變頻調速的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢論文

1、<p>　　變頻調速技術的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢</p><p>　?。?2級自動化專業(yè) 郭仁和 201200171033） </p><p>　　摘要:針對交流電動機這樣一個非線性、多變量、強耦合的控制對象，為實現(xiàn)其調速系統(tǒng)的有效控制，獲得優(yōu)異的動態(tài)性能，國內外許多學者進行了大量的研究工作，并取得了很大的進展。早期的變頻調速主要采用恒壓比控制方式，20世紀70年代提出的矢量控制技術可以

2、說是交流電動機控制理論領域具有里程碑意義的成果，它使得異步電動機的高性能控制得以實現(xiàn)；此后出現(xiàn)的直接轉矩理論則提高了轉矩響應的動態(tài)性能。近些年來，現(xiàn)代控制理論的發(fā)展、新型大功率電力電子器件的出現(xiàn)，以及微機數(shù)字控制技術的日臻完善，直接促進了變頻調速技術的迅速發(fā)展。</p><p>　　關鍵字： 新型電力電子器件，矢量控制技術，直接轉矩控制技術，PWM控制技術，高壓變頻技術 發(fā)展趨勢</p><

3、p>　　變頻調速技術的發(fā)展現(xiàn)狀</p><p>　　變頻調速技術涉及到電力、電子、電工、信息與控制等多個學科領域。隨著電力電子技術、計算機技術和自動控制技術的進步，以變頻調速為主要代表的近代交流調速技術有了飛速的發(fā)展。20世紀是電力電子變頻技術由誕生到發(fā)展的全盛時期。最初的交流變頻調速的理論誕生于20世紀20年代，直到60年代，由于電力電子器件技術的進步，才促進了變頻調速技術向實用方向發(fā)展。進入90年代，由

4、于新型電力電子器件如I絕緣柵雙極晶體管（IGBT）集成門極換向型晶閘管（IGCT）等的發(fā)展、微處理器性能的大幅度提高，以及先進控制理論和技術的完善和發(fā)展等原因，極大地提高了變頻調速的技術性能，促進了變頻調速技術的發(fā)展使變頻調速技術在調速范圍、驅動能力、調速精度、動態(tài)響應、輸出性能、功率因數(shù)、運行效率及使用的方便性等方便大大超過了其他常規(guī)的交流調速方式，其性能指標亦已超過了直流調速系統(tǒng)，達到了取代直流調速系統(tǒng)的地步。</p>

5、<p>　　國外交流變頻調速技術的現(xiàn)狀具有以下特點： </p><p>　　(1) 在功率器件方面，近年來高電壓、大電流的SCR、GTO、IGBT、IGCT等器件的生產以及并聯(lián)、串聯(lián)技術的應用，使高電壓、大功率變頻器產品的生產及應用成為現(xiàn)實。 </p><p>　　(2) 在微電子技術方面，16位、32位的高速處理器以及DSP和ASIC（專用集成電路Application Sp

6、ecific IC）技術的快速發(fā)展，為實現(xiàn)變頻器高精度、多功能化提供了硬件手段。 </p><p>　　(3) 在控制理論方面，矢量控制、磁通控制、轉矩控制、智能控制等新的控制理論為研制高性能變頻器的發(fā)展提供了相關理論基礎。 </p><p>　　(4) 在產品化生產方面，基礎工業(yè)和各種制造業(yè)的高速發(fā)展，促進了變頻器相關配套件的社會化、專業(yè)化生產。 </p><p>

7、;　　在國家“八五”科技攻關計劃中，交流調速技術被列為重點科技攻關項目。在“九五”計劃中，交流調速及相關技術也受到重視。但是我國電力半導體器件雖然經過較長時間的發(fā)展，總體水平仍然很低，幾乎不具備新產品的獨立開發(fā)能力。IGBT、GTO器件的生產雖引進了國外技術，但一直未形成規(guī)模經濟效益，變頻器產品所用半導體功率器件的制造也幾乎是空白，這在一定程度上影響了變頻調速技術的發(fā)展。從總體上看我國電氣傳動的技術水平較國際先進水平差距10-15年。在

8、大功率交-交變頻技術、無換向器電機等方面，國內雖然有少數(shù)科研單位有能力制造，但在數(shù)字化及系統(tǒng)可靠性方面與國外相比，還有相當差距。在中小功率變頻技術方面，國內幾乎所有的產品都是采用普通V/F控制，僅有少量樣機采用矢量控制，品種與質量還不能滿足市場需要，只能靠大量進口產品滿足需求。</p><p>　　現(xiàn)代變頻調速中的關鍵技術</p><p><b>　　1. 矢量控制技術</

