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变频技术 固嗣费翱囝国 囵 磨嗣 曙光 摘要 ： 本 文评 速通用 变频 器的发展和应 用 ， 以厦相关技 术动 向。 能源和可持继发展 有重要意义。 美键词 ： 变频 嚣电气传动电机控制 - ， _ _ _ 一 。 - _ - _ _ 。 - 。 。 一 通用变频 器 具有 节 能降耗 、 使 用方 便 的 特点 ， 与特 定用 途变 频器 的主 要 区别是 功能 多样化。 功能特点 通用变频器是微电子计算机 、 高频功率开 关器件 、 变流 、 传感器及检测技术 ， 现代控制理 论及其在 电机控 制系统 中的具 体应用而 发展 起来的产物。它 的发 展综合体现在 与 其密切 相关的理 论和技术 上。例如 ， 现代 控制理论 、 高速微控制器 、 主 电路 用功率开关 器件 、 交 流 调速 电机。通 用 变频 器 一般 包 括主 电路 、 控 制、 检测和保护等部分 。早期的产品大多数 为 开环的恒压 比 v F控 制系统， 控制结构简单 ， 适合应用 在 风 机、 水 泵等 调速 场 合。近 十 年 来 ， 其控制方式发生 了很大变化 改进 v， 乍 控 制系统 ， 由电压 空间矢量控 制( 磁通轨 迹 法) 、 矢量控制 ( 磁场定 向控制 ) 发展 到直接转矩 控 制 ， 方便地 实现 无速 度传 感器 化； P wM( 脉 宽 调制) 技术从正 弦 P wM 发展至优 化 P wM 和 随机 技 术 ； 功 率 开关 器 件 由 晶 闸 管 、双极性 达林顿 巨型功率晶体管 Gr R、 绝 缘播双极 晶体管 I GB T发展到 智能功率 模块 M， 开关 速 度 快 ， 驱 动 电流小 ， 驱 动 控 制 简 单 ， 故 障率降低 ， 于扰 得到有效控制 保 护功 能 进一步完善。不但其性能 日臻 完善 。 而且有 丰 富的功能设定 。 变 频器控制 电机 最基本的两个输 出量是 频率和转矩。 因此 ， 在通 用曼产品 中设计 了灵 活而 充分的频率设定功能与频率控制接 口， 基 本启动、 最大最小 、 跳跃及宽度 、 多段运行。频 T 时优化 电机 控制 ， 节 约 1 ， 7 7 3 率输 出值可用数字键盘设定 ， 或利 用输人接 口 端子来控制 电机的速度。保护 功能得 到大大 改进 ， 可使电机与变频器同时获得多种 可靠的 保护。增设一些对电机运行控制的重 要功能 ： 自动频率补偿控制； 点动运 行方 式 ； 第二 v F 运行功能； 自动节能运行方式 选择 ； 制动 方式 选择 ； 转矩提升功能 ； 矢量控制选择 ； 频率 跳跃 功能 ； 载渡频率设定 ； 良好的人机界面 ； 监 控接 口； 故障 自诊断及记录等。 国内科研单位针对通用变频器设置 功能 多 达 2 8至 3 2种 ， 而这 些功能对 于 风机 和 电 泵的变频调速变流量节 电运行几乎用不 上的 情 况 ， 开发出 L z F制式风机和 电泵调 速节 电 变频器 。它 的电能形 态 只经 过 一次 小变 换 ， 电能损失最 小 ， 效率 可达 9 3 ； 制 造 工 艺简 单 ， 成本 比通 用变频 器低 7 0 ： 样 机经 检 验 渊试 ， 节 电率 平均 为 4 0 9 6 。 由此 看来 ， 似 乎 通用 型又在 向专用型方向发展 。 现 代控制理论 在变频器发展过 程 中， 矢量 控 制理 论 起 到 至关重要的作用。矢量控制也称磁场 定向 控制 ， 其基本点是 以转子磁通 定向 ， 然后分 解 定子电流， 使之成为转矩和磁场两个分量 经 过坐标变换实现正 交或解耨控制 。它有 良好 的静动态性能和 直接控制性 能 ， 但通 常 需要 检测速度 减 小 的速 度传 感器 ， 构 成 速 度 ( 转 矩) 闭环控 制。不 采用速度传 感 器构 成 矢量 控制系统的研究也非常活跃， 技术关键 是速 度辨识方法、 磁通控制策略和参数辨识。