新興電子技術(shù)中的變頻調(diào)速

鄭志波*，康德，郭怡嘉，石林

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新興電子技術(shù)中的變頻調(diào)速

鄭志波1*，康德2，郭怡嘉1，石林1

（1.四川電力職業(yè)技術(shù)學院，四川成都，611133；2.成都理工大學信息科學與技術(shù)學院，四川成都，610059）

隨著電子技術(shù)的不斷興起，其中電力電子技術(shù)的變頻調(diào)速技術(shù)已成為各國的焦點了，變頻調(diào)速以其優(yōu)異的調(diào)速和其制動性能被國內(nèi)外公認為最有發(fā)展的調(diào)速方式。電力電子技術(shù)是最近幾年迅速發(fā)展的一種高新技術(shù)，廣泛應(yīng)用于航天航空、電機傳動以及機電一體等領(lǐng)域，現(xiàn)已成為各國競相發(fā)展的一種高新技術(shù)。

電力電子技術(shù)；變頻調(diào)速；控制方式

引言

電力電子技術(shù)誕生至今已近65年，它對人類的發(fā)展起了巨大的推動作用。近十年來，隨著電力技術(shù)、計算機技術(shù)、自動控制技術(shù)的發(fā)展，電氣傳動技術(shù)進行了一場歷史變革，即交流調(diào)速取代了直流調(diào)速和計算機數(shù)字控制技術(shù)取代了模擬控制技術(shù)。交流電機變頻已是當今節(jié)電、改善工藝流程以提高產(chǎn)品質(zhì)量、改善環(huán)境、推動技術(shù)進步的一種主要手段。變頻調(diào)速依靠其優(yōu)異的調(diào)速和其制動性能、高效率、高功率因數(shù)和節(jié)電效果、適用范圍廣等優(yōu)點，而已被國內(nèi)外公認為最有發(fā)展前途的調(diào)速方式。

1 電力電子技術(shù)的作用

電力電子技術(shù)是一門新興的應(yīng)于電力領(lǐng)域的電子技術(shù)，就是使用電力電子器件（如晶閘管、GTO、IGBT等）對電能進行變換和控制的技術(shù)。電力電子技術(shù)分為電子電子器件制造技術(shù)和交流技術(shù)（整流，逆變，斬波，變頻，變相等）兩個分支。

電力電子技術(shù)的重要作用：

（1）優(yōu)化電能使用。通過電力電子技術(shù)對電能的處理，使電能的使用達到合理、高效和節(jié)約，實現(xiàn)了電能的使用最佳化。

（2）改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)和發(fā)展機電一體化等新興產(chǎn)業(yè)。據(jù)發(fā)達國家預測，今后將有95%的電能要經(jīng)電力電子技術(shù)處理后再使用，即工業(yè)和民用的各種機電設(shè)備中，有95%與電力電子產(chǎn)業(yè)有關(guān)，特別是，電力電子技術(shù)是弱電控制強電的媒體，是機電設(shè)備與計算機之間的重要接口，它為傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)和新興產(chǎn)業(yè)采用電子技術(shù)創(chuàng)造了條件，成為發(fā)揮計算機作用的保證和基礎(chǔ)。

（3）電力電子技術(shù)高頻化和變頻技術(shù)的發(fā)展，將使機電設(shè)備突破工頻傳統(tǒng)，向高頻化方向發(fā)展。能實現(xiàn)最佳工作效率，將使機電設(shè)備的體積減小幾倍，響應(yīng)速度達到高速化，并能適應(yīng)任何基準信號，實現(xiàn)無噪音且具有全新的功能和用途。

（4）電力電子智能化的進展，在一定程度上將信息處理與功率處理合一，使微電子技術(shù)與電子電力技術(shù)一體，其發(fā)展有可能引起電子技術(shù)的重大改革。有人甚至提出，電子學的下一次革命將發(fā)生在以工業(yè)設(shè)備和電網(wǎng)為對象的電子技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域，電力電子技術(shù)把人們帶進了第二次電子革命。

2 變頻調(diào)速的工作原理及控制方式

2.1 變頻器的工作原理

交流電動機的同步轉(zhuǎn)速表達式位：

n＝60 f(1－s)/p (1)

