變頻調速技術與應用主講時宗亮2013-03-27第1章概述內容提要與學習要求了解異步電動機調速概況。了解變頻調速技術的發展過程。了解我國變頻調速技術的發展狀態。

1．1調速傳動概況

1．調速傳動的意義眾所周知，所有的生產機械、運輸機械在傳動時都需要調速。首先，機械在啟動時，根據不同的要求需要不同的啟動時間，這樣就要求有不同的啟動速度相配合；其次，機械在停止時，由于轉動慣量的不等，所以自由停車時間也各不相同，為了達到人們所需求的停車時間，就必須在停車時采取一些調速措施，以滿足對停車時間的要求；第三，機械在運行當中，根據不同的情況也要求進行調速，例如，風機、泵類機械為了節能，要根據負載輕重進行調速；機床加工，要根據工件精度的不同要求進行調速；運輸機械為了提高生產率需要進行調速；電梯為了提高舒適度也需要進行調速；生產過程為了提高控制要求，必須進行閉環速度控制等。總之，所有機械傳動都需要進行調速。2．調速傳動的發展調速傳動在以蒸汽源為主時，只能采用蒸汽式機械調速傳動。但因其效率低、單位輸出功率的重量大，所以自內燃機（柴油機或汽油機）出現后，蒸氣式機械調速傳動便被其代替。然而內燃機調速傳動效率仍然較低，不過由于單位輸出功率的重量小，機械體積小，所以在不便使用電源的地方（如汽車、船舶等），仍采用內燃機調速傳動。自從電出現以后，因其輸送容易、使用方便、維修簡單、效率高，所以電動調速傳動得到迅速發展。一開始采用的是直流電動機調速傳動，但由于直流電動機維修較難，且容量受限，所以交流電動機調速傳動又得到了飛速的發展。然而在很長一段時間內交流電動機調速性能遠不如直流電動機調速性能好，故直流電動機調速傳動在調速性能要求很高的地方仍被采用。最近十多年來，由于電力電子器件與微電子、單片機及PWM控制技術的迅猛發展，出現了交流電動機變頻調速傳動，其效率較高、操作方便，而且調速性能可以與直流電動機調速傳動相媲美，所以交流變頻調速傳動是目前最好的調速傳動方式。

3．異步電動機調速概況各行各業的生產都離不開電動機，而結構簡單、價格便宜的異步電動機被廣泛采用。對異步電動機調速控制技術又是交流電動機控制技術中的核心。異步電動機調速經歷了以下3個階段。（1）繼電器開環控制階段。這個階段經歷了50年左右。自從有了交流電，用接觸器控制電動機，并逐步采用了各種中間繼電器、時間繼電器實現了開環的自動控制，也就是運動控制的初級階段。這種控制很難滿足現代化生產高效低耗的要求。對應用最廣的鼠籠式異步電動機，其啟動電流大、啟動轉矩小，既沖擊電網，又不能調速。當電動機容量較大時，啟動設備體積大、噪聲高、維修困難。繞線式異步電動機轉子串電阻的方法，雖說解決了啟動問題，也可實現簡單調速，但缺點很多，不但調速性能差，而且容量及使用環境也受到了很大的限制。（2）SCR閉環控制階段。該階段經歷了20年左右，自從品閘管（SCR）出現后，使異步電動機調速控制向前邁進了一大步，對鼠籠式異步電動機來說，采用對晶閘管的移相控制，可以實現調壓調速，但必須要閉環控制，才能得到較理想的調速性能。對繞線式異步電動機來說，可用晶閘管制成逆變器實現申級調速，加上閉環控制，不但提高調速性能，還能回收轉差能量，曾經稱為當時最好的調速方法。但由于繞線式異步電動機存在集電環電刷問題，所以也滿足不了現代化生產的需要。（3）變頻器控制的發展過程。該階段只有15年左右的時間，并且在短短的十幾年時間就經歷了以下幾個過程：第一個過程是交一交變頻，它采用晶閘管直接變工頻電流為可調的低于1／2工頻頻率電流的電源。這種電源調速范圍受到很大限制，這個過程很短，很快就進入了第二個過程，即交一直一交變頻。這種變頻方式主要采用了逆變器，逆變器的功率元件最初采用的是SCR，控制技術為脈寬調制（PWM）；而后逆變器的功率元件采用BJT，控制技術也由模擬量控制發展為數字量控制；現在逆變器的功率元件已采用IGBT，控制技術也發展為32位多微機矢量控制，可以在150us內對巨大電流進行閉環控制，進入了真正的運動控制階段。BipolarJunctionTransistor4．調速傳動的主要指標（1）調速范圍：最高轉速與最低轉速之比。（2）調速的平滑性：在調速范圍內，以相鄰兩擋轉速的差值為標志，差值越小調速越平滑。（3）調速的工作特性：調速的工作特性有兩個方面，靜態特性和動態特性。靜態特性主要反應的是調速后機械特性的硬度。對于絕大多數負載來說，機械特性越硬，則負載變化時，速度變化越小，工作越穩定。所以希望機械特性越硬越好。動態特性即暫態過程中的特性，主要指標有兩個方面：升速（包括啟動〕和降速（包括制動）過程是否快捷而平穩；當負載突然增、減或電壓突然變化時，系統的轉速能否迅速地恢復。（4）調速的經濟性：主要從設備投資、調速后的運行效率和調速系統的故障率3個方面進行考慮。1．2變頻調速技術的發展過程變頻技術是應交流電機無級調速的需要而誕生的。自20世紀60年代以來，電力電子器件從SCR晶閘管）、GTO門極可關斷晶閘管）、BJT雙極型功率晶體管）、MOSFET金屬氧化物場效應管）、SIT（靜電感應晶體管）、SITH（靜電感應晶閘管）、MGT（MOS控制晶體管）。MCT（MOS控制晶閘管)發展到今天的IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）。HVIGBT（耐高壓絕緣柵雙極型晶閘管）等，器件的更新促使電力變換技術不斷發展。自20世紀70年代開始，脈寬調制變壓變頻（PWM－VVVF）調速研究引起了人們的高度重視。20世紀80年代，作為變頻技術核心的PWM模式優化問題吸引著人們的濃厚興趣，并得出諸多優化模式。20世紀80年代后半期，美、日、德、英等發達國家的VVVF變頻器已投入市場并廣泛應用。

