-
变频技术
1.1
变频技术的普及前景
电机交流变频调
速技术是当今节电、改善工艺流程以提高产品质量和改善环境、推动
技术进步的一种主要
手段。变频调速以其优异的调速和起制动性能，高效率、高功率因数
和节电效果，广泛的
适用范围及其它许多优点而被国内外公认为最有发展前途的调速方
式。电气传动控制系统
通常由电动机、控制装置和信息装置
3
部分组成，电气传动关系
到
合理地使用电动机以节约电能和控制机械的运转状态，
实现电
能
-
机械能的转换，
达到优质、
高产、低耗目的。电气传动分成不调速和调速两大类，调速又分交流调速和直流调速两种
方式。不调速电动机直接由电网供电，但随着电力电子技术的发展这类原本不调速的机械
越来越多地改用调速传动以节约电能
(
节约<
/p>
15%~20%
或更多
)
，改善产品质量，提高产量。
在我国
60%
的发电量是通过电动机消耗的，因此调速传动是一个重要行业，已经得到国家
重视，目前已有一定规模。
近年来交流调速中最活跃、发展
最快的就是变频调速技术，变频调速是交流调速的基
础和主干内容。上个世纪变压器的出
现使改变电压变得很容易，从而造就了一个庞大的电
力行业。长期以来，交流电的频率一
直是固定的，变频调速技术的出现使频率变为可以充
分利用的资源。
这
10
年来，变频技术的应用在
我国有很大的发展，并取得了良好的效果可以说，变频
技术已为大多数用户所接受，但是
不能不指出，我国在变频技术的应用方面，与发达国家
的水平尚有很大差距，目前，我国
在用的交流电动机使用变频调速运行的仅
6%
左右，而
下业发达国家已达
(60%~70%)
，
日本在风机、
水泵上变频调速的采用率已达
1
0% ,
而我国还
不足
0.01%.<
/p>
在日本，
空调器的
70%
采用了变频调速，
而我国才刚刚起步。
从这个现实出发
，
变频技术尚有很大的发展空间，应该锲而不舍地做好推广应用工作。
< br>
而
且随着控制技术和控制手段的不断提高，变频调速又
由变压变频控制的变频调速发
展到了矢量控制变频调速，通过控制交流电动机里相当于并
励直流电动机励磁绕组的磁通
变化，提高变频器的恒转矩输出范围和动静态特性，使得交
流电动机变频调速系统的性能
超过了直流电动机调压调速系统的性能。为了简化控制系统
，减少设备故障率，在矢量控
制变频调速的基础上又发展了无速度传感器的矢量控制变频
调速。在一些对动静态特性要
求不太高的应用中，无速度传感器的矢量控制变频调速己完
全可以和有速度传感器的矢量
控制变频调速相媲美。矢量控制对交流电机调速具有划时代
的意义。
变频调速是电机调速的最佳方式，是企业技术改造和
产品更新换代的理想设备，是工
业自动化系统必不可少的组成部分，是实现生产过程和管
理自动化的前提，也是信息化发
展的先决条件。在我国传统产业中，采用直流电机拖动的
调速系统约占调速系统总量的
85%~90%
，而交流调速系统
仅占
10%~15%
。效率低、质量差、消耗大、故障率高己成
为
1
制约企业发展的瓶颈。因此，
必须积极推广先进的交流变频调速技术，用先进的设备武装
传统产业，促进自动化、工业
化和信息化的进一步发展。
1.2
变频调速发展趋势
如果说以第一个晶
闸管的出现作为交流电动机变频调速的起点，可以认为它的发展历
史己
< br>40
多年了。
而变频调速技术真正高速发展时期，
应该是在
PWM
调制技术的出现和微
机控制技术发展之后。特别是最近
20
年来，随
着交流调速技术的应用普及，交流变频调
速在化工、火电厂、矿山、油田、机械制造、城
市建设、水处理、甚至家电等行业己经全
面推广使用，一般主要用于节能及控制。随着变
频技术的普及和深入，以及国际、国内电
器设备使用的有关标准意识的强化，电力系统行
业和用户对变频技术的质量要求也越来越
高。变频调速的发展趋势主要围绕下面几个方而
展开。
1)
高性能的智能控制变频器
380V<
/p>
系统的低压变频器是国内的主要研究对象，
应用交流调速的基本理
论，
结合神经
网络控制、
鲁棒控制、<
/p>
模糊控制，
或其他智能控制等手段，
实现
电机运行参数的自动辨识，
以期达到自适应、自调整的最优控制。这方面己有一定的研究
成果。
2)
速度传感器研究
从前面所述的各种变
频调速的理论可知，一般系统都要用到转速传感器。在实际使用
中，由于变频设备和被控
电动机有一定的距离，而高精度的转速传感器都要使用专门的电
源，被控电动机有的是在
户外，运行工况非常恶劣，要保证速度反馈的准确性，有时不得
不采取特别措施，因此也
会增加额外费用，运行的可靠性和控制精度也会因此受到影响。
无速度传感器的变频调速
系统，是通过现场采集的电流电压量，以及控制的实施策略，综
合出被控电机的实际转速
。这种控制方案要求计算机的控制速度较高，并有足够的精度。
3)
针对功率因数提高和谐波污染的研究
低压变频调速系统的控制虽然己经是非常成熟了，但目前国际、国内的产品，一般都
是矢
量控制和直接转矩控制，重点放在电机变频控制理论的实现和完善上，而对变频器的
输出
波形、功率因数，以及谐波污染等问题还没有引起足够的重视。最近
10
多年来，国
外在这一领域己有较深入的研究。有的针对功率因数，有的强调输出
波形。多重化技术就
是为了解决输出波形问题。
最近几年的研究
表明，
利用
PWM
输出控制解决谐波输
出问题，
是比较理想的方法，它可以省去多重化中的变压器，或过多的开关元器件，使变
频器的体
积和重量减少，但这种方法不能解决所有谐波的消除问题，只能部分消除特定谐
波。这方
面的研究论文还不多，也还没有成熟的类似低压变频器的产品出现。
4)
高压变频器的研究
变频器的主要作用
之一是节能。而高压电动机的节能效果是比较明显的，大功率的风
机和水泵用电动机一般
都是高压电动机。国内，高压变频调速和它的节能控制还是一个比
较薄弱的环节
.