国 内外理论界和产业界对这些关键技术的研究 信产品与节) 1 蛳 卑 t l 期 3 5 - 维普资讯 http:/ 一变频技术 及实用化 取得 很大进 展 融通 用 型变 频器 中。九 十年代 初 ， 无 速度 传感器 矢 量控 制调 速 系 统 用 来 改 进 通 用 变 频 器 性 能 国 外 A BB 、 G E、 西门子 、 日立 、 东芝 、 三菱 、 安川 、 住 友 、 散肯 、 富士 电机 、 金星 等公 司有多种 系列 产品商 品 化。通 过 F C、 VC、 S C板就 可 分 别 实现频 率 、 矢 量 和 伺服 控制 ， 并将 自适 应 控 制 、 模糊 控制 、 神经元控制等理 论应 用于产品 中。无速 度传感器的矢量控制变颧 器产 品调 速 范围 l ： 5 0左 右 ， 个 别厂 家有 l ： 7 5甚 至更 高的产 品。 九 十年 代 中期 ， A l l 3 公 司将直 接转 矩控 制理论( 简称 ur C ) 用在通用变频器的设计之 中， 研制出称其为无速度传感器直接转矩控制 变频 器。D TC与矢量 控制 不 同， 它不是 通 过 控制 电流、 磁链 等量来 间接控制转矩 ， 而 是直 接把转矩作为被控制量来控制的 。 原理上无需 转速信息。控制上对除定子电阻外 ， 所有电机 参数变化性能 良好 ， 所引入的定子磁链观 测器 能很容易估算 出同步速度信息 ， 方便地实 现无 速度传 感 器化。A 髓 公 司的 A c s 6 0 o系列 已 达到 2 ms的转矩 响 应。 日本 安川公 司 VS - 6 7 5 系列 的速度 控制精度为 0 2 ( 无 测速 机) 、 0 0 1 ( 带测速机) ， 转矩控制精度 3 。富士 电机 公 司的 矸i N 5 0 G9 P 9也 采 取 了类似 ur C的设计 。 高速徽控崩器 适 用变 频器 性能 不断提 高 但售 价并 不 比以前 昂贵 ， 其 主要原 因是得 益于实 现控 制 算 法的棱心 器件 微控 制器 ( 简 称 MC U) 技 术 的高速 发展 。 自九 十年代初美 国英 特尔公 司 推 出 8 X1 9 6 【 c 仰系列和摩托罗 拉公 司 的 M05 8 HC l 6系列专 门用于 电机 控制的 MCU 以来 ， MCU 在 速 度 、 功能 、 性 价 比等方 面 都 有很大进展 。例 如 ， 日本 三菱 电机开 发 出用 于 电 机 控 制 的 M3 7 7 0 5 ， 美 国 德 州 仪 器 的 2 0 Q 4 0 D 都 是颇具代 表性 的产 品。 目前 ， MCU 已 经 发展 到 3 2位 ， 结 构也 不 断 改进 。 由冯 诺依 曼式 的总线 结构 向适 合 于 高速信 号处理 的哈佛 式、 改 良型哈佛式 总线， t毫产矗与节 l ， 盼 卑纂 4 期 结构过 渡 ， 指 令速 度达到数 百 MI P S ( 百万 指 令 ) ， 速度 提 高十 至一百 倍。制 作上 采 用 超大规模集成 电路 生产技术 。生产工艺 由当 初的 3 肿改进 为现在的 0 2 5 ,u rn， 芯片寻址 、 数据吞吐 、 并行处理 的能力极大提 高 ， 为变频 器的无传感 器实 时控 制创造 了条件 ， 且具 更 有效的控制 能力 。作为新 一代 的电机控制用 数字信号处理器 ( D s P ) ， 把控制 电机所需要 的外设部件 和 DS P芯核制 作在同一 芯片 上 ， 减少 控制系统所 需器件数量 。 同时也可降低 控制 系统 总成 本 ， 使交流调速 电机 的 全数 字 化交 流伺 服 系统 成为 可能 ， 用软 件代 替模 拟 器件 ， 方便 地修 改 控制策 略与 控制参 数 。此 外 ， 还可具 备故障监测 、 自诊断和上位机 管理 及通讯等 功能 。 目前 ， 比较 有代 表性 的产 品是 德 州仪 器 公司 的 嗍2 0 ( = 2 加 、 英特 尔公 司 Mc s 2 9 6 系列 、 摩 托 罗拉 公 司 ) 5 6 8 0 0 、 模 拟 器件 公 司 A DMC 3 3 0 3 3 1等 型 号 的 电 机 控 制 器 。 