【正文】 、 MCT(MOS 控 制 晶 閘 管 )、 IGBT(絕 緣 柵雙 極 型 晶 體 管 )、 HVIGBT(耐 高 壓 絕 緣 柵 雙 極 型 晶 閘 管 )的 發(fā) 展 過 程 ， 器 件 的 更新 促 進(jìn) 了 電 力 電 子 變 換 技 術(shù) 的 不 斷 發(fā) 展 。 20 世 紀(jì) 70 年 代 開 始 ， 脈 寬 調(diào) 制 變 壓變 頻 (PWM－ VVVF)調(diào) 速 研 究 引 起 了 人 們 的 高 度 重 視 。 20 世 紀(jì) 80 年 代 ， 作 為 變頻 技 術(shù) 核 心 的 PWM 模 式 優(yōu) 化 問 題 吸 引 著 人 們 的 濃 厚 興 趣 ， 并 得 出 諸 多 優(yōu) 化 模 式 ，其 中 以 鞍 形 波 PWM 模 式 效 果 最 佳 。 20 世 紀(jì) 80 年 代 后 半 期 開 始 ， 美 、 日 、 德 、英 等 發(fā) 達(dá) 國 家 的 VVVF 變 頻 器 已 投 入 市 場 并 獲 得 了 廣 泛 應(yīng) 用 。 變頻器的構(gòu)成異步電動機(jī)用變頻器調(diào)速運(yùn)轉(zhuǎn)時的結(jié)構(gòu)圖如圖 41 所示。通常由變頻器主電路（IGBT、BJT、或 GTO 做逆變元件）給異步電動機(jī)提供調(diào)壓調(diào)頻電源。此電源輸出的電壓或電源及頻率，由控制回路指令進(jìn)行控制。而控制指令則根據(jù)外部的運(yùn)轉(zhuǎn)指令進(jìn)行運(yùn)算獲得。對于需要精密速度或快速響應(yīng)的場合，運(yùn)算還應(yīng)包含由變頻器主電路和傳動系統(tǒng)檢測出來的信號和保護(hù)電路信號，即防止因變頻器主電路的過電壓，過電流引起的損壞外就，還應(yīng)保護(hù)異步電動機(jī)及傳動系統(tǒng)等。圖 41 變頻器的構(gòu)成 圖 42 典型的電壓型逆變器一例主電路給異步電動機(jī)提供調(diào)速調(diào)壓調(diào)頻電源的電力變換部分，稱為主電路。圖 42示出了典型的電壓逆變器的例子，其住電路由三部分構(gòu)成，將工頻電源變換為直流功率的“整流器” ，吸收在整流和逆變時產(chǎn)生的電壓脈動的“平波回路” ，以及將直流功率變換為交流功率的“逆變器” 。另外，異步電動機(jī)需要制動時，有時需附加“制動回路” 。 1 整流器 最近大量使用的是二極管的變流器，如圖 42 所示，它把工頻電源變換為直流電源。也可用兩組晶體管變流器構(gòu)成可逆變器，由于其功率方向可逆，可以進(jìn)行再生運(yùn)轉(zhuǎn)。2 平波回路在整流器整流后的直流電壓中，含有電源 6 倍頻率的脈動電壓，此外逆變器產(chǎn)生的脈動電流也使直流電壓變動。為了抑制波動，采用電感和電容吸收脈動電壓（電流） 。裝置容量小時，如果電源和主電路的構(gòu)成器件有余量，可以省去電感采用簡單的平波電路。3 逆變器同整流器相反，逆變器的作用是將直流功率變換為所要求頻率的交流功率，根據(jù) PWM 控制信號使 6 個開關(guān)器件導(dǎo)通、關(guān)斷，就可以得到三相頻率相同的交流輸出。4 制動電路異步電動機(jī)在再生制動區(qū)域使用時（轉(zhuǎn)差率為負(fù)） ，再生能量儲存于平波回路電容器中，使直流電壓升高。一般說來，由機(jī)械系統(tǒng)（含電動機(jī)）慣量積蓄的能量比電容能儲存的能量大，需要快速制動時，可用逆變器向電源反饋或設(shè)置制動回路（開關(guān)和電阻）把再生功率消耗掉，以免直流電路電壓升高。控制電路給異步電動機(jī)供電（電壓、頻率可調(diào)）的主電路提供控制信號的回路，稱為控制電路。