VVVF，是VariableVoltageandVariableFrequency的縮寫，意為：可變電壓、可變頻率，也就是變頻調速系統。VVVF控制的逆變器連接電機，通過同時改變頻率和電壓，達到磁通恒定（可以用反電勢/頻率近似表征）和控制電機轉速（和頻率成正比）的目的，所以多應用在變頻器中。VVVF變頻器的控制相對簡單，機械特性硬度也較好，能夠滿足一般傳動的平滑調速要求，已在生產的各個領域得到廣泛應用。但是，在低頻時這種控制方式，由于輸出電壓較小，受定于電阻壓降的影響比較顯著，故造成輸出最大轉矩減小。另外，其機械特性終究沒有直流電動機硬，動態轉矩能力和靜態調速性能都還不盡如人意，因此人們又研究出矢量控制變頻調速技術。什么是VVVF？矢量控制變頻調速的做法是：將異步電動機在三相坐標系下的定子交流電流Ia、Ib、Ic，通過三相—二相變換，等效成兩相靜止坐標系下的交流電流Ia1、Ib1，再通過按轉子磁場定向旋轉變換，等效成同步旋轉坐標系下的直流電流Im1、It1（Im1相當于直流電動機的勵磁電流；It1相當于與轉矩成正比的電樞電流），然后模仿直流電動機的控制方法，求得直流電動機的控制量，經過相應的坐標反變換，實現對異步電動機的控制。矢量控制方法的提出具有劃時代的意義，然而在實際應用中，由于轉子磁鏈難以準確觀測，系統特性受電動機參數的影響較大，且在等效直流電動機控制過程中所用矢量旋轉變換較復雜，使得實際的控制效果難以達到理想分析的結果。因此人們又想出了直接轉矩控制變頻技術1985年，德國魯爾大學的DePenbrock教授首次提出了直接轉矩控制變頻技術。該技術在很大程度上解決了上述矢量控制的不足，并以新穎的控制思想、簡潔明了的系統結構、優良的動靜態性能得到了迅速發展。目前，該技術已成功地應用在電力機車牽引的大功率交流傳動上。直接轉矩控制的優點是它直接在定子坐標系下分析交流電動機的數學模型、控制電動機的磁鏈和轉矩。它不需要將交流電動機轉化成等效直流電動機，因而省去了矢量旋轉變換中的許多復雜計算；它不需要模仿直流電動機的控制，也不需要為解耦而簡化交流電動機的數學模型。解耦的概念：首先要明確有個“耦合”的物理概念，耦合是指兩個或兩個以上的體系或兩種運動形式間通過相互作用而彼此影響以至聯合起來的現象。