式中 n——異步電動機的轉(zhuǎn)速；f——異步電動機的頻率；

s——電動機轉(zhuǎn)差率；p——電動機極對數(shù)由式(1)可知，轉(zhuǎn)速n與頻率f成正比，只要改變頻率f即可改變電動機的轉(zhuǎn)速，當頻率f在0～50Hz的范圍內(nèi)變化時，電動機轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍非常寬。變頻器就是通過改變電動機電源頻率實現(xiàn)速度調(diào)節(jié)的，是一種理想的高效率、高性能的調(diào)速手段。

2.2 變頻器控制方式

低壓通用變頻輸出電壓為380～650V，輸出功率為0.75～400kW，工作頻率為0～400Hz，它的主電路都采用交—直—交電路。其控制方式經(jīng)歷了以下四代。

2.2.1 U/f=C的正弦脈寬調(diào)制（SPWM）控制方式

其特點是控制電路結(jié)構(gòu)簡單、成本較低，機械特性硬度也較好，能夠滿足一般傳動的平滑調(diào)速要求，已在產(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，由于輸出電壓較低，轉(zhuǎn)矩受定子電阻壓降的影響比較顯著，使輸出最大轉(zhuǎn)矩減小。另外，其機械特性終究沒有直流電動機硬，動態(tài)轉(zhuǎn)矩能力和靜態(tài)調(diào)速性能都還不盡如人意，且系統(tǒng)性能不高、控制曲線會隨負載的變化而變化，轉(zhuǎn)矩響應(yīng)慢、電機轉(zhuǎn)矩利用率不高，低速時因定子電阻和逆變器死區(qū)效應(yīng)的存在而性能下降，穩(wěn)定性變差等。因此人們又研究出矢量控制變頻調(diào)速。

2.2.2 電壓空間矢量（SVPWM）控制方式

它是以三相波形整體生成效果為前提，以逼近電機氣隙的理想圓形旋轉(zhuǎn)磁場軌跡為目的，一次生成三相調(diào)制波形，以內(nèi)切多邊形逼近圓的方式進行控制的。經(jīng)實踐使用后又有所改進，即引入頻率補償，能消除速度控制的誤差；通過反饋估算磁鏈幅值，消除低速時定子電阻的影響；將輸出電壓、電流閉環(huán)，以提高動態(tài)的精度和穩(wěn)定度。但控制電路環(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善。

2.2.3 矢量控制（VC）方式

矢量控制變頻調(diào)速的做法是將異步電動機在三相坐標系下的定子電流Ia、Ib、Ic、通過三相－二相變換，等效成兩相靜止坐標系下的交流電流Ia1Ib1，再通過按轉(zhuǎn)子磁場定向旋轉(zhuǎn)變換，等效成同步旋轉(zhuǎn)坐標系下的直流電流Im1、It1（Im1相當于直流電動機的勵磁電流；It1相當于與轉(zhuǎn)矩成正比的電樞電流），然后模仿直流電動機的控制方法，求得直流電動機的控制量，經(jīng)過相應(yīng)的坐標反變換，實現(xiàn)對異步電動機的控制。其實質(zhì)是將交流電動機等效為直流電動機，分別對速度，磁場兩個分量進行獨立控制。通過控制轉(zhuǎn)子磁鏈，然后分解定子電流而獲得轉(zhuǎn)矩和磁場兩個分量，經(jīng)坐標變換，實現(xiàn)正交或解耦控制。矢量控制方法的提出具有劃時代的意義。然而在實際應(yīng)用中，由于轉(zhuǎn)子磁鏈難以準確觀測，系統(tǒng)特性受電動機參數(shù)的影響較大，且在等效直流電動機控制過程中所用矢量旋轉(zhuǎn)變換較復雜，使得實際的控制效果難以達到理想分析的結(jié)果。

2.2.4 直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC）方式

1985年，德國魯爾大學的DePenbrock教授首次提出了直接轉(zhuǎn)矩控制變頻技術(shù)。該技術(shù)在很大程度上解決了上述矢量控制的不足，并以新穎的控制思想、簡潔明了的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、優(yōu)良的動靜態(tài)性能得到了迅速發(fā)展。目前，該技術(shù)已成功地應(yīng)用在電力機車牽引的大功率交流傳動上。

