變頻器性能研究及發(fā)展趨勢

【摘要】變頻器就是用來調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速的裝置，其作用就是調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速、節(jié)能降耗、軟起軟停。文章簡要介紹了變頻器的發(fā)展歷程，以我司變頻器產(chǎn)品為例說明其功能，展望該項技術(shù)的發(fā)展趨勢。

【關(guān)鍵詞】變頻器；功能；發(fā)展趨勢

引言

由于直流電機(jī)存在諸如運行中產(chǎn)生火花、對環(huán)境要求較高、電刷易于磨損、維護(hù)麻煩等自身結(jié)構(gòu)上的問題，其使用受到了極大的限制。因此，不得不采用變級調(diào)速、降電壓調(diào)速、串電阻調(diào)速等交流調(diào)速方案，然而這些方案不是十分復(fù)雜，就是功耗較大，都不十分理想。實際上，人們早己認(rèn)識到了變頻調(diào)速是最好的交流調(diào)速方法，只是由于當(dāng)時的具體條件，變頻調(diào)速很難實現(xiàn)。

1.變頻器調(diào)速控制

在交流變頻調(diào)速技術(shù)的控制策略方面，現(xiàn)代變頻調(diào)速最初采用v/f恒定的開環(huán)控制方法，后來提出了轉(zhuǎn)差頻率的控制，使系統(tǒng)性能有所改善，但它仍然是基于電機(jī)的穩(wěn)態(tài)模型推出的平均值控制，穩(wěn)定性和動態(tài)性能仍然無法和直流調(diào)速相比。70年代初，德國西門子公司的EBlashke以專利的形式提出了異步電機(jī)的磁場定向控制原理，即用矢量變換的方法研究交流電機(jī)的動態(tài)規(guī)律。這種矢量控制系統(tǒng)以正確的轉(zhuǎn)子磁場定向為基礎(chǔ)，然而，由于轉(zhuǎn)子磁鏈難以準(zhǔn)確地觀察，系統(tǒng)特性受到很大的影響，因此使轉(zhuǎn)差頻率型的矢量控制系統(tǒng)得到了廣泛的應(yīng)用。1985年德國學(xué)者M(jìn).DePenbrock教授首次提出了直接轉(zhuǎn)矩控制，其主要特點，在于它完全摒棄了矢量控制中的解禍控制思想，取消了矢量計算和旋轉(zhuǎn)變換，簡單的通過檢測定子電壓和電流，借助瞬時空間矢量理論計算電機(jī)磁鏈和轉(zhuǎn)矩，根據(jù)與給定值比較所得的差值，實現(xiàn)對轉(zhuǎn)矩和磁鏈的雙位式控制，轉(zhuǎn)矩響應(yīng)理論上可達(dá)到創(chuàng)紀(jì)錄的水平。

近年來，交流調(diào)速控制中的另一個研究熱點是現(xiàn)代控制理論的應(yīng)用，各種非線性控制的方法相繼被提出，滑模變結(jié)構(gòu)控制的提出增強(qiáng)了交流調(diào)速系統(tǒng)的魯棒性，以消除參數(shù)變化和擾動對系統(tǒng)的影響。雖然這些現(xiàn)代控制方法離實用還有相當(dāng)?shù)木嚯x，但隨著微控制器等硬件資源的不斷發(fā)展，這些新的領(lǐng)域是未來交流調(diào)速技術(shù)發(fā)展的重要方向。

2.變頻器節(jié)能效應(yīng)

變頻器的損耗包括電力電子器件的驅(qū)動損耗與電力電子器件本身的損耗。目前變頻調(diào)速系統(tǒng)的電力電子器件以IGBT為主，其驅(qū)動損耗極小可以忽略，這樣變頻器損耗主要就是電力電子器件的損耗，主要包括器件的通態(tài)損耗與關(guān)斷損耗：通態(tài)損耗取決于器件的管壓降和負(fù)載電流，開關(guān)損耗取決于開關(guān)頻率和負(fù)載電流。因此變頻器損耗隨著電流幅值的增大而增大。

對于小功率應(yīng)用場合，變頻器的損耗在變頻調(diào)速系統(tǒng)總損耗中所占比例很小，可以忽略不計，但隨著系統(tǒng)容量的增大，變頻器損耗在總損耗中所占的比例逐漸升高，如對于變頻器供電100kw的異步電機(jī)，在額定負(fù)載時變頻器的損耗與電機(jī)的損耗就已經(jīng)各占一半。理論分析和實驗結(jié)果表明，考慮變頻器損耗與僅考慮異步電機(jī)損耗相比，對效率優(yōu)化控制結(jié)果影響并不明顯；事實上，僅考慮異步電機(jī)效率優(yōu)化控制的結(jié)果使得電機(jī)定子電流幅值減少，從而降低了變頻器的開關(guān)損耗。

