通用變頻器的應(yīng)用技術(shù)簡述

李強(qiáng)

摘要： 本文介紹了通用變頻器的發(fā)展歷程、技術(shù)特點(diǎn)與發(fā)展方向，并對當(dāng)代變頻器高性能化、環(huán)?；婕暗母鞣N最新技術(shù)進(jìn)行了綜合分析與闡述。

關(guān)鍵詞： 通用變頻器技術(shù)特點(diǎn)發(fā)展方向

變頻器是從上世紀(jì)六七十年代隨著電力電子器件PWM（脈沖寬度調(diào)制）控制技術(shù)的發(fā)展出現(xiàn)的一種感應(yīng)電動機(jī)調(diào)速裝置。變頻器是應(yīng)用變頻技術(shù)與微電子技術(shù)，通過改變電機(jī)工作電源頻率方式來控制交流電動機(jī)的電力控制設(shè)備。變頻器主要由整流（交流變直流）、濾波、再次整流（直流變交流）、制動單元、驅(qū)動單元、檢測單元微處理單元等組成。通過改變電源的頻率達(dá)到改變電源電壓的目的，根據(jù)電機(jī)的實(shí)際需要提供其所需要的電源電壓，進(jìn)而達(dá)到節(jié)能、調(diào)速的目的。另外，變頻器還有很多保護(hù)功能，如過流、過壓、過載保護(hù)等。

本文介紹了當(dāng)今變頻器控制技術(shù)在社會工業(yè)各個環(huán)節(jié)的應(yīng)用和發(fā)展情況，全面分析了目前變頻器的技術(shù)發(fā)展方向，并且從變頻器的高性能化、環(huán)?；?、網(wǎng)絡(luò)化等方面進(jìn)行了詳細(xì)的分析。

一、發(fā)展過程

變頻器是利用電力半導(dǎo)體器件的通斷作用將工頻電源變換為另一頻率的電能控制裝置，實(shí)現(xiàn)對交流異步電機(jī)的軟起動、變頻調(diào)速、提高運(yùn)轉(zhuǎn)精度、改變功率因數(shù)、過流、過壓、過載保護(hù)等功能。變頻器是一種強(qiáng)電和弱電綜合的控制裝置，其共性的關(guān)鍵技術(shù)包括、變流技術(shù)與控制技術(shù)兩方面。前者主要涉及電力電子器件的應(yīng)用、電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與PWM控制等問題；后者研究電動機(jī)控制理論與控制技術(shù)實(shí)用化等問題。

變頻器的控制方式主要有：正弦脈寬調(diào)制(SPWM)控制方式、電壓空間矢量(SVPWM)控制方式、 矢量控制(VC)方式、直接轉(zhuǎn)矩控制(DTC)方式、矩陣式交-交控制方式。今天變頻器的控制方式主要有矢量控制與直接轉(zhuǎn)矩控制，而控制技術(shù)上則從模擬量控制發(fā)展到了全數(shù)字控制與網(wǎng)絡(luò)控制，變頻器的速度控制性能大幅度提高，轉(zhuǎn)矩控制與位置控制功能正逐步完善。

二、技術(shù)特點(diǎn)

變頻器作為一種面向交流感應(yīng)電動機(jī)的通用控制裝置，與其他控制裝置比較，具有以下明顯的技術(shù)特點(diǎn)：（1）多種控制方式兼容。矢量控制、v/f控制與直接轉(zhuǎn)矩控制各有各的特點(diǎn)與適用范圍，目前還沒有適應(yīng)所有控制方式的共同優(yōu)點(diǎn)的技術(shù)。因此，現(xiàn)代變頻器一般可兼容多種控制方式，使用時可通過參數(shù)的設(shè)定選擇所需要的控制方式。（2）開環(huán)/閉環(huán)通用。所謂閉環(huán)控制技術(shù)就是通過反饋回路消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高精度，但同時帶來了系統(tǒng)穩(wěn)定性問題。為適應(yīng)不同的控制要求，現(xiàn)代變頻器一般采用開環(huán)/閉環(huán)通用的結(jié)構(gòu)形式，開環(huán)變頻器只要簡單地增加閉環(huán)接口便可實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。

