的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)意識的強化，電力系統(tǒng)行業(yè)和用戶對變頻技術(shù)的質(zhì)量要求也越來越高。變頻調(diào)速的發(fā)展趨勢主要圍繞下面幾個方而展開。 （ 1） 高性能的智能控制 變頻器 380V系統(tǒng)的低壓變頻器是國內(nèi)的主要研究對象，應(yīng)用交流調(diào)速的基本理論，結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、魯棒控制、模糊控制，或其他智能控制等手段，實現(xiàn)電機運行參數(shù)的自動辨識，以期達到自適應(yīng)、自調(diào)整的最優(yōu)控制。這方面己有一定的研究成 （ 2）速度傳感器研究 從前面所述的各種變頻調(diào)速的理論可知，一般系統(tǒng)都要用到轉(zhuǎn)速傳感器。在實際使用中，由于變頻設(shè)備和被控電動機有一定的距離，而高精度的轉(zhuǎn)速傳感器都要使用專門的電源，被控電動機有的是在戶外，運行工況非常惡劣，要保證速度反饋的準(zhǔn)確性，有時不得不采取特別措施，因此也會增加 額外費用，運行的可靠性和控 10 制精度也會因此受到影響。無速度傳感器的變頻調(diào)速系統(tǒng)，是通過現(xiàn)場采集的電流電壓量，以及控制的實施策略，綜合出被控電機的實際轉(zhuǎn)速。這種控制方案要求計算機的控制速度較高，并有足夠的精度。 （ 3） 針對功率因數(shù)提高和諧波污染的研究 低壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的控制雖然己經(jīng)是非常成熟了，但目前國際、國內(nèi)的產(chǎn)品，一般都是矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制，重點放在電機變頻控制理論的實現(xiàn)和完善上，而對變頻器的輸出波形、功率因數(shù)，以及諧波污染等問題還沒有引起足夠的重視。最近 10 多年來，國外在這一領(lǐng)域己有較深入的研究。有 的針對功率因數(shù)，有的強調(diào)輸出波形。多重化技術(shù)就是為了解決輸出波形問題。最近幾年的研究表明，利用 PWM輸出控制解決諧波輸出問題，是比較理想的方法，它可以省去多重化中的變壓器，或過多的開關(guān)元器件，使變頻器的體積和重量減少，但這種方法不能解決所有諧波的消除問題，只能部分消除特定諧波。這方面的研究論文還不多，也還沒有成熟的類似低壓變頻器的產(chǎn)品出現(xiàn)。 （ 4） 高壓變頻器的研究 變頻器的主要作用之一是節(jié)能。而高壓電動機的節(jié)能效果是比較明顯的，大功率的風(fēng)機和水泵用電動機一般都是高壓電動機。國內(nèi)，高壓變頻調(diào)速和它的節(jié)能控制 還是一個比較薄弱的環(huán)節(jié) .它主要是針對 6~10kV 的交流電動機進行變頻調(diào)速控制。這種高壓電動機廣泛應(yīng)用于火力發(fā)電廠的送風(fēng)機和引風(fēng)機上。同樣也可用于其他如石油化工、礦山、冶煉、機械制造等行業(yè)的變頻節(jié)能控制。從某種意義上講，由于目前國內(nèi)還不能完全生產(chǎn)高質(zhì)量的合格電力電子器件，而且，國外低壓變頻器的性能價格比也比國內(nèi)自己研究的變頻器高得多。因此 ,在這方面還有許多研究工作要做。 隨著電力電子技術(shù)最近 20 多年的飛速發(fā)展，功率半導(dǎo)體器件的成本逐年下降，技術(shù)工藝和性能也得到不斷改善 .電力電子器件的應(yīng)用己從傳統(tǒng)的直流調(diào)速、 直流屏、斬波器等領(lǐng)域延伸到交流調(diào)速和電力系統(tǒng)的質(zhì)量控制領(lǐng)域 .并正朝著高電壓、大功率的方向發(fā)展 .這也是千年之交和世紀(jì)之交我國電力電子技術(shù)應(yīng)用的發(fā)展趨勢。 （ 5）無換向器同步電機的變頻調(diào)速 無換向器電動機也是在 20 世紀(jì) 70 年代發(fā)展起來的新型調(diào)速系統(tǒng)。它是一種變頻調(diào)速同步電動機 .也可以認(rèn)為是一種用半導(dǎo)體電子開關(guān)線路代替換向器和電刷作 11 用的直流電動機。根據(jù)采用的控制方式不同 .可分為直流無換向器電動機和交流無換向器電動機。直流無換向器電動機采用交 直 交或直 交變頻控制系統(tǒng) 。交流無換向器電動機采用交 交變頻控制系統(tǒng)。近 10 年來 .國內(nèi)外雜志上有許多相關(guān)的研究論文。而且，也有一定的成果出現(xiàn)。 3. 變頻調(diào)速控制方式 交流變頻調(diào)速技術(shù)在 20 世紀(jì)得到了迅速發(fā)展。這與一些關(guān)鍵性技術(shù)的突破性進展有關(guān)，它們是交流電動機的矢量控制技術(shù)、直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)、 PWM 技術(shù)以及微型計算機和大規(guī)模集成電路為基礎(chǔ)的全數(shù)字化控制技術(shù)、自整定技術(shù)等。 （ 1）矢量控制技術(shù) 矢量變換控制技術(shù)是西門子公司于 1971 年提出的一種新的控制思想和控制理論。它是以轉(zhuǎn)子磁場定向，采用矢量變換的方法實現(xiàn)定子電流勵磁分量和轉(zhuǎn)矩分量之間的解藕，達到對交流電動機的磁鏈和電流分別 控制的目的，從而獲得了優(yōu)良的靜、動態(tài)性能。