9、b></p><p>　　隨著交流電機在高動態(tài)性能調速領域的不斷應用，對電機控制系統(tǒng)的設計要求也越來越高；再加上電力傳動系統(tǒng)的復雜性和被控對象的特殊性，使得提高電力傳動系統(tǒng)的調速性能成為當前研究的熱點。矢量控制系統(tǒng)有可連續(xù)控制、調速范圍寬等優(yōu)點?，因此矢量控制系統(tǒng)是現(xiàn)代交流調速研究的重要方向之一。盡管交流電機矢量控制技術已在變頻調速領域得到普遍使用，但其仍不夠完善。模糊控制是一種不基于被控對象精確數(shù)學模型的

10、智能控制方法，且能夠保證系統(tǒng)的動靜態(tài)特性。</p><p>　　系統(tǒng)采用轉速閉環(huán)，電流閉環(huán)的矢量控制。系統(tǒng)根據(jù)電流模型進行轉子磁鏈觀測，通過檢測定子電流，并經過三相坐標系到轉子磁場定向的兩相同步旋轉坐標系的變換，得到在dg坐標系上電機定子電流的轉矩分量和勵磁分量舊J。根據(jù)電流模型得到轉子磁鏈，并經過轉速方程計算出轉差，就可以得出轉子磁鏈的位置。定子電流的轉矩分量和勵磁分量通過各自的控制器輸出，并通過兩相同步旋轉坐

11、標系變換到兩相靜止坐標系再來控制脈寬。根據(jù)矢量控制理論，得到控制系統(tǒng)框圖。矢量控制方法的提出，是交流傳動系統(tǒng)的動態(tài)特性得到了顯著的改善，這無疑是交流傳動控制理論的一個質的飛躍。</p><p>　　2.直接轉矩控制技術</p><p>　　直接轉矩控制（Direct Torque Control——DTC），國外的原文有的也稱為Direct self-control——DSC，直譯為直接自

12、控制，這種“直接自控制”的思想以轉矩為中心來進行綜合控制，不僅控制轉矩，也用于磁鏈量的控制和磁鏈自控制。直接轉矩控制與矢量控制的區(qū)別是，它不是通過控制電流、磁鏈等量間接控制轉矩，而是把轉矩直接作為被控量控制，其實質是用空間矢量的分析方法，以定子磁場定向方式，對定子磁鏈和電磁轉矩進行直接控制的。這種方法不需要復雜的坐標變換，而是直接在電機定子坐標上計算磁鏈的模和轉矩的大小，并通過磁鏈和轉矩的直接跟蹤實現(xiàn)PWM脈寬調制和系統(tǒng)的高動態(tài)性能。&

13、lt;/p><p>　　直接轉矩控制（Direct Torque Control，DTC）變頻調速，是繼矢量控制技術之后又一新型的高效變頻調速技術。20 世紀80 年代中期，德國魯爾大學的M.Depenbrock教授和日本的I.Takahashi教授分別提出了六邊形直接轉矩控制方案和圓形直接轉矩控制方案。1987 年，直接轉矩控制理論又被推廣到弱磁調速范圍。</p><p>　　直接轉矩控制技

14、術用空間矢量的分析方法，直接在定子坐標系下計算與控制電動機的轉矩，采用定子磁場定向，借助于離散的兩點式調節(jié)（Band-Band）產生PWM 波信號，直接對逆變器的開關狀態(tài)進行最佳控制，以獲得轉矩的高動態(tài)性能。它省去了復雜的矢量變換與電動機的數(shù)學模型簡化處理，沒有通常的PWM 信號發(fā)生器。它的控制思想新穎，控制結構簡單，控制手段直接，信號處理的物理概念明確。直接轉矩控制也具有明顯的缺點即：轉矩和磁鏈脈動。針對其不足之處，現(xiàn)在的直接轉矩控制

15、技術相對于早期的直接轉矩控制技術有了很大的改進，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：</p><p>　　（1）無速度傳感器直接轉矩控制系統(tǒng)的研究</p><p>　　在實際應用中，安裝速度傳感器會增加系統(tǒng)成本，增加了系統(tǒng)的復雜性，降低系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，此外，速度傳感器不實用于潮濕、粉塵等惡劣的環(huán)境下。因此，無速度傳感器的研究便成了交流傳動系統(tǒng)中的一個重要的研究方向，且取得了一定的成果。對轉子速度