直接轉(zhuǎn)矩控制直接在定子坐標系下分析交流電動機的數(shù)學模型，控制電動機的磁鏈和轉(zhuǎn)矩。它不需要將交流電動機等效為直流電動機，因而省去了矢量旋轉(zhuǎn)變換中的許多復雜計算；它不需要模仿直流電動機的控制，也不需要為解耦而簡化交流電動機的數(shù)學模型。

2.2.5 矩陣式交—交控制方式

VVVF變頻、矢量控制變頻、直接轉(zhuǎn)矩控制變頻都是交—直—交變頻中的一種。其共同缺點是輸入功率因數(shù)低，諧波電流大，直流電路需要大的儲能電容，再生能量又不能反饋回電網(wǎng)，即不能進行四象限運行。為此，矩陣式交—交變頻應(yīng)運而生。由于矩陣式交—交變頻省去了中間直流環(huán)節(jié)，從而省去了體積大、價格貴的電解電容。它能實現(xiàn)功率因數(shù)為l，輸入電流為正弦且能四象限運行，系統(tǒng)的功率密度大。該技術(shù)目前雖尚未成熟，但仍吸引著眾多的學者深入研究。其實質(zhì)不是間接的控制電流、磁鏈等量，而是把轉(zhuǎn)矩直接作為被控制量來實現(xiàn)的。具體方法是：

（1）控制定子磁鏈引入定子磁鏈觀測器，實現(xiàn)無速度傳感器方式；

（2）自動識別（ID）依靠精確的電機數(shù)學模型，對電機參數(shù)自動識別；

（3）算出實際值對應(yīng)定子阻抗、互感、磁飽和因素、慣量等算出實際的轉(zhuǎn)矩、定子磁鏈、轉(zhuǎn)子速度進行實時控制；

（4）實現(xiàn)Band—Band制按磁鏈和轉(zhuǎn)矩的Band—Band控制產(chǎn)生PWM信號，對逆變器開關(guān)狀態(tài)進行控制。

矩陣式交—交變頻具有快速的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)（<2ms），很高的速度精度（±2％，無PG反饋），高轉(zhuǎn)矩精度（<＋3％）；同時還具有較高的起動轉(zhuǎn)矩及高轉(zhuǎn)矩精度，尤其在低速時（包括0速度時），可輸出150％～200％轉(zhuǎn)矩。

3 結(jié)束語

變頻調(diào)速在電力電子技術(shù)、控制技術(shù)以及微電子技術(shù)的推動下有了飛速的發(fā)展。變頻技術(shù)在電力電子技術(shù)的作用使自身不斷完善，如今，已在航天航空，電氣設(shè)備，能源開發(fā)等事業(yè)中占據(jù)了不可替換的調(diào)速方式。同時，它也被世界各國譽為最有發(fā)展前途的調(diào)速方式。變頻調(diào)速具備運用范圍廣、性能可靠、匹配完善等優(yōu)點。并且將有價格便宜的變頻器隨著電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展而誕生。

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Frequency Control in Emerging Electronic Technology

ZHENG Zhibo1*, KANG De2, GUO Yijia1, SHI Lin1

(1.Sichuan Electric Power Vocational and Technical College, Chengdu Sichuan 611133, China; 2.College of Information Science and Technology, Chengdu University of Technology, Chengdu 610059, China)

With the continuous rise of electronic technology, which power electronic technology frequency control technology has become the focus of the country, frequency control with its excellent speed and its braking performance is recognized as the most developed domestic and international speed the way. Power electronics technology is a rapid development in recent years, a high-tech, widely used in aerospace, motor drive and mechanical and electrical integration, and other fields, has become a country competing to develop a high-tech.

power electronic technology; frequency control; control mode

鄭志波, 康德, 郭怡嘉, 等. 新興電子技術(shù)中的變頻調(diào)速[J]. 數(shù)碼設(shè)計, 2017, 6(5): 86-87.

ZHENG Zhibo, KANG Te, GUO Yijia, et al. Frequency Control in Emerging Electronic Technology[J]. Peak Data Science, 2017, 6(5): 86-87.

10.19551/j.cnki.issn1672-9129.2017.05.035

TM921

A

1672-9129(2017)05-0086-02

2017-02-10；

2017-03-16。

鄭志波（1998-），男，四川電力學院，主要研究方向電力系統(tǒng)。E-mail: 534047985@qq.com。