關(guān)于變頻調(diào)速技術(shù)教學(xué)方法的研究與探討

張菊艷

［摘要］變頻調(diào)速技術(shù)是一門(mén)理論性強(qiáng)、應(yīng)用廣泛、注重工程實(shí)踐的課程，綜合運(yùn)用了許多方面的知識(shí)，體現(xiàn)了強(qiáng)電與弱電的結(jié)合、機(jī)電一體化的結(jié)合，這是一項(xiàng)綜合、復(fù)雜、難度較大的技術(shù)，如何讓學(xué)生學(xué)好這門(mén)課程值得我們?nèi)パ芯颗c探討。

［關(guān)鍵詞］變頻器變頻調(diào)速技術(shù)電能轉(zhuǎn)換控制方法

［中圖分類(lèi)號(hào)］G642［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］A［文章編號(hào)］2095-3437（2014）11-0175-02自從20世紀(jì)80年代大規(guī)模集成電路可以生產(chǎn)以來(lái)，逆變電路中的瓶頸電力電子器件的制造與生產(chǎn)變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，交流變頻調(diào)速技術(shù)得到長(zhǎng)足發(fā)展。我們知道，變頻調(diào)速技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域很廣，如交通、機(jī)床設(shè)備、電力、控制、各種家用電器等。正是因?yàn)槿绱耍た圃盒Ｏ嚓P(guān)專(zhuān)業(yè)都設(shè)置了本課程。

變頻調(diào)速技術(shù)課程綜合運(yùn)用了許多方面的知識(shí)，體現(xiàn)了強(qiáng)電與弱電的結(jié)合、機(jī)電一體化的結(jié)合，這是一項(xiàng)綜合、復(fù)雜、難度較大的技術(shù)，如何讓學(xué)生學(xué)好這門(mén)課程值得我們?nèi)パ芯颗c探討。

一、應(yīng)重視基礎(chǔ)理論課的學(xué)習(xí)

電路理論、電力電子技術(shù)起到支撐作用，變頻器主電路中，整流電路將大容量的交流電轉(zhuǎn)變成直流電，逆變電路中電力電子器件起到關(guān)鍵作用，逆變電路的性質(zhì)及相關(guān)元件、器件對(duì)形成的交流電作用很大，所以，學(xué)好本課程首先應(yīng)打好基礎(chǔ)，從每一步、每一個(gè)環(huán)節(jié)入手，這樣分析電路的工作過(guò)程的方法就容易掌握。

單片機(jī)技術(shù)在變頻器中屬于中央處理單元，負(fù)責(zé)對(duì)輸入信號(hào)的處理與控制，在學(xué)習(xí)過(guò)程中，應(yīng)重視操作、調(diào)試環(huán)節(jié)的學(xué)習(xí)，對(duì)信號(hào)的處理與變化過(guò)程準(zhǔn)確把握。

二、本課程學(xué)習(xí)的重難點(diǎn)

變頻調(diào)速拖動(dòng)系統(tǒng)是由變頻器供電的電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)生產(chǎn)機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)的系統(tǒng)，通過(guò)調(diào)節(jié)三相交流電頻率，就調(diào)節(jié)了異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，這就是三相交流異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速原理。

變頻調(diào)速的最大特點(diǎn)是：電動(dòng)機(jī)從高速到低速，其轉(zhuǎn)差率始終保持最小的數(shù)值，因此變頻調(diào)速時(shí)，異步電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)都很高。可見(jiàn)，變頻調(diào)速是一種理想的調(diào)速方式。但它需要由特殊的變頻裝置供電，以實(shí)現(xiàn)電壓和頻率的協(xié)調(diào)控制。

本課程的難點(diǎn)在于: 對(duì)于變頻調(diào)速系統(tǒng)控制方式的學(xué)習(xí)掌握。目前，變頻技術(shù)中廣泛應(yīng)用PWM控制技術(shù)，通過(guò)對(duì)開(kāi)關(guān)元件控制端兩種信號(hào)即載波與調(diào)制波的控制與調(diào)節(jié)，使逆變器輸出三相頻率和幅值都可調(diào)節(jié)的脈沖信號(hào)。

要想獲得理想的交流電，就應(yīng)使電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)無(wú)脈動(dòng)，因?yàn)殡姍C(jī)噪音小、溫升變化不大，可以提供合適的動(dòng)力。