三、發(fā)展方向

以前變頻器的研究主要集中于電力電子器件的應(yīng)用、電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及控制理論與方法上，并使動態(tài)性能與控制精度得到了大幅度提高。隨著新型電力電子器件和高性能微處理器的應(yīng)用及控制技術(shù)的發(fā)展，變頻器的性能價(jià)格比越來越高，體積越來越小，高性能化、環(huán)?；?、網(wǎng)絡(luò)化已成為現(xiàn)代變頻器發(fā)展的必然趨勢。

（一）高性能化

變頻器的控制方式正由標(biāo)量控制(Ulf控制和轉(zhuǎn)差頻率控制)向高動態(tài)性能的矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制發(fā)展。微處理器技術(shù)的進(jìn)步使數(shù)字控制成為現(xiàn)代控制器的發(fā)展方向。變頻控制理論與技術(shù)發(fā)展經(jīng)歷了v/f 控制、矢量控制與直接轉(zhuǎn)矩控制三個階段。

V/f=C的正弦脈寬調(diào)制控制方式是一種經(jīng)典控制理論。其特點(diǎn)是控制電路簡單，成本較低，機(jī)械特性硬度較好，能夠滿足一般傳動的平滑調(diào)速要求，在產(chǎn)業(yè)的各個領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。但是，這種控制方式在低頻時由于輸出電壓過低，轉(zhuǎn)矩受定子電阻壓降的影響比較顯著，使輸出最大轉(zhuǎn)矩減少。

電壓空間矢量控制理論的基本出發(fā)點(diǎn)是將感應(yīng)電動機(jī)等效為直流電動機(jī)，該理論通過坐標(biāo)變換將定子電流分解為轉(zhuǎn)矩電流Iq′和勵磁電流Id（兩個獨(dú)立分量，實(shí)現(xiàn)了磁通與轉(zhuǎn)矩的解耦）。矢量控制需要進(jìn)行坐標(biāo)變換，解耦得到的勵磁電流Id對應(yīng)轉(zhuǎn)子磁鏈，故又稱“坐標(biāo)變換矢量控制”或“轉(zhuǎn)子磁場定向控制”。但是這種控制方式環(huán)節(jié)較多，且沒有引入轉(zhuǎn)矩的調(diào)節(jié)，所以系統(tǒng)性能沒有得到根本改變。

直接轉(zhuǎn)矩控制理論是基于定子電壓的轉(zhuǎn)矩控制方案。理論證明了在忽略定子電阻影響時，定子磁鏈?zhǔn)噶康倪\(yùn)動方向與定子電壓方向一致，且旋轉(zhuǎn)速度決定于定子電壓幅值，因此，可利用空間矢量分析法在定子坐標(biāo)系下計(jì)算出感應(yīng)電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩。目前該技術(shù)已經(jīng)成功應(yīng)用在電力機(jī)車牽引的大功率交流傳動上，它不需要將交流電動機(jī)等效為直流電動機(jī)，因而省去了矢量旋轉(zhuǎn)變換中的許多復(fù)雜計(jì)算，它不需要模仿直流電動機(jī)的控制，也不需要為解耦而簡化交流電動機(jī)的教學(xué)模型。

（二）通用變頻器的環(huán)?；?/p>

變頻器在運(yùn)行過程中，由于內(nèi)部采用相控整流和可控硅二極管整流，故使輸入電流波形發(fā)生嚴(yán)重畸變，不但大大降低了系統(tǒng)的功率因數(shù)，還會引起嚴(yán)重的高次諧波污染。另外，在使用過程中，由于電流和電壓的急劇變化，會給周圍的其他電子設(shè)備造成嚴(yán)重的電磁干擾。

變頻器的環(huán)?；饕p小電網(wǎng)網(wǎng)側(cè)各種諧波、提高功率因數(shù)、節(jié)能降噪、縮小體積等方面的內(nèi)容。以上問題主要與電路回路有關(guān)，需要通過應(yīng)用新型電力電子器件與電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)解決。

1.電力電子器件的應(yīng)用

電力電子器件是變流技術(shù)的基礎(chǔ)元件，變頻整流與逆變主回路都要采用電力電子器件。理想力電子器件應(yīng)具有載流密度大、 通壓降?。荒蛪嚎刂迫菀?；工作頻率高、開關(guān)速度快的特點(diǎn)。

隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展，使用SCR、GT0和IGBT等的靜止無功補(bǔ)償裝置得到了長足的發(fā)展。其中，以靜止無功發(fā)生器最為優(yōu)越。它具有調(diào)節(jié)速度快、運(yùn)行范圍寬的優(yōu)點(diǎn)，而且在采用多重化、多電平或PWM技術(shù)等措施后，可大大地減少補(bǔ)償電流中的諧波含量。更重要的是：靜止無功發(fā)生器使用的電抗器和電容元件小，大大縮小了裝置的體積和成本。它代表著動態(tài)無功補(bǔ)償裝置的發(fā)展方向。

2.拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的改進(jìn)

變頻器主電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為：變頻器的網(wǎng)側(cè)變流器對于低壓、小容量的常采用6脈沖變流器；對中壓、大容量的常采用多重化12脈沖以上的變流器；負(fù)載側(cè)變流器對低壓、小容量的常采用兩電平的橋式逆變器；對中壓、大容量的采用多電平逆變器。降低變頻器的噪聲是環(huán)保化的重要內(nèi)容之一。變頻器噪聲包括電磁干擾與音頻干擾（噪聲）兩大方面降低電磁干擾方法主要有：在進(jìn)線與電樞線上安裝電抗器、采用屏蔽電纜、安裝EMC濾波器、零相電抗器等；變頻器的音頻干擾通常需要調(diào)整PWM載波頻率實(shí)現(xiàn)?，F(xiàn)代變頻器采用了柔性PWM控制技術(shù)（Soft-PWM），通過PWM載波頻率的自動調(diào)整來回避敏感區(qū)。柔性PWM控制技術(shù)不僅可以降低噪聲、限制射頻干擾，而且具有減小開關(guān)損耗、保護(hù)功率器件的作用。當(dāng)變頻器在低頻滿負(fù)載工作時，過高的PWM頻率將導(dǎo)致逆變功率器件的損耗大幅度增加，而采用柔性PWM控制技術(shù)的變頻器可在重載（大于85%Me）與低頻（小于6Hz）時，自動降低PWM載波頻率以保護(hù)器件。

（三）通用變頻器的網(wǎng)絡(luò)化

隨著電子信息技術(shù)的發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)控制已經(jīng)成為所有自動化控制裝置的必備功能之一。通過網(wǎng)絡(luò)總線連接，變頻器可以作為網(wǎng)絡(luò)從站納入現(xiàn)場總線網(wǎng)，由主站進(jìn)行集中、統(tǒng)一控制，這樣不僅有利于制造業(yè)的信息化與自動化，而且可以節(jié)省現(xiàn)場配線、簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。變頻器采用數(shù)字化控制后已具備了網(wǎng)絡(luò)控制的前提條件，它完全可以像其他自動化裝置那樣實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)控制?，F(xiàn)在的變頻器網(wǎng)絡(luò)功能只局限于“點(diǎn)到點(diǎn)”的數(shù)據(jù)通信和借助專用軟件的監(jiān)控、調(diào)試等簡單功能，網(wǎng)絡(luò)鏈接則需要通過專門的選件模塊實(shí)現(xiàn)。

四、結(jié)語

變頻器自二十世紀(jì)六七十年代誕生以來，經(jīng)過30多年的發(fā)展其應(yīng)用領(lǐng)域正在不斷擴(kuò)大，發(fā)展前景廣闊。變頻技術(shù)作為高新技術(shù)、基礎(chǔ)技術(shù)和節(jié)能技術(shù)，已經(jīng)滲透到經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域的所有技術(shù)部門中。我國在變頻技術(shù)方面應(yīng)積極開展如下工作：（1）應(yīng)用變頻技術(shù)來改造傳統(tǒng)的產(chǎn)業(yè)，節(jié)約能源及提高產(chǎn)品質(zhì)量，獲得較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益；（2）大力發(fā)展變頻技術(shù)，必須把我國變頻技術(shù)提高到一個新水平，縮小與世界先進(jìn)水平的差距，提高自主開發(fā)能力，滿足國民經(jīng)濟(jì)重點(diǎn)工程建設(shè)和市場的需求。

參考文獻(xiàn)：

［1］李方圓.變頻器原理與維修.機(jī)械工業(yè)出版社.

［2］原魁.變頻器基礎(chǔ)及應(yīng)用.冶金工業(yè)出版社.