A DMC3 3 1是针 对 电 冰 箱 、 空调 机 、 洗 衣 机 、 电风扇等 家 电类产 品而开发 的。它 用于控制 交流感 应 电 机 、 永 磁 同步 电机 、 无 刷 直 流 电 机、 开关磁阻电机等 达到无传感器的反馈控 制 省 电节 能 ， 效率 可提 高 3 0 至 5 0 。没 有新 一代 高 速 MC U， 要 实现 直 接 转 矩 控 制 是困难 的。 脉宽调 镧技术 P WM 控制可 同时实现 变 频变压 及抑 制 谐波 ， 在交流传 动 乃至 其它 能量变 换 系统 中 得到广泛 应用 ， 是变频控 制技术 的核心之一 。 从最初采 用模 拟 电路完成三角调制波与 参考 正弦波 比较 ， 产 生 正 弦 脉宽 调 制 S 信 号 ， 控制功率 器件 的开 关状态 和 开关 持续 时 间， 有效 地改 善 电机控 制性 能 。到 目前采 用 全数字 化 方 案 ， 完 成优 化 的 实 时在 线 P WM 信号输 出， P WM 在各种应用场合 仍占主导 地位 ， 并一 直 是研 发 热 点。P WM 控制 技 术 大约分为正弦、 优化 、 随机等三大类 ， 共 同课 题是转矩 脉动和 电磁噪音 。 正弦 P WM 包 括 以电压 、 电流 或 磁 通 的 维普资讯 http:/ 正弦为 目标 的 各 种 P WM 方 案 以及多 重化 P WM， 旨在改善输出电压、 电流波形 降低电 源系统谐 波的多 重化 。硎技术在 大 功率 变颡器 中有其独 特优 势 ， 变频 电路有 采 用双 F WM 变流 电路 的趋 势 ， 未来 的发 展 主要 是 进一步改善性 能与增大容量 。正在研究的三 段式变 频 器 是 多 重化 技 术 的 新 发展 。优 化 F WM 的开发 目标是 实现 电流 谐波畸 变率 最 小 ， 电压 利用率 最高 ， 效 率最 优 ， 转 矩 脉动最 低以及 其 它 特定 优 化 目标 。GTR在八 十 年 代大量用 于 变 频器 ， 因 GTR开 关 频率 不 超 过 5 k k， 产 生电机绕 组 电磁噪声及谐 波引起 的振 动。 为 改 善 这 一 状 况 ， 研 究 出 随 机 F WM 方 法。其 原理 是 随机 改 变 开 关频 率 ， 通 常的作法是按 1 ： 3的 比饲周期性地改变载 波频率 ， 使电机电磁噪声近似 为限带 白噪声 ， 尽 管噪声的总 分 贝数 未 变 ， 但 以固定 开关 频 率 为特征 的有色噪声强度将 大幅度削弱。随 机 硎技术 为消除 机械 和 电磁 噪声提供 了 一 个分 析 、 解 决问题 的全新思路。 功 率开关器件 从 直流逆变成交流这个环节是变颡器技 术 的关 键 所 在。 其 中 所用 器 件是 功率 开关 管 ， 它 的发 展是 经 历 了 S C R、 佣 、 I G B T 以 及 I P M 、 可关 断 晶闸 管 Gm 等 各具 代 表特 色 的时代 ， 开关频率高 ， 器 件损 耗小。 I G B T、 I P M 是 目前 通 用变 频 器 中最 广 泛使用 的主 流 功率器 件。 I G且 r r发 展到 第 四代 产 品 集 射极 电压 Vc E 降低 5 0 ( 1 5 V) ， r f 改善 了 6 0 ( 0 2 5 ) 开 关特 性 更 加 突 出。 单 管研 制 水 平 为 4 5 k v 1 k A， 模 块 3 5 k v 1 2 k A， 专为 电机 控 制而 研 制 的 I G且 r r模 块有多 种 品牌 系 列。 研制 成功 wA RP型超 快 速 I GB T， 开关 频率 达 1 5 0 k I - I z ， 与 额 定 输 出 功 率 相 当 的 M0 H汀 相比， 管芯面积减少 4 0
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