變頻調(diào)速系統(tǒng)的分析與研究

劉 歡，楊 揚，李昌平

（中國地質(zhì)大學（武漢）機電學院，湖北 武漢 430074）

交流調(diào)速的代表就是變頻調(diào)速。文章將從交流傳動系統(tǒng)的分類，變頻調(diào)速系統(tǒng)的適用場合，變頻調(diào)速系統(tǒng)的可靠性，變頻調(diào)速系統(tǒng)的主流產(chǎn)品，變頻調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展趨勢以及研究方向等三個方面闡述交流變頻調(diào)速系統(tǒng)。

1 交流傳動系統(tǒng)中主要的變頻調(diào)速系統(tǒng)有哪些

變頻調(diào)速具有高效率、寬范圍和高精度等特點，是目前運用最廣泛且最有發(fā)展前途的調(diào)速方式。交流電動機變頻調(diào)速系統(tǒng)的種類很多，從早期提出的電壓源型變頻器開始，相繼發(fā)展了電流源型，脈寬調(diào)制等各種變頻器。目前變頻調(diào)速的主要方案有：交-交變頻調(diào)速、交-直-交變頻調(diào)速、同步電動機自控式變頻調(diào)速、正弦波脈寬調(diào)制（SPWM）變頻調(diào)速、矢量控制變頻調(diào)速等。這些變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展很大程度上依賴于大功率半導體器件的制造水平。

按轉(zhuǎn)差率出路方式的不同可以把現(xiàn)代異步電動機的調(diào)速系統(tǒng)分為3類：①轉(zhuǎn)差功率消耗型調(diào)速系統(tǒng)；②轉(zhuǎn)差功率回饋型調(diào)速系統(tǒng)；③轉(zhuǎn)差功率不變型調(diào)速系統(tǒng)。

具體來說，交流傳動系統(tǒng)中主要的變頻調(diào)速系統(tǒng)有：鼠籠式異步電動機變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)、矢量變換控制交流變頻調(diào)速系統(tǒng)、無刷直流電動機調(diào)速系統(tǒng)、由交-交變頻器供電的同步電動機調(diào)速系統(tǒng)等組成。

2 變頻調(diào)速系統(tǒng)的適用場合

交流變頻調(diào)速器經(jīng)歷近20年的發(fā)展及應(yīng)用已逐步被人們接受并成為當代電機調(diào)速的主流。交流變頻調(diào)速系統(tǒng)具有變頻器體積小、重量輕、精度高、工藝先進、功能豐富、保護齊全、可靠性高、操作簡便、通用性強、易形成閉環(huán)控制等優(yōu)點，因而深受鋼鐵、有色石油石化、化工化纖紡織、機械、電力、建材、煤炭、醫(yī)藥、造紙、卷煙、城市供水及污水處理等行業(yè)的歡迎。

變頻調(diào)速系統(tǒng)主要應(yīng)用在以下場合：①空調(diào)類負載；②破碎機類負載；③軋機類負載；④卷揚機類負載；⑤轉(zhuǎn)爐類負載；⑥泵類負載；⑦吊車翻斗車類負載；⑧運送車類負載；⑨電梯高架游覽車類負載；⑩給料機類負載；輥輯訛堆取料機類負載；輥輰訛風 機 類 負 載 ；輥輱訛 攪拌機類載 ；輥輲訛紡絲機類負載 ；輥輳訛造紙機類負載 ；輥輴訛音樂噴泉類負載；輥輵訛?zāi)ゴ驳葯C械類負載 ；輥輶訛卷煙機類負載；輥輷訛印染機類負載；輦輮訛注塑機類負載 ； 輦輯訛污水處理等環(huán)保類負載；輦輰訛海上采油平臺類負載等。

3 變頻調(diào)速系統(tǒng)的可靠性

一般可從以下方面提高變頻調(diào)速系統(tǒng)的可靠性：①提高變頻器本身質(zhì)量和可靠性；②根據(jù)生產(chǎn)機器負荷要求和電動機規(guī)格參數(shù)，正確選擇變頻器形式及容量匹配；③變頻器應(yīng)有良好的運行環(huán)境和維護保養(yǎng)。因此，提高變頻調(diào)速系統(tǒng)的可靠性非常重要，一方面從提高變頻器本身的產(chǎn)品質(zhì)量，把好設(shè)計、選元器件，制作、安裝，試驗等環(huán)節(jié)的質(zhì)量關(guān)；另一方面匹配變頻器匹配以及做好日常維護保養(yǎng)工作。鑒于以上分析，可靠的變頻調(diào)速系統(tǒng)有：鼠籠式異步電動機變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)、矢量變換控制交流變頻調(diào)速系統(tǒng)、無刷直流電動機調(diào)速系統(tǒng)、由交-交變頻器供電的同步電動機調(diào)速系統(tǒng)等。