迄今為止，矢量控制技術(shù)己經(jīng)獲得了長足的發(fā)展，并得到了廣泛應(yīng)用。 （ 2）無速度傳感器矢量控制技術(shù) 無速度傳感器控制技術(shù)免去了傳感器帶來的環(huán)境適應(yīng)性、安裝維護等問題，降低了成本，提高了系統(tǒng)的可靠性，同時結(jié)合矢量控制，具有矢量控制的優(yōu)良性能。無速度傳感器技術(shù)中速度估算的方法，除了根據(jù)數(shù)學(xué)模型計算電動機轉(zhuǎn)速外，目前應(yīng)用較多的有模型參考自適應(yīng)法和擴展卡爾曼濾波法。此外全維轉(zhuǎn)子磁通觀測器，齒諧波電勢 (RSH)等理論也出現(xiàn)在無速度傳感器技術(shù)中。從 1983 年提出無速度傳感器矢量控制 策略以來，一直受到學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的高度重視，日立、安川電機等公司在 1987 年分別發(fā)表了研究成果，并相繼推出了產(chǎn)品。目前，無速度傳感器矢量控制變頻器的調(diào)速范圍為 1:50 左右，個別廠商有 1:75 甚至更高的產(chǎn)品。 （ 3）直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù) 1985 年 .德國的 M . Depenblock首次提出直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù) (DTC)。 DTC 控制直接在定子坐標(biāo)系下分析交流電動機的數(shù)學(xué)模型。采用定子磁場定向而無需解藕電流，直接控制電動機的磁鏈和轉(zhuǎn)矩，以使轉(zhuǎn)矩得到快速響應(yīng)，從而獲得高效的控制性能。 直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)是近 10 年繼矢量控 制技術(shù)之后發(fā)展起來的又一種新型的高 12 性能交流變頻調(diào)速技術(shù)，這種控制技術(shù)與矢量控制技術(shù)相比，對電機參數(shù)不敏感，不受轉(zhuǎn)子參數(shù)的影響，簡單易行，具有廣闊的發(fā)展和應(yīng)用前景。 （ 4） PWM 控制技術(shù) 1964 年，德國的 A. Schonung 等率先提出了脈寬調(diào)制 (PWM pulse width modulation)變頻的思想，為近代交流調(diào)速系統(tǒng)開辟了新的發(fā)展領(lǐng)域。 PWM 控制技術(shù)通過改變矩形脈沖的寬度來控制逆變器輸出交流基波電壓的幅值，通過改變調(diào)制周期來控制其輸出頻率，從而在逆變器上同時進行輸出電壓幅值和頻率的控制。 PWM技術(shù)簡化了逆變器的結(jié)構(gòu)，能夠明顯的改善變頻器的輸出波形，降低電動機的諧波損耗，并減小轉(zhuǎn)矩脈動，同時提高了系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)性能。 PWM 技術(shù)還可用于整流器的控制，能夠?qū)崿F(xiàn)輸入電流非常接近正弦 .。并可使電網(wǎng)功率因數(shù)為 1。 PWM 整流器因而被稱為 “綠色 ”變流器。目前， PWM 技術(shù)己成為變頻器中應(yīng)用最為廣泛的控制技術(shù)。交流電機調(diào)速性能的不斷提高在很大程度上是由于 PWM 技術(shù)的不斷進步。目前廣泛應(yīng)用的是在規(guī)則采樣 PWM 的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的準(zhǔn)優(yōu)化 PWM 法，即三次諧波疊加法和電壓空間矢量 PWM 法。 （ 5） 數(shù)字化控制技術(shù) 控制技術(shù) 的數(shù)字化是靜止變頻裝置的核心技術(shù)，也是今后的發(fā)展趨勢。目前市場上的變頻裝置幾乎全面實現(xiàn)了數(shù)字化控制。采用 DSP 和 ASIC 技術(shù)實現(xiàn)了快速運算和高精度控制，可以得到良好的電流波形，使變頻器的噪音大幅度降低，并且掃描時間大幅度縮短，目前電流響應(yīng)為 ~，速度響應(yīng)為 2~4 ms,足以滿足傳動領(lǐng)域的控制要求。同時由于應(yīng)用微電子技術(shù)和 ASIC 技術(shù)，裝置的元器件數(shù)量得以大幅度減少，從而使變頻裝置的體積減小，可靠性得到大幅度提高。全數(shù)字控制方式使變頻器的信息處理能力大為增強。采用模擬控制方式無法實現(xiàn)的復(fù)雜控制在 今天都己成為現(xiàn)實，從而所謂的 RAS概念即可靠性 (Reliability)、可操作性 (Availability)、可維修性 (Serviceability)得以充實。 （ 6）自整定技術(shù) 自整定技術(shù)在變頻調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用日益廣泛，它可以根據(jù)速度和負(fù)載的變化自動調(diào)整控制系統(tǒng)的參數(shù)，使得系統(tǒng)具有快速的動態(tài)響應(yīng)。自整定技術(shù)分為離線式和在線式兩種。離線式的研究成果己經(jīng)在相當(dāng)多的產(chǎn)品中應(yīng)用，它是在運行系統(tǒng)程序之前通過運行一段自整定程序，辨識相關(guān)數(shù)據(jù)，并修改系統(tǒng)程序的相關(guān)參數(shù)，以 13 期獲得良好的系統(tǒng)控制性能。另外，改進控制技術(shù)， 提高系統(tǒng)魯棒性也和自整定技術(shù)緊密相聯(lián)系。