通用變頻器的應用技術簡述

李強

摘要： 本文介紹了通用變頻器的發展歷程、技術特點與發展方向，并對當代變頻器高性能化、環保化涉及的各種最新技術進行了綜合分析與闡述。

關鍵詞： 通用變頻器技術特點發展方向

變頻器是從上世紀六七十年代隨著電力電子器件PWM（脈沖寬度調制）控制技術的發展出現的一種感應電動機調速裝置。變頻器是應用變頻技術與微電子技術，通過改變電機工作電源頻率方式來控制交流電動機的電力控制設備。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到改變電源電壓的目的，根據電機的實際需要提供其所需要的電源電壓，進而達到節能、調速的目的。另外，變頻器還有很多保護功能，如過流、過壓、過載保護等。

本文介紹了當今變頻器控制技術在社會工業各個環節的應用和發展情況，全面分析了目前變頻器的技術發展方向，并且從變頻器的高性能化、環保化、網絡化等方面進行了詳細的分析。

一、發展過程

變頻器是利用電力半導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，實現對交流異步電機的軟起動、變頻調速、提高運轉精度、改變功率因數、過流、過壓、過載保護等功能。變頻器是一種強電和弱電綜合的控制裝置，其共性的關鍵技術包括、變流技術與控制技術兩方面。前者主要涉及電力電子器件的應用、電路拓撲結構與PWM控制等問題；后者研究電動機控制理論與控制技術實用化等問題。

變頻器的控制方式主要有：正弦脈寬調制(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矩控制，而控制技術上則從模擬量控制發展到了全數字控制與網絡控制，變頻器的速度控制性能大幅度提高，轉矩控制與位置控制功能正逐步完善。

二、技術特點

變頻器作為一種面向交流感應電動機的通用控制裝置，與其他控制裝置比較，具有以下明顯的技術特點：（1）多種控制方式兼容。矢量控制、v/f控制與直接轉矩控制各有各的特點與適用范圍，目前還沒有適應所有控制方式的共同優點的技術。因此，現代變頻器一般可兼容多種控制方式，使用時可通過參數的設定選擇所需要的控制方式。（2）開環/閉環通用。所謂閉環控制技術就是通過反饋回路消除穩態誤差，提高精度，但同時帶來了系統穩定性問題。為適應不同的控制要求，現代變頻器一般采用開環/閉環通用的結構形式，開環變頻器只要簡單地增加閉環接口便可實現閉環控制。

三、發展方向

以前變頻器的研究主要集中于電力電子器件的應用、電路拓撲結構及控制理論與方法上，并使動態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用及控制技術的發展，變頻器的性能價格比越來越高，體積越來越小，高性能化、環保化、網絡化已成為現代變頻器發展的必然趨勢。

（一）高性能化

變頻器的控制方式正由標量控制(Ulf控制和轉差頻率控制)向高動態性能的矢量控制和直接轉矩控制發展。微處理器技術的進步使數字控制成為現代控制器的發展方向。變頻控制理論與技術發展經歷了v/f 控制、矢量控制與直接轉矩控制三個階段。

V/f=C的正弦脈寬調制控制方式是一種經典控制理論。其特點是控制電路簡單，成本較低，機械特性硬度較好，能夠滿足一般傳動的平滑調速要求，在產業的各個領域得到廣泛應用。但是，這種控制方式在低頻時由于輸出電壓過低，轉矩受定子電阻壓降的影響比較顯著，使輸出最大轉矩減少。

電壓空間矢量控制理論的基本出發點是將感應電動機等效為直流電動機，該理論通過坐標變換將定子電流分解為轉矩電流Iq′和勵磁電流Id（兩個獨立分量，實現了磁通與轉矩的解耦）。矢量控制需要進行坐標變換，解耦得到的勵磁電流Id對應轉子磁鏈，故又稱“坐標變換矢量控制”或“轉子磁場定向控制”。但是這種控制方式環節較多，且沒有引入轉矩的調節，所以系統性能沒有得到根本改變。

直接轉矩控制理論是基于定子電壓的轉矩控制方案。理論證明了在忽略定子電阻影響時，定子磁鏈矢量的運動方向與定子電壓方向一致，且旋轉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系下計算出感應電動機的轉矩。目前該技術已經成功應用在電力機車牽引的大功率交流傳動上，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教學模型。

（二）通用變頻器的環保化

變頻器在運行過程中，由于內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生嚴重畸變，不但大大降低了系統的功率因數，還會引起嚴重的高次諧波污染。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備造成嚴重的電磁干擾。

變頻器的環保化主要包括減小電網網側各種諧波、提高功率因數、節能降噪、縮小體積等方面的內容。以上問題主要與電路回路有關，需要通過應用新型電力電子器件與電路拓撲結構解決。

1.電力電子器件的應用

電力電子器件是變流技術的基礎元件，變頻整流與逆變主回路都要采用電力電子器件。理想力電子器件應具有載流密度大、 通壓降小；耐壓控制容易；工作頻率高、開關速度快的特點。

隨著電子技術的不斷發展，使用SCR、GT0和IGBT等的靜止無功補償裝置得到了長足的發展。其中，以靜止無功發生器最為優越。它具有調節速度快、運行范圍寬的優點，而且在采用多重化、多電平或PWM技術等措施后，可大大地減少補償電流中的諧波含量。更重要的是：靜止無功發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。它代表著動態無功補償裝置的發展方向。

2.拓撲結構的改進

變頻器主電路的拓撲結構為：變頻器的網側變流器對于低壓、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；負載側變流器對低壓、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保化的重要內容之一。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整PWM載波頻率實現。現代變頻器采用了柔性PWM控制技術（Soft-PWM），通過PWM載波頻率的自動調整來回避敏感區。柔性PWM控制技術不僅可以降低噪聲、限制射頻干擾，而且具有減小開關損耗、保護功率器件的作用。當變頻器在低頻滿負載工作時，過高的PWM頻率將導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載波頻率以保護器件。

（三）通用變頻器的網絡化

隨著電子信息技術的發展，網絡控制已經成為所有自動化控制裝置的必備功能之一。通過網絡總線連接，變頻器可以作為網絡從站納入現場總線網，由主站進行集中、統一控制，這樣不僅有利于制造業的信息化與自動化，而且可以節省現場配線、簡化系統結構。變頻器采用數字化控制后已具備了網絡控制的前提條件，它完全可以像其他自動化裝置那樣實現網絡控制。現在的變頻器網絡功能只局限于“點到點”的數據通信和借助專用軟件的監控、調試等簡單功能，網絡鏈接則需要通過專門的選件模塊實現。

四、結語

變頻器自二十世紀六七十年代誕生以來，經過30多年的發展其應用領域正在不斷擴大，發展前景廣闊。變頻技術作為高新技術、基礎技術和節能技術，已經滲透到經濟領域的所有技術部門中。我國在變頻技術方面應積極開展如下工作：（1）應用變頻技術來改造傳統的產業，節約能源及提高產品質量，獲得較好的經濟效益和社會效益；（2）大力發展變頻技術，必須把我國變頻技術提高到一個新水平，縮小與世界先進水平的差距，提高自主開發能力，滿足國民經濟重點工程建設和市場的需求。

參考文獻：

［1］李方圓.變頻器原理與維修.機械工業出版社.

［2］原魁.變頻器基礎及應用.冶金工業出版社.