淺談交流變頻調速技術的發展

摘 要：文章闡述了交流變頻調速技術的發展、原理及各種變頻器的優缺點，為我們合理 選用變頻器提供了理論基礎。
　　關鍵詞：變頻調速技術;電力;電子器件;數字微處理器お

　　近20年來，雖然以 功率晶體管(GTR)作為逆變器功率器件，8位微處理器為控制核心，按壓頻比(U/f)控制 原理實現異步電動機調速的變頻器，在性能和品種上出現了巨大的技術進 步，但下列技術的進步，使變頻調速技術進一步得到提升：其一，所有的電力電子器件GTR 已經基本上為絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)所替代，進而廣泛采用性能更為完善的智能功率 模塊(IPM),使得變頻器的容量和電壓等級不斷地擴大和提高;其二，8位微處理器基本被1 6位微處理器所替代，進而有采用功能更強的32位微處理器或雙CPU，使得變頻器的功能從單 一的變頻調速功能發展為含有邏輯和智能控制的綜合功能;其三，在改善壓頻比控制性能的 同時，推出能實現矢量控制和轉矩直接控制的變頻器，使得變頻器不僅能實現寬調速，還可 進行伺服控制。

　　變頻調速技術的發展，大體可以從如下4個方面進行綜述。

　　1 電力電子器件的更新

　　逆變器從采用晶閘管半控器件到采用GTR全控器件，其輸出波 形從交流方波發展為脈寬調制(PWM)波形，大大減小了諧波分量，拓寬了異步電動機變頻 調速范圍，并減小了轉矩的脈動幅度。然而，GTR工作頻率一般在2kHz以下，載波頻率和最 小脈寬都受到限制，難以得到較為理想的正弦波脈寬調制波形，使異步電動機在變頻調速時 產生噪聲。

　　IGBT的工作頻率可在10~20kHz之間，與GTR相比，不僅工作頻率高出一個數量級，而且 在電壓和電流指標均已超出GTR。由于逆變器載波頻率的提高，以及可以構成特定的PWM波形 ，異步電動機變頻調速控制器的諧波噪聲大為降低。

　　智能功率模塊(IPM)是以IGBT為開關器件，同時含有驅動電路和保護電路的一種功率集 成器件(PIC)。IPM的保護功能有過電流、短路、欠電壓、過電壓和過熱等，還可以實現再 生制動。由IPM組成的逆變器只需對橋臂上各個IGBT提供隔離的PWM信號即可。簡單的外部電 路和控制電路的集成化，使變頻器體積大為減小。還有，由于功率開關器件的故障檢測和保 護電路接近故障點，故可以抑制故障擴大，保證裝置可靠運行。

　　2 控制策略的發展
　　第1代變頻器采用的是恒壓頻比控制方式，它根據異步電動機等效 電路確定的線性進行變頻調速。電壓是指基波的有效值，改變U/f只能調節電動機的穩態磁 通和 轉矩，談不上動態控制。為提高低頻時電動機產生的轉矩，通常采用提升電壓以及隨負載變 化補嘗定子繞組電壓降的辦法，可以拓寬變頻調速范圍至20∶1左右。

　　第2代變頻器的主要特征是采用矢量控制方式，它參照直流電動機的控制方式，將異步 電動機的定子電流空間矢量分解為轉子勵磁分量和轉矩分量。首先是要控制勵磁，所以又把 矢量控制稱為磁場定向控制。至于轉矩的控制則是間接的。矢量控制的主要缺點是需要復雜 的坐標變換運算，以及需檢測轉速信號。因此，進一步提出無速度傳感器矢量控制的方法， 它根據異步電動機實際運行的相電壓和相電流，以及定轉子繞組參數推算出轉速觀測值，以 實現磁場定向的矢量控制。由于轉速觀測值的精度受到所用計算參數與電動機實際運行參數 之間偏差大小的影響，所以無速度傳感器矢量控制的調速精度和范圍，均低于帶速度編碼器 的矢量控制方案。一般前者的調速精度為1%，輸出額定轉矩時的最低頻率只能達到1Hz左右 ，而后者調速精度為0.01%，最低頻率為0.1Hz。

　　與矢量控制并行發展的還有直接轉矩控制方式，它以異步電動機的轉矩作為被控量，強 調轉矩的直接控制效果，并不刻意追求輸出電流為正弦波形。異步電動機的直接轉矩控制是 直接在定子坐標上計算磁鏈的幅值和轉矩的大小，對其進行直接跟蹤調節，以獲得迅速的動 態響應，其響應速度可小到1~2ms。從轉矩調控要求看，磁鏈有點誤差，并不會對轉矩控制 性能產生重大影響。這種控制方式的優點是對電動機參數變化不敏感。

　　近幾年來，不依賴電動機模型的模糊自尋優控制、人工神經網絡等智能化控制方法開始 引入到交流調速系統中，成為交流調速控制理論、控制技術新的研究發展方向。

　　3 數字微處理器的應用

　　數字化使得控制器對信息的處理能力大幅度提高 ，許多難以實現的復雜控制，采用微機控制器后便都解決了。高性能的矢量控制系統，如果 沒有微機的支持是不可能真正實現的。此外，微機控制技術給交流調速系統增加了多方面的 功能，特別是故障診斷技術得到了完全的實現。