16、估計的方法有很多，常用的有卡爾曼濾波器位置估計法、模型參考自適應法、磁鏈位置估計法、狀態(tài)觀測器位置估計法和檢測電機相電感變化法等。有的學者從模型參考自適應理論出發(fā)，利用轉子磁鏈方程構造了無速度傳感器直接轉矩控制系統(tǒng)，只要選擇適當?shù)膮?shù)自適應律，速度辨識器就可以比較準確地辨識出電機速度。</p><p>　?。?）定子電阻變化的影響</p><p>　　直接轉矩最核心的問題之一是定子磁鏈觀測

17、，而定子磁鏈的觀測要用到定子電阻。采用簡單的u-i 磁鏈模型，在中高速區(qū)，定子電阻的變化可以忽略不考慮，應用磁鏈的u-i 磁鏈模型可以獲得令人滿意的效果；但在低速時定子電阻的變化將影響磁通發(fā)生畸變，使系統(tǒng)性能變差。因此，如果能夠對定子電阻進行在線辨識，就可以從根本上消除定子電阻變化帶來的影響。目前，常用的方法有參考模型自適應法、卡爾曼濾波法、神經網(wǎng)絡以及模糊理論構造在線觀測器的方法對定子電阻進行補償，研究結果表明，在線辨識是一個有效的方

18、法。</p><p>　?。?）磁鏈和轉矩滯環(huán)的改進</p><p>　　傳統(tǒng)的直接轉矩控制一般對轉矩和磁鏈采用單滯環(huán)控制，根據(jù)滯環(huán)輸出的結果來確定電壓矢量。因為不同的電壓矢量對轉矩和定子磁鏈的調節(jié)作用不相同，所以只有根據(jù)當前轉矩和磁鏈的實時值來合理的選擇電壓矢量，才能有可能使轉矩和磁鏈的調節(jié)過程達到比較理想的狀態(tài)。顯然，轉矩和磁鏈的偏差區(qū)分的越細，電壓矢量的選擇就越精確，控制性能也就越好

19、。 </p><p>　?。?）死區(qū)效應的解決</p><p>　　為了避免上下橋臂同時導通造成直流側短路，有必要引入足夠大的互鎖延時，結果帶來了死區(qū)效應。死區(qū)效應積累的誤差使逆變器輸出電壓失真，于是又產生電流失真，加劇轉矩脈動和系統(tǒng)運行不穩(wěn)定等問題，在低頻低壓時，問題更嚴重，還會引起轉矩脈動。死區(qū)效應的校正，可由補償電路檢測并記錄死區(qū)時間

20、，進行補償。這樣既增加了成本，又降低了系統(tǒng)的可靠性。可用軟件實現(xiàn)的方法，即計算出所有的失真電壓，根據(jù)電流方向制成補償電壓指令表，再用前向反饋的方式補償，這種新型方案還消除了零電壓箝位現(xiàn)象。除了以上幾種最主要的方面外，一些學者還通過其他途徑試圖提高系統(tǒng)的性能。</p><p>　　直接轉矩控制的特征是控制定子磁鏈，是直接在定子靜止坐標系下，以空間矢量概念，通過檢測到的定子電壓、電流，直接在定子坐標系下計算與控制電動

21、機的磁鏈和轉矩，獲得轉矩的高動態(tài)性能。它不需要將交流電動機化成等效直流電動機，因而省去了矢量變換中的許多復雜計算，它也不需要模仿直流電動機的控制，從而也不需要為解耦而簡化交流電動機的數(shù)學模型，而只需關心電磁轉矩的大小，因此控制上對除定子電阻外的所有電機參數(shù)變化魯棒性良好，所引入的定子磁鏈觀測器能很容易得到磁鏈模型，并方便地估算出同步速度信息，同時也很容易得到轉矩模型，磁鏈模型和轉矩模型就構成了完整的電動機模型，因而能方便地實現(xiàn)無速度傳感

22、器控制，如果在系統(tǒng)中再設置轉速調節(jié)器，即可進一步得到高性能動態(tài)轉矩控制了。</p><p><b>　　3.PWM控制技術</b></p><p>　　SPWM波形就是在進行脈寬調制時，使脈沖系列的占空比按正弦規(guī)律來安排。當正弦值為最大值時，脈沖的寬度一也最大，而脈沖間的間隔則最小。反之，當正弦值較小時，脈沖的寬度也小，而脈沖間的間隔則較大，這樣的電壓脈沖系列可以使負