它主要是针对
6~10kV
< br>的交流电动机进行变频调速控制。这种高压电动机广
泛应用于火力发电厂的送风机
和引风机上。同样也可用于其他如石油化工、矿山、冶炼、
2
机械制造等行业的变频节能控制。从某种意义上讲，由于目前国内还不能完全生产高质量
的合格电力电子器件，而且，国外低压变频器的性能价格比也比国内自己研究的变频器高
得多。因此
,
在这方面还有许多研究工
作要做。
随着电力电子技术最近
20
多年的飞速发展，功率半导体器件的成本逐年下降，技术
工艺和
性能也得到不断改善
.
电力电子器件的应用己从传统的直流调速
、
直流屏、
斩波器等
领域延伸到交流调
速和电力系统的质量控制领域
.
并正朝着高电压、大功率的方向
发展
.
这
也是千年之交和世纪之交我国
电力电子技术应用的发展趋势。
5)
无换向器同步电机的变频调速
无换向
器电动机也是在
20
世纪
70
年代发展起来的新型调速系统。它是一种变频调速
同步电动机
.
也可以认为是一种用半导体电子开关线路代替换向器和电刷作用的直流电
动
机。
根据采用的控制方式不同
.
可分为直流无换向器电动机和交流无换向器电动机。
直流无
换向器电动机采用交
-
直
-
交或直
-
交变频控制系统
;
交流无换向器电动机采用交
-
交变频控制
系统。近
10
年来
.
国内外杂志上有许多相关的研究论文。而且，也有一定的成果
出现。
1.3
变频调速控制方式
交流变频调速技术
在
20
世纪得到了迅速发展。这与一些关键性技术的突破性进展
有
关，它们是交流电动机的矢量控制技术、直接转矩控制技术、
PWM
技术以及微型计算机
和大规模集成电路为基础的全数字化
控制技术、自整定技术等。
1)
矢量控制技术
矢量变换控制技术是西
门子公司于
1971
年提出的一种新的控制思想和控制理论。它
是以转子磁场定向，采用矢量变换的方法实现定子电流励磁分量和转矩分量之间的解藕，
达到对交流电动机的磁链和电流分别控制的目的，从而获得了优良的静、动态性能。迄今
为止，矢量控制技术己经获得了长足的发展，并得到了广泛应用。
2)
无速度传感器矢量控制技术
无速度传感器控制技术免去了传感器带来的环境适应性、安装维护等问题，降低了成
本，提高了系统的可靠性，同时结合矢量控制，具有矢量控制的优良性能。无速度传感器
技术中速度估算的方法，除了根据数学模型计算电动机转速外，目前应用较多的有模型参
考自适应法和扩展卡尔曼滤波法。此外全维转子磁通观测器，齿谐波电势
(RSH)
等理论也
出现在无速度传感器技术中。从
1983
年提出无速度传感器矢量控制策略以来，一直受到
学术界和产业界的高度重视，日立、安川电机等公司在
1987
年分别发表了研究成果，并
相继推出了产品。目前，无速度传感器矢量控制
变频器的调速范围为
1:50
左右，个别厂商
< br>有
1:75
甚至更高的产品。
3)
直接转矩控制技术
1985
年
.
德国的
M .
Depen-block
首次提出
直接转矩控制技术
(DTC)
。
DTC
控制直接在
定子坐标系下分析交流电动机的数学模型。采用定子
磁场定向而无需解藕电流，直接控制
电动机的磁链和转矩，以使转矩得到快速响应，从而
获得高效的控制性能。
3
直接转矩控制技术是近
10
年继矢量控制技术
之后发展起来的又一种新型的高性能交
流变频调速技术，这种控制技术与矢量控制技术相
比，对电机参数不敏感，不受转子参数
的影响，简单易行，具有广阔的发展和应用前景。
4)
PWM
控制技术
1964
年，德国的
A.