4 交流變頻調(diào)速系統(tǒng)的主流產(chǎn)品

目前國內(nèi)外生產(chǎn)變頻調(diào)速系統(tǒng)的廠家較多，使用比較廣泛的產(chǎn)品主要有：國外產(chǎn)品：三菱變頻器、富士變頻器、安川變頻器、西門子、ABB等機型用在起重提升比較好；國內(nèi)產(chǎn)品：正弦、普傳、安邦信、英威騰、海利普、匯川、上海日搏。

目前世界上最先進的變頻調(diào)速系統(tǒng)主要是：在大功率交-交變頻（循環(huán)變流器）調(diào)速技術(shù)方面，法國阿爾斯通已能提供單機容量達3萬kW的電氣傳動設(shè)備用于船舶推進系統(tǒng)；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)備用于抽水蓄能電站；在中功率變頻調(diào)速技術(shù)方面，德國西門子公司Simovert A電流型晶閘管變頻調(diào)速設(shè)備單機容量為10～2，600kVA和Simovert P GTO PWM變頻調(diào)速設(shè)備單機容量為100～900 kVA，其控制系統(tǒng)已實現(xiàn)全數(shù)字化，用于電力機車、風機、水泵傳動；在小功率交流變頻調(diào)速技術(shù)方面，日本富士BJT變頻器最大單機容量可達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。

5 變頻調(diào)速系統(tǒng)的研究動向

交流傳動與控制技術(shù)是目前發(fā)展最為迅速的技術(shù)之一，這是和電力電子器件制造技術(shù)、變流技術(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)展密切相關(guān)。交流電動機特別是異步電動機由于結(jié)構(gòu)簡單、價格便宜、維修方便等優(yōu)點被廣泛使用，但其調(diào)速技術(shù)一直是世界各國研究的課題。

目前在調(diào)速傳動領(lǐng)域交流電動機已有取代直流電動機的趨勢，通用變頻器的發(fā)展是世界高速經(jīng)濟發(fā)展的產(chǎn)物，其發(fā)展的趨勢大致為：

（1）主控一體化。

（2）小型化。用日本富士（FUJI）電機的三添勝先生的話說，變頻器的小型化就是向發(fā)熱挑戰(zhàn)，也就是說變頻器的小型化除了出自支撐部件的實裝技術(shù)和系統(tǒng)設(shè)計的大規(guī)模集成化，功率器件發(fā)熱的改善和冷卻技術(shù)的發(fā)展已成為小型化的重要原因。

（3）低電磁噪音化。今后的變頻器都要求在抗干擾和抑制高次諧波方面符合EMC國際標準，主要做法足在變頻器輸入側(cè)加交流電抗器或有源功率因數(shù)校正（Active Power Factor Correction.APFC）電路，改善輸入電流波形降低電網(wǎng)諧波以及逆變橋采取電流過零的開關(guān)技術(shù)。而控制電源用的開關(guān)電源將推崇半諧振方式，這種開關(guān)控制方式在30～50MHz時的噪聲可降低15～20dB；