如圖 41 所示，控制電路由以下電路組成，頻率、電壓的“運(yùn)算電路” ，主電路的“電壓/電流檢測電路” ，電動機(jī)的“速度檢測電路” ，將運(yùn)算電路的控制回路信號進(jìn)行放大的“驅(qū)動電路” ，以及逆變器和電動機(jī)的“保護(hù)電路”。在圖 41 點(diǎn)劃線內(nèi)，僅以控制 A 部分構(gòu)成控制電路時，無速度檢測電路，為開環(huán)控制。在控制電路 B 部分增加了速度檢測電路，即增加了速度指令，可以對異步電動機(jī)的速度進(jìn)行控制更精確的閉環(huán)控制?？刂齐娐分饕ǎ? 運(yùn)算電路將外部的速度、轉(zhuǎn)矩等指令同檢測電路的電流、電壓信號進(jìn)行比較運(yùn)算，決定逆變器的輸出電壓、頻率。2 電壓/電流檢測電路與主回路電位隔離，檢測電壓、電流等。3 驅(qū)動電路為驅(qū)動主電路器件的電路。它使主電路器件導(dǎo)通、關(guān)斷。4 速度檢測電路以裝在異步電動機(jī)軸上的速度檢測器（TG、PLG 等）的信號為速度信號，送入運(yùn)算回路，根據(jù)指令和運(yùn)算可使電動機(jī)按指令速度運(yùn)轉(zhuǎn)。5 保護(hù)電路檢測主電路的電壓、電流等，當(dāng)發(fā)生過載或過電壓等異常時，為了防止逆變器和異步電動機(jī)損壞，使逆變器停止工作或抑制電壓、電流值。保護(hù)回路主要包括：（1） 逆變器保護(hù)1）瞬時過電流保護(hù)。由于逆變器負(fù)載側(cè)短路等，流過逆變器器件的電流達(dá)到異常值（超過容許值）時，瞬時停止逆變器運(yùn)轉(zhuǎn)，切斷電流。變流器的輸出電流達(dá)到異常值，也同樣停止逆變器運(yùn)轉(zhuǎn)。2）過載保護(hù)。逆變器輸出電流超過額定值，且持續(xù)通達(dá)規(guī)定的時間以上，為了防止逆變器期間、線路等損壞要停止運(yùn)轉(zhuǎn)。恰當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)需要反時限特性，采用熱繼電器或者電子熱保護(hù)（使用電子電路） 。過負(fù)載是由于負(fù)載的GD（慣性）過大或因負(fù)載過大使電機(jī)堵轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的。3）再生過電壓保護(hù)。采用逆變器使電動機(jī)快速時，由于再生功率直流電路電壓將升高，有時超過容許值。可以采取停止逆變器運(yùn)轉(zhuǎn)或快速減速的辦法，防止過電壓。4）瞬時停電保護(hù)。對于數(shù)毫秒以內(nèi)的瞬時停電，控制電路工作正常。但瞬時停電時間在 10s 以上時，通常會使控制電路誤動作，主電路也不能供電，所以檢出后使逆變器停止工作。5）接地過電流保護(hù)。逆變器負(fù)載側(cè)接地設(shè)計(jì)，為了保護(hù)逆變器，有時要有接地過電流保護(hù)功能。但為了確保人身安全，需要裝設(shè)漏電斷路器。6）冷卻風(fēng)機(jī)異常。有冷卻風(fēng)機(jī)的裝置，當(dāng)風(fēng)機(jī)異常時裝置內(nèi)的溫度將上升。因此采用風(fēng)機(jī)熱繼電器或器件散熱片傳感器，檢出異常后停止逆變器。（2）異步電動機(jī)的保護(hù)1）過載保護(hù)。過載檢出裝置與逆變器保護(hù)共用，但考慮低速運(yùn)轉(zhuǎn)的過熱時，在異步電動機(jī)內(nèi)埋入溫度檢出器，或者利用裝在逆變器內(nèi)的電子熱保護(hù)來檢出過熱。動作頻繁時，可以考慮減輕電動機(jī)負(fù)載、增加電動機(jī)及逆變器容量等。2）超頻（超速）保護(hù)。逆變器的輸出頻率或者異步電動機(jī)的速度超過規(guī)定值時，逆變器停止運(yùn)轉(zhuǎn)。（3）其他保護(hù) 1）防止失速過電流。急加速時，如果異步電動機(jī)跟蹤遲緩，則過電流保護(hù)電路動作，運(yùn)轉(zhuǎn)就不能繼續(xù)進(jìn)行（失速） ，所以，在負(fù)載電流 減小之前要進(jìn)行控制，抑制頻率上升或使頻率下降。