為了達(dá)到控制目標(biāo)，交流變頻調(diào)速技術(shù)就要從各個(gè)方面入手。控制方法方面，現(xiàn)在已經(jīng)有通用控制方式、矢量控制方式、直接轉(zhuǎn)矩控制方式、轉(zhuǎn)差頻率控制方式等。引用先進(jìn)的控制理論包括電動(dòng)機(jī)和機(jī)械模型的控制策略，有矢量控制、磁場(chǎng)控制和直接轉(zhuǎn)矩控制等。基于現(xiàn)代理論的控制策略，有滑模變結(jié)構(gòu)技術(shù)、模型參考自適應(yīng)技術(shù)和采用微分幾何理論的非線(xiàn)性解耦、魯棒觀察器，還有在某種指標(biāo)意義下的最優(yōu)控制技術(shù)和逆奈奎斯特陣列設(shè)計(jì)方法等。基于智能控制思想的控制策略，有模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、專(zhuān)家系統(tǒng)和各種各樣的自?xún)?yōu)化、自診斷技術(shù)等。

高速度的數(shù)字控制：以32位高速微處理器為基礎(chǔ)的數(shù)字控制模塊的運(yùn)用有足夠的能力實(shí)現(xiàn)各種控制算法。

為了滿(mǎn)足功率損耗小，逆變器件承受電壓、電流變化率小的要求，高壓變頻器應(yīng)運(yùn)產(chǎn)生，較好地解決了相關(guān)問(wèn)題。

變頻器的應(yīng)用領(lǐng)域越來(lái)越廣，變頻器的功能越來(lái)越強(qiáng)大，如何快速地對(duì)變頻器進(jìn)行調(diào)試或者對(duì)變頻器進(jìn)行監(jiān)控成為目前變頻器應(yīng)用領(lǐng)域中的一個(gè)重要課題。變頻器的功能碼參數(shù)越來(lái)越多，如果用傳統(tǒng)的手動(dòng)輸入法就會(huì)耗費(fèi)很多時(shí)間，如果能夠通過(guò)計(jì)算機(jī)通訊進(jìn)行參數(shù)傳送，將會(huì)變得非常快捷和準(zhǔn)確。另外，通過(guò)計(jì)算機(jī)應(yīng)用組態(tài)軟件，還可以方便實(shí)現(xiàn)多臺(tái)變頻器通過(guò)計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行，達(dá)到工業(yè)控制的效果。

所以，我們看到，本課程理論知識(shí)難度大，綜合運(yùn)用知識(shí)方面要求高，為了避免枯燥的純理論學(xué)習(xí)帶來(lái)的問(wèn)題，還應(yīng)結(jié)合實(shí)際，加強(qiáng)實(shí)踐環(huán)節(jié)的學(xué)習(xí)，互相彌補(bǔ)，提高學(xué)習(xí)效果。

三、實(shí)踐環(huán)節(jié)的培養(yǎng)學(xué)習(xí)

為了更好地掌握變頻調(diào)速技術(shù)，還應(yīng)重視和加強(qiáng)實(shí)踐環(huán)節(jié)的學(xué)習(xí)，努力培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，通過(guò)實(shí)際運(yùn)用，解決工程實(shí)踐問(wèn)題。

比如，恒壓供水控制系統(tǒng)，當(dāng)采用普通的閥門(mén)控制法時(shí)，供水的供求關(guān)系不能得到很好滿(mǎn)足，水泵運(yùn)行效率低下。進(jìn)行變頻技術(shù)改造后，實(shí)現(xiàn)了恒壓供水，既保證了水流對(duì)管道壁的壓力維持恒定，又滿(mǎn)足了供水的供需平衡關(guān)系，達(dá)到了節(jié)能效果。

在實(shí)踐教學(xué)過(guò)程中，應(yīng)重視變頻器的正確操作，對(duì)變頻器的結(jié)構(gòu)、組成、工作原理等要求學(xué)生進(jìn)一步鞏固理解，并掌握主電路的接線(xiàn)、控制電路的接線(xiàn)、外圍設(shè)備的連接等。更重要的是能夠根據(jù)控制對(duì)象合理設(shè)定功能參數(shù)，實(shí)現(xiàn)變頻技術(shù)的控制效果。

在此基礎(chǔ)上，提高并加深學(xué)生運(yùn)用變頻技術(shù)的知識(shí)與能力，比如用上位機(jī)進(jìn)行變頻器的操作、運(yùn)用變頻器進(jìn)行閉環(huán)控制達(dá)到電機(jī)的恒速運(yùn)行等。

四、著眼現(xiàn)在，展望未來(lái)

在課程教學(xué)過(guò)程中，還應(yīng)看到變頻調(diào)速技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)。由于變頻調(diào)速技術(shù)課程一般安排在四年級(jí)學(xué)習(xí)，同學(xué)們面臨著就業(yè)、繼續(xù)深造的選擇，因此更應(yīng)開(kāi)闊視野，積極進(jìn)取。

20世紀(jì)末，交流變頻調(diào)速技術(shù)以電力電子功率變換技術(shù)、微電子控制技術(shù)為核心得到了驚人的發(fā)展，展望本世紀(jì)，變頻技術(shù)將會(huì)有更大發(fā)展。