數學中解耦是指使含有多個變量的數學方程變成能夠用單個變量表示的方程組，即變量不再同時共同直接影響一個方程的結果，從而簡化分析計算。選擇適當的控制規律將一個多變量系統化為多個獨立的單變量系統的控制問題。在解耦控制問題中，基本目標是設計一個控制裝置，使構成的多變量控制系統的每個輸出變量僅由一個輸入變量完全控制，且不同的輸出由不同的輸入控制。電機的解耦主要是指能分別控制電機的勵磁電流以及轉矩電流而不會相互影響，異步電機的主要研究就是關于如何解決其耦合問題，異步電機的解耦便是將定子綜合矢量電流分解成等效轉矩分量以及等效勵磁電流分量使得兩分量能分別控制而不會相互影響。

交流變頻調速新的發展方向：

VVVF變頻、矢量控制變頻、直接轉矩控制變頻都是交一直一交變頻中的一種。其共同缺點是輸入功率因數低，諧波電流大，直流回路需要大的儲能電容器，再生能量又不能反饋回電網，即不能進行四象限運行。為此，矩陣式交一交變頻應運而生。由于矩陣式交一交變頻省去了中間直流環節，從而省去了體積大、價格貴的電解電容器。它能實現功率因數為1，具有輸入電流為正弦、能四象限運行、系統的功率密度大等優點。該技術目前雖尚未成熟，但仍吸引著眾多的學者深入研究。

1．3我國變頻調速技術的發展狀況近10年來，隨著電力電子技術、計算機技術、自動控制技術的迅速發展，電氣傳動技術面臨著一場歷史革命，即交流調速技術取代直流調速技術、計算機數字控制技術取代模擬控制技術已成為發展趨勢。電機交流變頻調速技術是當今節電、改善工藝流程以提高產品質量和改善環境、推動技術進步的一種主要手段。變頻調速以其優異的調速啟動、制動性能，高效率、高功率因數和節電效果，廣泛地適用范圍及其他許多優點而被國內外公認為最有發展前途的調速方式。

1．3.1我國變頻調速技術的發展概況電氣傳動控制系統通常由電動機、控制裝置和信息裝置3部分組成。電氣傳動關系到合理地使用電動機以節約電能和控制機械的運轉狀態（位置、速度、加速度等），實現電能一機械能的轉換，達到優質、高產、低耗的目的。電氣傳動分成不調速和調速兩大類，調速又分交流調速和直流調速兩種方式。不調速電動機直接由電網供電，但隨著電力電子技術的發展這類原本不調速的機械越來越多地改用調速傳動以節約電能（可節約15%—20％或更多）。改善產品質量、提高產量。在我國60％的發電量是通過電動機消耗的，因此調速傳動是一個重要行業，一直得到國家重視，目前已形成一定規模。交流調速中最活躍、發展最快的就是變頻調速技術。變頻調速是交流調速的基礎和主干內容。上個世紀變壓器的出現使改變電壓變得很容易，從而造就了一個龐大的電力行業。長期以來，交流電的頻率一直是固定的，變頻調速技術的出現使頻率變為可以充分利用的資源。我國電氣傳動與變頻調速技術的發展應用見表l－l所示。我國是一個發展中國家，許多產品的科研開發能力仍落后于發達國家。至今自行開發生產的變頻調速產品大體只相當于國際上20世紀80年代水平。隨著改革開放，經濟高速發展，變頻調速產品形成了一個巨大的市場，它既對國內企業，也對外國公司敞開。很多最先進的產品從發達國家進口，在我國運行良好，滿足了國內生產和生活需要。國內許多合資公司生產當今國際上最先進的變頻調速產品并進行應用軟件的開發，為國內外重大工程項目提供一流的電氣傳動控制系統。在變頻調速領域，我國雖然取得了很大成績，但應看到由于國內自行開發、生產產品的能力弱，對國外公司的依賴性仍較嚴重。

1．3．2目前國內主要的產品狀況

1．晶閘管交流器件和開關器件（BJT、IGBT、VDMOS）斬波器供電的直流調速設備這類設備的市場很大，隨著交流調速的發展，該設備雖在縮減，但由于我國；舊設備改造任務多，以及它在幾百至一千多千瓦范圍內價格比交流調速低得多，所以在短期內市場不會縮減很多。自行開發的控制器多為模擬控制，近年來主要采用進口數字控制器配國產功率裝置。