對于 恒速運(yùn)轉(zhuǎn)中的過電流，也進(jìn)行同樣的控制。2）防止失速再生電壓。減速時產(chǎn)生的再生能量使主電路直流電壓上升，為了防止再生過電壓保護(hù)電路動作，在直流電壓下降之前要進(jìn)行控制，抑制頻率下降，防止失速再生過壓。 變頻器的分類和控制方式變頻器的分類方法有多種，按照主電路工作方式分類，可以分為電壓型變頻器和電流型變頻器；按照開關(guān)方式分類，可以分為 PAM 控制變頻器、PWM 控制變頻器和高載頻 PWM 控制變頻器；按照工作原理分類，可以分為 V/f 控制變頻器、轉(zhuǎn)差頻率控制變頻器和矢量控制變頻器等；按照用途分類，可以分為通用變頻器、高性能專用變頻器、高頻變頻器、單相變頻器和三相變頻器等。變頻器中常用的控制方式　1 非智能控制方式　　在交流變頻器中使用的非智能控制方式有 V/f 協(xié)調(diào)控制、轉(zhuǎn)差頻率控制、矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制等。　　(1) V/f 控制　　 V/f 控制是為了得到理想的轉(zhuǎn)矩速度特性，基于在改變電源頻率進(jìn)行調(diào)速的同時，又要保證電動機(jī)的磁通不變的思想而提出的，通用型變頻器基本上都采用這種控制方式。V/f 控制變頻器結(jié)構(gòu)非常簡單，但是這種變頻器采用開環(huán)控制方式，不能達(dá)到較高的控制性能，而且，在低頻時，必須進(jìn)行轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償，以改變低頻轉(zhuǎn)矩特性?！　?2) 轉(zhuǎn)差頻率控制　　轉(zhuǎn)差頻率控制是一種直接控制轉(zhuǎn)矩的控制方式，它是在 V/f 控制的基礎(chǔ)上，按照知道異步電動機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速對應(yīng)的電源頻率，并根據(jù)希望得到的轉(zhuǎn)矩來調(diào)節(jié)變頻器的輸出頻率，就可以使電動機(jī)具有對應(yīng)的輸出轉(zhuǎn)矩。這種控制方式，在控制系統(tǒng)中需要安裝速度傳感器，有時還加有電流反饋，對頻率和電流進(jìn)行控制，因此，這是一種閉環(huán)控制方式，可以使變頻器具有良好的穩(wěn)定性，并對急速的加減速和負(fù)載變動有良好的響應(yīng)特性。(3) 矢量控制　　矢量控制是通過矢量坐標(biāo)電路控制電動機(jī)定子電流的大小和相位，以達(dá)到對電動機(jī)在 d、q、0 坐標(biāo)軸系中的勵磁電流和轉(zhuǎn)矩電流分別進(jìn)行控制，進(jìn)而達(dá)到控制電動機(jī)轉(zhuǎn)矩的目的。通過控制各矢量的作用順序和時間以及零矢量的作用時間，又可以形成各種 PWM 波，達(dá)到各種不同的控制目的。例如形成開關(guān)次數(shù)最少的 PWM 波以減少開關(guān)損耗。目前在變頻器中實(shí)際應(yīng)用的矢量控制方式主要有基于轉(zhuǎn)差頻率控制的矢量控制方式和無速度傳感器的矢量控制方式兩種?！　』谵D(zhuǎn)差頻率的矢量控制方式與轉(zhuǎn)差頻率控制方式兩者的定常特性一致，但是基于轉(zhuǎn)差頻率的矢量控制還要經(jīng)過坐標(biāo)變換對電動機(jī)定子電流的相位進(jìn)行控制，使之滿足一定的條件，以消除轉(zhuǎn)矩電流過渡過程中的波動。因此，基于轉(zhuǎn)差頻率的矢量控制方式比轉(zhuǎn)差頻率控制方式在輸出特性方面能得到很大的改善。但是，這種控制方式屬于閉環(huán)控制方式，需要在電動機(jī)上安裝速度傳感器，因此，應(yīng)用范圍受到限制?！　