（4）專用化。通用變頻器中出現(xiàn)專用型家族是近年來的事。目的是更好發(fā)揮變頻器的獨特功能并盡可能地方便用戶。

（5）系統(tǒng)化。通用變頻器從模擬式、數(shù)字式、智能化、多功能向集中型發(fā)展。

6 變頻調(diào)速研究的技術(shù)領(lǐng)域

6.1 SPWM控制技術(shù)

正弦波脈寬調(diào)制（SPWM）技術(shù)在變頻器中得到廣泛的應(yīng)用。SPWM變頻器調(diào)壓調(diào)頻一次完成，整流器無需控制，簡化了電路結(jié)構(gòu)，而且由于以全波整流代替了相控整流，因而提高了輸入端的功率因數(shù)，減小了高次諧波對電網(wǎng)的影響。此外，由于輸出波形由方波改進為PWM波，減少了低次諧波，從而解決了電動機在低頻區(qū)的轉(zhuǎn)矩脈動問題，也降低了電動機的諧波損耗和噪聲。PWM技術(shù)的應(yīng)用是變頻器的發(fā)展主流。SPWM的調(diào)制原理是使變頻器的輸出脈沖電壓的面積與所希望輸出的正弦波在相應(yīng)區(qū)間內(nèi)面積相等，改變調(diào)制波的頻率和幅值即可調(diào)節(jié)逆變器輸出電壓的頻率和幅值。SPWM變頻器的輸出電壓雖然接近于正弦波，但感應(yīng)電動機本身因為氣隙磁通、轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)子電流是強耦合的，所以調(diào)速性能不如直流電動機，采用矢量控制技術(shù)可提高其調(diào)速性能。矢量控制的原理是采用坐標變換的方法，以產(chǎn)生相同的旋轉(zhuǎn)磁勢和變換后功率不變?yōu)闇蕜t，建立三相交流繞組，兩相交流繞組和直流繞組三者之間的等效關(guān)系，從而求出與交流電機等效的直流電機模型，即實現(xiàn)交流電動機的解耦，以便按照對直流電動機的控制方法對交流電動機進行控制，矢量控制要求由磁通觀測器測出實際轉(zhuǎn)子磁鏈幅值及相位，因此如何利用先進理論和技術(shù)實現(xiàn)轉(zhuǎn)子磁鏈位置的精確觀測是矢量控制技術(shù)的重要課題。

6.2 PWM技術(shù)的新發(fā)展

變頻調(diào)速系統(tǒng)是由主電路和控制電路兩部分組成，近年來變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展重點在于控制電路部分，即PWM技術(shù)的產(chǎn)生和實現(xiàn)方法。

6.3 電流控制PWM技術(shù)

電流控制PWM技術(shù)是一種新穎的控制技術(shù)，近年來得到了相當大的發(fā)展及較廣泛的應(yīng)用。電流控制PWM技術(shù)有不同的線路方案來實現(xiàn)，其共同特點是：通過監(jiān)測電感電流直接反饋去控制功率開關(guān)的占空比，使功率開關(guān)的峰值電流直接跟隨電壓反饋回路中誤差放大器輸出的信號變化而變化。電流控制PWM技術(shù)常用的控制方法有3種。

（1）線性電流控制。線性電流控制也叫正弦-三角形電流調(diào)節(jié)器或斜坡比較電流調(diào)節(jié)器，它適用于大量應(yīng)用場合，尤其適用于中、低性能的傳動，具有控制簡單、對負載參數(shù)不敏感及具有較強魯棒性的特點，而且它的性能隨著現(xiàn)代功率器件開關(guān)頻率的增加而得到改善。

（2）滯環(huán)電流控制。滯環(huán)電流控制是一種瞬態(tài)反饋系統(tǒng)，逆變器輸出電流跟隨給定電流。因為給定電流為正弦波，所以實際輸出電流被限制在正弦波形的給定電流周圍脈動，基本上是正弦波。該方法的優(yōu)點是快速的瞬態(tài)響應(yīng)，高度的準確性及較強的魯棒性。然而，滯環(huán)電流控制與當今的全數(shù)字化趨勢不相適應(yīng)，因為它的瞬態(tài)響應(yīng)性會被ADC及微機中斷延時所降低。

（3）預測電流控制.預測電流控制是在每個調(diào)節(jié)周期開始時，根據(jù)實際電流誤差，負載參數(shù)及其它負載變量，來預測電流誤差矢量趨勢，因此下一個調(diào)節(jié)周期PWM產(chǎn)生的電流矢量必將減小所預測的誤差。該方法的優(yōu)點是，若給調(diào)節(jié)器除誤差外更多的信息，則可獲得比較快速，準確的響應(yīng)。目前這類調(diào)節(jié)器的局限性是響應(yīng)速度及過程模型系數(shù)參數(shù)的準確性。綜上所述，電流控制PWM技術(shù)還存在一些局限性，而應(yīng)用現(xiàn)代控制理論可以克服這些缺點，所以應(yīng)用現(xiàn)代控制論是它的必然發(fā)展趨勢。

[1]鄧星鐘.機電傳動控制[M].武漢：華中科技大學出版社，2001.

[2]張承慧.交流電機變頻調(diào)速及其應(yīng)用[M].北京：機械工業(yè)出版社，2007.

[3]俞大光.電工基礎(chǔ)（修訂本）上冊[M].北京：高等教育出版社，1964.