2．IGBT或BJTPWM逆變器供電的交流變頻調速設備這類設備的市場很大，總容量占的比例不大，但臺數多，增長快，應用范圍從單機擴展到全生產線，從簡單的V／f控制到高性能的矢量控制。目前，國內約有50家工廠和公司生產該類設備，其中合資企業占很大比重。

3．負載換流式電流型晶閘管逆變器供電的交流變頻調速設備這類產品在抽水蓄能電站的機組啟動，大容量風機、泵、壓縮機和軋機傳動方面有很大需求。國內只有少數科研單位有能力制造，目前容量最大做到12MW。功率裝置國內配套，自行開發的控制裝置只有模擬的，數字裝置需進口，能自行開發應用軟件。VDMOS（verticaldouble-diffusionmetal-oxide-semiconductor）垂直雙擴散金屬-氧化物半導體場效應晶體管VDMOS兼有雙極晶體管和普通MOS器件的優點。與雙極晶體管相比，它的開關速度，開關損耗小；輸入阻抗高，驅動功率小；頻率特性好；跨導高度線性。特別值得指明出的是，它具有負的溫度系數，沒有雙極功率的二次穿問題，安全工作出了區大。因此，不論是開關應用還是線性應用，VDMOS都是理想的功率器件。

4．交一交變頻器供電的交流變頻調速設備這類產品在軋機和礦井卷揚傳動方面有很大需求，臺數不多，功率大，主要靠進口，國內只有少數科研單位有能力制造。目前最大容量做到7000－8000kw。功率部分可國產，數字控制裝置依賴進口，包括開發應用軟件。1．4變頻技術的發展方向交流變頻調速技術是強弱電混合、機電一體的綜合性技術，既要處理巨大電能的轉換（整流、逆變），又要處理信息的收集、變換和傳輸，因此它的共性技術必定分成功率和控制兩大部分。前者要解決與高電壓大電流有關的技術問題，后者要解決控制模塊的硬、軟件開發問題。其主要發展方向有如下幾項。

1．主電路逐步向集成化、高頻化和高效率發展（l）集成化主要措施是把功率元件、保護元件、驅動元件、檢測元件進行大規模的集成，變為一個IPM的智能電力模塊，其體積小。可靠性高、價格低。（2）高頻化主要是開發高性能的IGBT產品，提高其開關頻率。目前開關頻率已提高到10－15kHZ，基本上消除了電動機運行時的噪聲。（3）提高效率的主要辦法是減少開關元件的發熱損耗，通過降低IGBT的集電極一射極間的飽和電壓來實現，其次，用不可控二極管整流采取各種措施設法使功率因數增加到l。現在又開發了一種新型的采用PWM控制方式的自換相變流器，已成功地用做變頻器中的網側變流器，電路結構與逆變器完全相同，每個橋臂均由一個自關斷器件和一個二極管并聯組成。其特點是：直流輸出電壓連續可調，輸入電流（網側電流）波形基本為正弦，功率因數可保持為1，并且能量可以雙向流動。2．控制量由模擬量向數字量發展由變頻器供電的調速系統是一個快速系統，在使用數字控制時要求的采樣頻率較高，通常高于IkHZ，常需要完成復雜的操作控制、數學運算和邏輯判斷，所以要求控制變頻器的單片機具有較大的存儲容量和較強的實時處理能力。前段時間，較為流行的方案是采用數片單片機來構成一個功能較強的全數字控制器。在實際使用時單片機的數量常根據具體任務而定。全數字控制方式，使信息處理能力大幅度地增強。采用模擬控制方式無法實現的復雜控制在今天都已成為現實，使可靠性、可操作性、可維修性，即所謂的RAS（Reliability，Availability，Serviceability）功能得以充實。微機和大規模集成電路的引入，對于變頻器的通用化起到了決定性的作用。全數字控制具有如下特點：（1）精度高。數字計算機的精度與字長有關，變頻器中常使用16位乃至32位微機作為控制機，精度在不斷提高。（2）穩定性好。由于控制信息為數字量，不會隨時間發生漂移。與模擬控制不同，它一般不會隨溫度和環境條件發生變化。（3）可靠性高。微機采用大規模集成電路，系統中的硬件電路數量大為減少，相應的故障率也大大降低了。（4）靈活性好。系統中硬件向標準化、集成化方向發展，可以在盡可能少的硬件支持下，由軟件去完成復雜的控制功能。適當地修改軟件，就可以改變系統的功能或提高其性能。（5）存儲容量大。存儲容量大，存放時間幾乎不受限制，這是模擬系統不能比擬的。利用這一特點可在存儲器中存放大量的數據或表格，利用查表法可簡化計算，提高運算速度。（6）邏輯運算能力強。容易實現自診斷、故障記錄、故障尋找等功能，使變頻裝置可靠性、可使用性、可維修性大大提高。