o速度傳感器矢量控制是通過坐標(biāo)變換處理分別對勵磁電流和轉(zhuǎn)矩電流進(jìn)行控制，然后通過控制電動機(jī)定子繞組上的電壓、電流辨識轉(zhuǎn)速以達(dá)到控制勵磁電流和轉(zhuǎn)矩電流的目的。這種控制方式調(diào)速范圍寬，啟動轉(zhuǎn)矩大，工作可靠，操作方便，但計(jì)算比較復(fù)雜，一般需要專門的處理器來進(jìn)行計(jì)算，因此，實(shí)時性不是太理想，控制精度受到計(jì)算精度的影響。(4) 直接轉(zhuǎn)矩控制　 直接轉(zhuǎn)矩控制是利用空間矢量坐標(biāo)的概念，在定子坐標(biāo)系下分析交流電動機(jī)的數(shù)學(xué)模型，控制電動機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩，通過檢測定子電阻來達(dá)到觀測定子磁鏈的目的，因此省去了矢量控制等復(fù)雜的變換計(jì)算，系統(tǒng)直觀、簡潔，計(jì)算速度和精度都比矢量控制方式有所提高。即使在開環(huán)的狀態(tài)下，也能輸出 100%的額定轉(zhuǎn)矩，對于多拖動具有負(fù)荷平衡功能。(5) 最優(yōu)控制　　最優(yōu)控制在實(shí)際中的應(yīng)用根據(jù)要求的不同而有所不同，可以根據(jù)最優(yōu)控制的理論對某一個控制要求進(jìn)行個別參數(shù)的最優(yōu)化。例如在高壓變頻器的控制應(yīng)用中，就成功的采用了時間分段控制和相位平移控制兩種策略，以實(shí)現(xiàn)一定條件下的電壓最優(yōu)波形。(6)其他非智能控制方式　　在實(shí)際應(yīng)用中，還有一些非智能控制方式在變頻器的控制中得以實(shí)現(xiàn)，例如自適應(yīng)控制、滑模變結(jié)構(gòu)控制、差頻控制、環(huán)流控制、頻率控制等。2 智能控制方式　　智能控制方式主要有神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、模糊控制、專家系統(tǒng)、學(xué)習(xí)控制等。在變頻器的控制中采用智能控制方式在具體應(yīng)用中有一些成功的范例。(1) 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制　　神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制方式應(yīng)用在變頻器的控制中，一般是進(jìn)行比較復(fù)雜的系統(tǒng)控制，這時對于系統(tǒng)的模型了解甚少，因此神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)既要完成系統(tǒng)辨識的功能，又要進(jìn)行控制。而且神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制方式可以同時控制多個變頻器，因此在多個變頻器級聯(lián)時進(jìn)行控制比較適合。但是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的層數(shù)太多或者算法過于復(fù)雜都會在具體應(yīng)用中帶來不少實(shí)際困難。(2) 模糊控制　　模糊控制算法用于控制變頻器的電壓和頻率，使電動機(jī)的升速時間得到控制，以避免升速過快對電機(jī)使用壽命的影響以及升速過慢影響工作效率。模糊控制的關(guān)鍵在于論域、隸屬度以及模糊級別的劃分，這種控制方式尤其適用于多輸入單輸出的控制系統(tǒng)。(3) 專家系統(tǒng)　 專家系統(tǒng)是利用所謂“專家”的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行控制的一種控制方式，因此，專家系統(tǒng)中一般要建立一個專家?guī)欤娣乓欢ǖ膶＜倚畔?