˙功率變換器的高頻、低損耗化、模塊化、高耐壓、大容量化、智能化；

˙電動(dòng)機(jī)及其驅(qū)動(dòng)變頻器的一體化；

˙控制技術(shù)的矢量化、直接轉(zhuǎn)矩控制化、數(shù)字化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化；

˙無(wú)速度傳感器矢量控制；

˙變頻裝置無(wú)諧波化，采用多電平、多重化、帶就地補(bǔ)償；

˙工作負(fù)荷參數(shù)的模型化；

˙新理論、新機(jī)理、新材料的出現(xiàn)將會(huì)出現(xiàn)新概念功率變換器件、新概念變換裝置。

在開(kāi)關(guān)器件方面：目前IGBT和IGCT占領(lǐng)了大功率器件的應(yīng)用領(lǐng)域，已成為變頻調(diào)速技術(shù)的主流，就功率裝置的電流和電壓而言，IGBT和IGCT這兩種器件具有很大的互補(bǔ)性，IGBT更適于功率較小的裝置，而IGCT則更適于功率較大的裝置。IGCT在功率、可靠性、速度、效率、體積等方面均達(dá)到了新的標(biāo)準(zhǔn)。IGCT未來(lái)仍有巨大的潛力。

主電路功率器件正進(jìn)入以新型器件為主的新時(shí)代，作為電力電子技術(shù)發(fā)展的決定性因素，電力電子器件的研發(fā)及關(guān)鍵技術(shù)突破，必然會(huì)促進(jìn)電力電子技術(shù)的發(fā)展，進(jìn)而促進(jìn)變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展。

在變頻電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)方面：基于雙PWM技術(shù)的交-直-交變頻器和矩陣式變頻器是變頻調(diào)速技術(shù)的最新發(fā)展趨勢(shì)。其主要優(yōu)點(diǎn)是：輸出電壓和輸出電流的低次諧波含量都較小，輸入功率因數(shù)可調(diào)，輸出頻率范圍寬，可進(jìn)行四象限運(yùn)行，符合當(dāng)今“綠色變頻”的概念。

控制方面：所包含的關(guān)鍵技術(shù)有：磁通的觀測(cè)、無(wú)速度傳感器控制、參數(shù)辨識(shí)、參數(shù)變化的補(bǔ)償?shù)取Ｍ瑫r(shí)使用微電子技術(shù)所提供的DSP、CPU、ASIC等。

PWM及多電平技術(shù)：消除機(jī)械和電磁噪聲的最佳方法并不是盲目提高工作頻率，隨機(jī)PWM技術(shù)可以提供一種新途徑。由于PWM逆變器的開(kāi)關(guān)損耗隨著功率和頻率的增加而迅速增加，因此，在高頻化和大功率方面有大量工作。解決的方法是采用諧波技術(shù)及在此基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的軟開(kāi)關(guān)技術(shù)。同時(shí)，多電平逆變器也越來(lái)越受到人們的重視，開(kāi)關(guān)損耗的問(wèn)題轉(zhuǎn)化為多管串聯(lián)后的均壓?jiǎn)栴}。

變頻器的網(wǎng)絡(luò)化配置：在網(wǎng)絡(luò)化日益普及的今天，與普通的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)硬線(xiàn)連接方式相對(duì)而言，高速通訊連接的變頻器系統(tǒng)可以在最大限度上降低系統(tǒng)維護(hù)時(shí)間，提高生產(chǎn)效率，減少運(yùn)行成本。用戶(hù)可以有更大的自由根據(jù)生產(chǎn)過(guò)程來(lái)選擇PLC型號(hào)和品牌，并非常簡(jiǎn)單地集成到現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)中去。而且通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)模塊，可以不考慮變頻器的型號(hào)，以同一種語(yǔ)言與不同功率段、不同型號(hào)的變頻器進(jìn)行組構(gòu)。由于采用了通訊方式，可以通過(guò)PC來(lái)方便地進(jìn)行組態(tài)和系統(tǒng)維護(hù)，包括上傳、下載、監(jiān)控、參數(shù)的讀寫(xiě)等。

五、總結(jié)

交流變頻調(diào)速技術(shù)是一門(mén)實(shí)踐性和應(yīng)用性很強(qiáng)的課程，是電氣類(lèi)專(zhuān)業(yè)改革教學(xué)方案中設(shè)置的一門(mén)主干課程，是近幾十年迅猛發(fā)展起來(lái)的先進(jìn)技術(shù)。在教學(xué)過(guò)程中，加強(qiáng)定性分析，盡量減少大篇幅數(shù)學(xué)推導(dǎo)，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，注重培養(yǎng)學(xué)生的工程素質(zhì)、動(dòng)手能力及創(chuàng)新意識(shí)。

［參考文獻(xiàn)］

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［2］陳伯時(shí),陳敏遜.交流調(diào)速技術(shù)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1998.

［3］王樹(shù).變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

［責(zé)任編輯：鐘嵐］