3．向多功能化和高性能化發展多功能化和高性能化電力電子器件與控制技術的不斷進步，使變頻器向多功能化和高性能化發展。特別是隨著微機的應用，以其簡單的硬件結構和豐富的軟件功能，為變頻器多功能化和高性能化提供了可靠的保證。人們總結了交流調速電氣傳動的大量實踐經驗，并不斷融入軟件功能，日益豐富的軟件功能使通用變頻器的適應性不斷增強，僅舉幾例說明如下：轉矩提升功能使低速下的轉矩過載能力提高到150％，使啟動和低速運行性能得到很大的提高；轉差補償功能使異步電動機的機械特性n=f(T)的硬度甚至大于工頻電網供電時的硬度，額定轉矩下的轉速降比無補償時減小1／3－2／3，提高了穩態下的轉速穩定度（應該指出，這是用簡單的開環控制達到的指標，并不需要閉環控制）；瞬時停電、短時過載情況下的平衡恢復功能防止了不必要的跳閘，保證了運行的連續性，這對某些不允許停車的生產工藝十分有意義；控制指令和控制參數的設定，可由觸摸式面板實現，不但靈活方便，而且實現了模擬控制方式所無法實現的功能，比如多步轉速設定、S形加減速和自動加減速控制等；故障顯示和記憶功能，使故障的分析和設備的維修變得既準確又快速；靈活的通信功能，方便了與可編程序控制器或上位計算機的接口，很容易實現閉環控制等，這里木再列舉。可以這樣說，通用變頻器的多功能化和高性能化為用戶提供了一種可能，即可以把原有生產機械的工藝水平“升級”，達到以往無法達到的境界，使其變成一種具有高度軟件控制功能的新機種。

8位CPu、16位CPU奠定了通用變頻器全數字控制的基礎。32位數字信號處理器（DigitalSigalProcesser，DSP）的應用將通用變頻器的性能提高了一大步，實現了轉矩控制，推出了“無跳閘”功能。目前，最新型變頻器開始采用新的精簡指令集計算機（ReducedInstructionSetComputer，RISC），將指令執行時間縮短到納秒級。它是一種矢量（超標量）微處理器，其性能看重放在常用基本指令的執行效率上，舍棄了某些運算復雜且使用率不高的指令，省下它們所占用的硬件資源用于提高基本指令的運算速度，達到了以“每秒百萬條指令”（MillionInstructionPerSecond，MIPS）為單位來衡量運算速度的程度。有文獻報道，RISC的運算速度可達1000MIPS，即10億次/秒，相當于巨型計算機的水平。指令計算時間為1ns量級，是～般微處理器所無法比擬的。有的變頻器廠家聲稱，以RISC為核心的數字控制，可以支持無速度傳感器矢量控制變頻器的矢量控制算法、轉速估計運算、PID調節器的在線實時運算。正是由于全數字控制技術的實現，并且運算速度不斷提高，使得通用變頻器的性能不斷提高，功能不斷增加。目前出現了一類“多控制方式”通用變頻器，例如，安川公司的VS616－G5變頻器就有：無PG（速度傳感器）V／f控制；有PGV／f控制；無PG矢量控制；有PG矢量控制等4種控制方式。通過控制面板，可以設定（即選擇）上述4種控制方式中的一種，以滿足用戶的需要。還有一種所謂的“工程型”高性能變頻器，完善的軟件功能和規范的通信協議，使它對自身可實現靈活的“系統組態”，對上級控制系統可實現“現場總線控制”，它特別適合在現代計算機控制系統中作為傳動執行機構。4.向大容量化和高壓化發展對一些大型生產機械的主傳動，直流電動機在容量等級方面已接近極限值，采用直流調速方案無論在設計和制造上都已十分困難。某些大容量高速傳動，過去只能采用增速齒輪或是直接以汽輪機傳動，噪聲大、效率低、占地面積大。特大容量交流傳動裝置的發展，填補了這方面的空白。例如，用于傳動裂化氣體壓縮機的21000kw、5900r／min的交一直一交電流型無換向器電動機已于1984年投入運行。這是法國ALSTHOM公司制造的，該公司提供的功率在5000kw以下的無換向