異步電機(jī)損耗中的機(jī)械損耗和雜散損耗，與電機(jī)轉(zhuǎn)速和實際工況（輸出轉(zhuǎn)速與）有關(guān)，屬于不可控?fù)p耗；銅損和鐵損與電機(jī)電流與磁鏈相關(guān)，可以通過一定的控制策略加以控制，屬于可控?fù)p耗。因此，變頻調(diào)速系統(tǒng)的節(jié)能控制，實際是采取相應(yīng)的控制策略控制異步電機(jī)損耗中的銅損與鐵損（可控?fù)p耗），提高變頻調(diào)速系統(tǒng)的運行效率。目前國內(nèi)外變頻調(diào)速系統(tǒng)的節(jié)能控制策略主要分為基于損耗模型的節(jié)能控制和基于在線搜索的節(jié)能控制：前者是結(jié)合所考慮的損耗類型，建立異步電機(jī)損耗模型，通過基本理論與公式推導(dǎo)以及一定的簡化處理，得出相應(yīng)的節(jié)能控制策略，主要有全損耗模型控制、直接降壓控制、恒轉(zhuǎn)差頻率控制、恒功率因數(shù)控制、銅損等于鐵損控制和單位定子電流最大轉(zhuǎn)矩控制；后者根據(jù)在線搜索的控制變量不同主要有搜索輸入功率、搜索定子電流、搜索直流母線電流等控制策略。

3. TMdrive-MV系列高壓IGBT變頻器

我司研制的TMdrive-MV系列高壓IGBT變頻器具有以下特點：

（1）容量范圍廣

驅(qū)動3KV、6KV、10KV等級的異步電動機(jī)，容量覆蓋范圍廣3.3KV（200KVA到3000KVA） 、6KV（360KVA到10200KVA）10KV（600KVA到19000KVA）。

（2）電源的優(yōu)質(zhì)負(fù)載，電動機(jī)的優(yōu)質(zhì)動力源

達(dá)到IEEE-519要求標(biāo)準(zhǔn)。不需要更換原設(shè)電動機(jī)。

（3）高效率

輸出電流基本為正弦波，減少了電動機(jī)的高次諧波損失。不需設(shè)輸出變壓器，消除了由此造成的效率損失。

（4）高功率因數(shù)

采用二極管全波整流，顯著提高了功率因數(shù)。（輸入功率因數(shù)達(dá)0.95以上）

（5）節(jié)省能源

排風(fēng)機(jī)、風(fēng)扇、泵等平方轉(zhuǎn)矩負(fù)載的可變速驅(qū)動，可大幅度節(jié)省能源。

（6）高可靠性

主回路中采用了最新的三菱品牌1700V高壓IGBT，在減少部件數(shù)量的同時，也大幅度提高了可靠性。采用了功率電子控制的專用32位微處理器。

4. 變頻調(diào)速技術(shù)發(fā)展趨勢

（1）低電磁噪音、靜音化

新型通用變頻器除了采用SVPWM調(diào)制實現(xiàn)靜音化外，還在通用變頻器輸入側(cè)加交流電抗器或有源功率因數(shù)校正電路APFC，在逆變電路中采取Soft-PWM控制技術(shù)等，實現(xiàn)所謂的清潔電能的變換。

（2）專用化

新型通用變頻器為更好地發(fā)揮變頻調(diào)速控制技術(shù)的獨特功能，派生了許多專用機(jī)型如風(fēng)機(jī)水泵空調(diào)專用型、起重機(jī)專用型、恒壓供水專用型、交流電梯專用型、紡織機(jī)械專用型、機(jī)械主軸傳動專用型、電源再生專用型、中頻驅(qū)動專用型、機(jī)車牽引專用型等。

（3）系統(tǒng)化

通用變頻器除了發(fā)展單機(jī)的智能化、多功能化外，還向集成化、系統(tǒng)化方向發(fā)展。如西門子公司提出的集通訊、設(shè)計和數(shù)據(jù)管理三者于一體的“全集成自動化”（TIA）平臺概念，可以像驅(qū)動裝置嵌入“全集成自動化”系統(tǒng)那樣進(jìn)行，為用戶提供最佳的系統(tǒng)功能。

（4）網(wǎng)絡(luò)化

新型通用變頻器可提供多種兼容的通信接口，支持多種不同的通信協(xié)議，內(nèi)裝RS485接口，可由個人計算機(jī)向通用變頻器輸入運行命令和設(shè)定功能碼數(shù)據(jù)等，通過選件可與現(xiàn)場總線：Profibus-DP！ModbuSPluS等通訊。

（5）“易于使用”的模式

新型通用變頻器機(jī)內(nèi)固化的“調(diào)試指南”會引導(dǎo)你一步一步地填入調(diào)試表格，無需記住任何參數(shù)，充分體現(xiàn)了易操作性。如西門子公司的新一代MlcROMASTER420/440因采用了一種稱為/易于使用0的成功概念，使得操作變得非常簡單。

（6）參數(shù)趨勢圖形

新型通用變頻器的參數(shù)趨勢圖可適時地顯示各信號的現(xiàn)時運行狀態(tài)，用戶在調(diào)試過程中，可隨時監(jiān)控和記錄運行參數(shù)。如西門子公司的新一代MlcRoMASTER420/440的高級操作板AOP，可使變頻器的參數(shù)上裝或下裝。

5.結(jié)語

70年代以后，功率晶體管（GTR）、門極關(guān)斷晶閘管（GTO晶閘管）、功率MOS場效應(yīng)晶體管（PowerMOSFET）、絕緣柵雙極晶體管（IGBT），MOS控制晶閘管（MCT）等先后問世，這些器件都是既能控制導(dǎo)通又能控制關(guān)斷的自關(guān)斷器件，又稱全控型器件。它不再需要強(qiáng)迫換相電路，使得逆變器構(gòu)成簡單、結(jié)構(gòu)緊湊。電力電子器件正在向大功率化、高頻化、模塊化、智能化發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

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