　　微機控制技術及大規模集成電路的應用提高了交流調速系統的可靠性，操作、設置的多 樣性和靈活性，降低了變頻調速裝置的成本和體積。

　　以微處理器為核心的數字控制已成為現代交流調速系統的主要特征之一，用于交流調速 系統的微處理器發展情況簡介如下：

　　3.1 單片機

　　開始采用微機控制時，總要選用CPU、ROM、RAM、定時器/ 計數器、I/O、 A/D、D/A等芯片，組成最小微機系統。為了適應這種需要，一些公司開始在一塊芯片上直接 集成這些部件，稱為單片機。就其組成而言，可以說，一片單片機芯就是一臺計算機，大大 縮小了控制器的體積，降低了成本，增強了功能。隨著單片機性能不斷提高，單片機具有了 豐富的硬件資源和軟件資源。然而單片機對大量數據處理或浮點運算能力有限，因此有待于 進一步提高運算速度。

　　3.2 數字信號處理器(DSP)

　　為了提高運算速度，20世紀80年代初期出現了數字信號 處理器，其中采取了一系列措施，包括集成硬件乘法器、提高時鐘頻率、支持浮點運算等， 以提高運算速度。近幾年來，將DSP做成磁心，把PWM生成、A/D變換器等集成于一個芯片上 ，成為一種32位的速度高、功率強大的單片機，其應用日益廣泛。
　　3.3 精簡指令集計算機

　　RISC在1986年前后問世，它是將控制器、PWM、A/D等組成一 體做成芯片，是計算機體系結構上的一次突破，使微處理器在性能上獲得了質的飛躍。微處 理器的進步往往只靠改進VLSI(超大規模集成)硬件的工藝，來提高時鐘頻率和微處理器速 度。RISC則把著眼點放在經常使用的基本指令的執行效率上，依靠硬件與軟件的優化組合來 提高速度。在RISC中，揚棄了運算復雜而用處不大的指令，省出這些指令所占用的硬件資源 ，以提高簡單指令的運行速度。自RISC誕生以來，經過10多年的發展，其工作速度已從2~3M IPS提高到1000MIPS。

　　3.4 高級專用集成電路

　　ASIC也稱為適合特定用途的IC，是專用芯片的標準單元、門 陣列合在一起的內部門陣列和作為程序使用的可編程邏輯陣列的結構。能完成特定功能的初 級專用集成電路早已商品化，例如交流變壓變頻用的SPWM波形發生器有HEF4752、SLE4520。 高級專用集成電路的功能遠遠超過一個發生器，往往能夠包括一種特定的控制系統，例如德 國IAM1994年推出的VECON,它是一個交流伺服系統的單片矢量控制器，能完成矢量運算的DSP 協處理器、PWM定時器，以及其他外圍和接口電路，都集成在一個芯片之內，使可靠性大大 提高。

　　4 功能綜合化

　　新一代的變頻器由于具有功能很強的微處理器支持，除能完成電動機變頻調速的基本 功能外，還具有內置的可編程、參數辨識及通訊等功能。例如：

　　4.1 自動加減速
　　變頻器可實現模糊最優加減速，它根據電動機的負載狀態而自動 設定加減速的最短時間;或者在設定的最短加減速時間內，將加速電流限制，將減速的直流 過電壓控制在允許值以內。

　　4.2 程序運行

　　變頻器可以根據預設的速度值和運行時間執行多段程序運行。例如 ，各段運行時間、加減速時間以及正反向均可事先設定。

　　4.3 節電運行

　　變頻器能自動選定輸出電壓，使電動機運行于最小電流狀態，從而 使電動機損耗最低，其效率在原有節能基礎上再提高3%。

　　4.4 電動機參數辨識

　　無速度傳感器矢量控制變頻器需要根據電動機參數推算轉速 觀測值。一般制造廠商將變頻器供電的標準電動機參數事先設定好，也可以由用戶將所有電 動機的參數進行新的設定。新型變頻器也可以做到第一次試運行時按規定程序自動辨識電動 機參數并打印出來。這樣就拓寬了變頻器的應用范圍，而且使用很方便。

　　4.5 通訊和反饋功能

　　新型變頻器一般都帶有RS232/422/485通訊接口，可以實現 上位工控機對變頻器的1對1或1對多的通訊功能，可將上位機的運行指令下達，或將變頻器 的運行狀態上傳。在需要高精度控制時，可選用編碼器，將轉速反饋信號反饋到變頻器，構 成閉環系統。變頻器的通訊功能，對于不同的廠家有不同形式。完善的軟件功能和規范的通 訊協議，使它可實現靈活的系統組態，組成現場總線系統，變頻器在其中作為通訊的從站和 傳動執行裝置。

　　5 結束語

　　交流調速技術的發展過程表明，現代工業生產及社會發展的需要推動了交 流調速的飛速發展。現代控制理論的發展和應用、電力電子技術的發展和應用、微機控制技 術及大規模集成電路的發展和應用，為交流調速的飛速發展創造了技術和物質條件。