Schonung
等率先提出了脉宽调制
(PWM
-pulse width modulation)
变
频的思
想，为近代交流调速系统开辟了新的发展领域。
PWM
控制技术
通过改变矩形脉冲
的宽度来控制逆变器输出交流基波电压的幅值，通过改变调制周期来控
制其输出频率，从
而在逆变器上同时进行输出电压幅值和频率的控制。
< br>PWM
技术简化了逆变器的结构，能
够明显的改善变频器
的输出波形，降低电动机的谐波损耗，并减小转矩脉动，同时提高了
系统的动态响应性能
。
PWM
技术还可用于整流器的控制，能够实现输入电流非常接
近正
弦
.
。并可使电网功率因数为
1
。
PWM
整流器
因而被称为“绿色”变流器。目前，
PWM
技
< br>术己成为变频器中应用最为广泛的控制技术。交流电机调速性能的不断提高在很大程度上
< br>是由于
PWM
技术的不断进步。目前广泛应用的是在规则
采样
PWM
的基础上发展起来的
准优化
PWM
法，即三次谐波叠加法和电压空间矢量
< br>PWM
法。
5)
数字化控制技术
控制技术的数字化是
静止变频装置的核心技术，也是今后的发展趋势。目前市场上的
变频装置几乎全面实现了
数字化控制。
采用
DSP
和
ASIC
技术实现了快速运算和高精度控
制，可以
得到良好的电流波形，使变频器的噪音大幅度降低，并且扫描时间大幅度缩短，
目前电流
响应为
0.1~0.7ms
，速度响应为
2~4 ms,
足以满足传动领域的控制要求。同时由于
应用
微电子技术和
ASIC
技术，装置的元器件数量得以大幅度减少
，从而使变频装置的体
积减小，可靠性得到大幅度提高。全数字控制方式使变频器的信息
处理能力大为增强。采
用模拟控制方式无法实现的复杂控制在今天都己成为现实，
从而所谓的
RAS
概念即可靠性
(Reliability)
、可操作性
(Avai
lability)
、可维修性
(Serviceabilit
y)
得以充实。
6)
自整定技术
自整定技术在变频调速系
统中的应用日益广泛，它可以根据速度和负载的变化自动调
整控制系统的参数，
使得系统具有快速的动态响应。
自整定技术分为离线式和在线式两种。<
/p>
离线式的研究成果己经在相当多的产品中应用，它是在运行系统程序之前通过运行一段自<
/p>
整定程序，辨识相关数据，并修改系统程序的相关参数，以期获得良好的系统控制性能。<
/p>
另外，改进控制技术，提高系统鲁棒性也和自整定技术紧密相联系。
4
外文文献
1 Frequency
Variation Speed Control
1.1
The Popularity and Prospect of
Frequency Variation Speed Control
The
electrical machinery exchange frequency conversion
velocity modulation technology is
the
electricity saving, the improvement technical
process improves the product quality and the
improvement
environment,
the
impetus
technology
advancement
one
main
method
now
The
frequency
conversion
velocity
modulation
by
its
outstanding
velocity
modulation
and
the
braking quality, the
high efficiency, the high power factor and the
electricity saving effect, the
widespread
applicable
scope
and
other
many
merits
by
the
domestic
grandfather
was
thought
most
has
the
development
future
velocity
modulation
way.
The
electrical
transmission
control
system usually by the electric motor,
the control device and the information installs 3
parts to be
composed,
the
electrical
transmission
relates
uses
the
electric
motor
by
to
save
the
electrical
energy and to
control the machinery reasonably the operating
condition, the realization electrical
energy - mechanical energy
transformation, achieves, the high production, the
low consumption
goal
high
quality.
The
electrical
transmission
divides
into
does
not
modulate
velocity
and
modulates velocity two big kinds, the
velocity modulation is divided the exchange to
modulate
velocity
and to
direct
current
modulates velocity two ways.
The variable speed motor directly
does
not
supply
power
by
the
electrical
network
But
the
machinery
which
does
not
modulate
velocity
along
with
electric
power
electronic
technology
development
this
kind
of
original
manuscript more and more many changes
to the velocity modulation transmission by to save
the
electrical energy
The improvement product quality,
enhances the output
Therefore the velocity
modulation
transmission
is
an
important
profession,
already
obtained
the
country
to
take,
at
present had certain
scale.
In recent years
exchanged in the velocity modulation most to be
active, to develop quickest
is the
frequency conversion velocity modulation
technology, the frequency conversion velocity
modulation
is
exchanges
the
velocity
modulation
foundation
and
the
branch
content.
The
last
century transformer appearance causes
the change voltage to become very much easy, thus
has
accomplished a huge electric power
profession. Since long ago, the alternating
current frequency
always is fixed, the
frequency conversion velocity modulation
technology appearance causes the
frequency to become may the full use
resources.
In
this
recent
10
years,
the
frequency
conversion
technology
application
has
the
very
big
development
in
our
country, and obtained
the
good effect
to
be possible to
say, the
frequency
conversion technology has
accepted for the majority users, but had no
alternative but to point out,
our
country in frequency conversion technology
application aspect, with developed country level
5
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