【導讀】中文題目變頻技術的發(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，變頻技術的應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，我國在變頻技術的應用方面，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)，變頻技術尚有很大的發(fā)展空間，應該鍥而不舍地做好推廣應用工作。 而且隨著控制技術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 減少設備故障率，在矢量控制變頻調(diào)速的基礎上又發(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)技術改造和產(chǎn)品更新?lián)Q代的理想設備，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，用先進的設備武裝傳統(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，可以認為它的發(fā)展歷史己 40 多年了。而變頻調(diào)速技術真正高速發(fā)展時期，應該是在 PWM 調(diào)制技術的出現(xiàn)和微機控制技術發(fā)展之后。特別是最近 20 年來，隨著交流調(diào)速技術的應用普及，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、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。隨著變頻技術的普及和深入，以及國際、國內(nèi)電器設備使用的有關標準意識的強化，電力系統(tǒng)行業(yè)和用戶對變頻技術的質(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，應用交流調(diào)速的基本理論，結合神經(jīng)網(wǎng)絡控制、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、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用于火力發(fā)電廠的送風機和引風機上。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。 隨著電力電子技術最近 20 多年的飛速發(fā)展，功率半導體器件的成本逐年下降，技術工藝和性能也得到不斷改善 .電力電子器件的應用己從傳統(tǒng)的直流調(diào)速、 直流屏、斬波器等領域延伸到交流調(diào)速和電力系統(tǒng)的質(zhì)量控制領域 .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之交我國電力電子技術應用的發(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 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 .也可以認為是一種用半導體電子開關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)速技術在 20 世紀得到了迅速發(fā)展。這與一些關鍵性技術的突破性進展有關，它們是交流電動機的矢量控制技術、直接轉(zhuǎn)矩控制技術、 PWM 技術以及微型計算機和大規(guī)模集成電路為基礎的全數(shù)字化控制技術、自整定技術等。 （ 1）矢量控制技術 矢量變換控制技術是西門子公司于 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，矢量控制技術己經(jīng)獲得了長足的發(fā)展，并得到了廣泛應用。 （ 2）無速度傳感器矢量控制技術 無速度傳感器控制技術免去了傳感器帶來的環(huán)境適應性、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。無速度傳感器技術中速度估算的方法，除了根據(jù)數(shù)學模型計算電動機轉(zhuǎn)速外，目前應用較多的有模型參考自適應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，一直受到學術界和產(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 1985 年 .德國的 M . Depenblock首次提出直接轉(zhuǎn)矩控制技術 (DTC)。 DTC 控制直接在定子坐標系下分析交流電動機的數(shù)學模型。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，從而獲得高效的控制性能。 直接轉(zhuǎn)矩控制技術是近 10 年繼矢量控 制技術之后發(fā)展起來的又一種新型的高 12 性能交流變頻調(diào)速技術，這種控制技術與矢量控制技術相比，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)展和應用前景。 （ 4） PWM 控制技術 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)展領域。 PWM 控制技術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技術簡化了逆變器的結構，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)響應性能。 PWM 技術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 技術己成為變頻器中應用最為廣泛的控制技術。交流電機調(diào)速性能的不斷提高在很大程度上是由于 PWM 技術的不斷進步。目前廣泛應用的是在規(guī)則采樣 PWM 的基礎上發(fā)展起來的準優(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 控制技術 的數(shù)字化是靜止變頻裝置的核心技術，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，目前電流響應為 ~，速度響應為 2~4 ms,足以滿足傳動領域的控制要求。同時由于應用微電子技術和 ASIC 技術，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 自整定技術在變頻調(diào)速系統(tǒng)中的應用日益廣泛，它可以根據(jù)速度和負載的變化自動調(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。自整定技術分為離線式和在線式兩種。離線式的研究成果己經(jīng)在相當多的產(chǎn)品中應用，它是在運行系統(tǒng)程序之前通過運行一段自整定程序，辨識相關數(shù)據(jù)，并修改系統(tǒng)程序的相關參數(shù)，以 13 期獲得良好的系統(tǒng)控制性能。另外，改進控制技術， 提高系統(tǒng)魯棒性也和自整定技術緊密相聯(lián)系。