，另外還要有推理機(jī)制，以便于根據(jù)已知信息尋求理想的控制結(jié)果。專家?guī)炫c推理機(jī)制的設(shè)計(jì)是尤為重要的，關(guān)系著專家系統(tǒng)控制的優(yōu)劣。應(yīng)用專家系統(tǒng)既可以控制變頻器的電壓，又可以控制其電流。(4) 學(xué)習(xí)控制　　學(xué)習(xí)控制主要是用于重復(fù)性的輸入，而規(guī)則的 PWM 信號(例如中心調(diào)制 PWM)恰好滿足這個條件，因此學(xué)習(xí)控制也可用于變頻器的控制中。學(xué)習(xí)控制不需要了解太多的系統(tǒng)信息，但是需要 1~2 個學(xué)習(xí)周期，因此快速性相對較差，而且，學(xué)習(xí)控制的算法中有時需要實(shí)現(xiàn)超前環(huán)節(jié)，這用模擬器件是無法實(shí)現(xiàn)的，同時，學(xué)習(xí)控制還涉及到一個穩(wěn)定性的問題，在應(yīng)用時要特別注意。3 變頻器控制的展望　　隨著電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)等高新技術(shù)的發(fā)展，變頻器的控制方式今后將向以下幾個方面發(fā)展。(1) 數(shù)字控制變頻器的實(shí)現(xiàn)　　現(xiàn)在，變頻器的控制方式用數(shù)字處理器可以實(shí)現(xiàn)比較復(fù)雜的運(yùn)算，變頻器數(shù)字化將是一個重要的發(fā)展方向，目前進(jìn)行變頻器數(shù)字化主要采用單片機(jī)MCS51 或 80C196MC 等，輔助以 SLE4520 或 EPLD 液晶顯示器等來實(shí)現(xiàn)更加完善的控制性能。(2) 多種控制方式的結(jié)合　　單一的控制方式有著各自的優(yōu)缺點(diǎn)，并沒有“萬能”的控制方式，在有些控制場合，需要將一些控制方式結(jié)合起來，例如將學(xué)習(xí)控制與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制相結(jié)合，自適應(yīng)控制與模糊控制相結(jié)合，直接轉(zhuǎn)矩控制與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制相結(jié)合，或者稱之為“混合控制” ，這樣取長補(bǔ)短，控制效果將會更好。(3) 遠(yuǎn)程控制的實(shí)現(xiàn)　　計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，使“天涯若咫尺” ，依靠計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)對變頻器進(jìn)行遠(yuǎn)程控制也是一個發(fā)展方向。通過 RS485 接口及一些網(wǎng)絡(luò)協(xié)議對變頻器進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，這樣在有些不適合于人類進(jìn)行現(xiàn)場操作的場合，也可以很容易的實(shí)現(xiàn)控制目標(biāo)。(4) 綠色變頻器　　隨著可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的提出，對于環(huán)境的保護(hù)越來越受到人們的重視。變頻器產(chǎn)生的高次諧波對電網(wǎng)會帶來污染，降低變頻器工作時的噪聲以及增強(qiáng)其工作的可靠性、安全性等等這些問題，都試圖通過采取合適的控制方式來解決，設(shè)計(jì)出綠色變頻器。 FRA540 變頻器變頻器的接線