23、載電流中的諧波成分大為減小，故稱為正弦波脈寬調制等效的原則是每一區(qū)間的面積相等，把一個正弦波分作幾等份然后把每一等分的正弦曲線與橫軸所包圍的面積都用一個與此面積相等的矩形脈沖來代替，矩形脈沖的幅值不變，各脈沖的中點與正弦波每一等分的中點相重合這樣由幾個等幅不等寬的矩形脈沖所組成的波形就與正弦波等效，稱作SPWM波形。同樣，正弦波的負半周也用同樣的方法與一系列負脈沖波等效。</p><p>　　PWM的一個優(yōu)點是從

24、處理器到被控系統(tǒng)信號都是數(shù)字形式的，在進行數(shù)模轉換。可將噪聲影響降到最低（可以跟電腦一樣}。噪聲只有在強到足以將邏輯1改變?yōu)檫壿?或將邏輯0改變?yōu)檫壿?時，也才能對數(shù)字信號產生影響。對噪聲抵抗能力的增強是PWM相對于模擬控制的另外一個優(yōu)點，而且這也是在某些時候將PWM用于通信的主要原因。從模擬信號轉向PWM可以極大地延長通信距離。在接收端，通過適當?shù)腞C或LC網(wǎng)絡可以濾除調制高頻方波并將信號還原為模擬形式。PWM控制技術一直是變頻技術的

25、核心技術之一。1964年A.Schonung和H.stemmler首先提出把這項通訊技術應用到交流傳動中，從此為交流傳動的推廣應用開辟了新的局面。從最初采用模擬電路完成三角調制波和參考正弦波比較，產生正弦脈寬調制SPWM信號以控制功率器件的開關開始，到目前采用全數(shù)字化方案，完成優(yōu)化的實時在線的PWM信號輸出，可以說直到目前為止，PWM在各種應用場合仍在主導地位，并一直是人們研究的熱點。由于PWM可以同時實現(xiàn)變頻變壓反抑制諧波的特點。由此

26、在交流傳動及至其它能量變換系統(tǒng)中得到廣泛應用。PWM控制技術大致可以分為三類，正弦PWM（包括電壓，</p><p>　　4.高壓變頻調速技術</p><p>　　交流調速的最理想方法是變頻調速。交流靜止調速技術于2O 世紀7O 年代起步, 8O 年代低壓變頻技術逐步得到推廣應用, 而高壓變頻由于其大功率、高電壓等特殊要求, 世界上也是在刃年代中期才開始發(fā)展。國外高壓變頻產品情況經過多年的

27、發(fā)展, 國外高壓變頻調速裝置向電壓源型高一高變頻方式趨勢發(fā)展。目前, 最常見的高壓變頻類型有: 單元串聯(lián)多電平型、三電平型、電流型。國外最具代表性的公司和技術有:SIEMENS 公司的絕緣門極雙極性大功率三極晶閘管(IGBT) 三電平方式; ROBICO公司的IGBT單元串聯(lián)多電平方式; R OCKWALK(AB)公司的對稱門極換流晶閘管(SGCT)電流型和門極可關斷大功率三極晶閘管(GTO) 電流型; ABB 公司的集成門換向晶閘管(

28、IGCT)三電平方式。除此之外,通用電氣、阿爾斯通、三菱、東芝、富士和日立等公司近期也有類似產品推出。</p><p>　　高壓變頻器按其主電路結構可分為交一交調速方式和交一直一交調速方式2大類。交一直一交變頻調速方式按中間直流濾波環(huán)節(jié)的不同可分為: 電流源型、三電平PWM電壓源型(也稱中點嵌位型)單元串聯(lián)電平PWM電壓源型、電壓浮動箱位式多電平電壓源型、高一低一高電壓源型和直接高一高型等。交一交變頻器線路簡單可

29、靠, 功率等級大, 但不能實現(xiàn)連續(xù)調頻控制、功率因素低, 轉矩脈動大。高一低一高電壓源型這種高壓變頻調速方式的實質還是低壓變頻, 只不過是從電網(wǎng)和電動機兩端來看是高壓。因其存在著中間低壓環(huán)節(jié), 有著電流大、結構復雜效率低可靠性差等缺點, 該方式是高壓變頻技術發(fā)展中的一種由低壓變頻向高壓變頻過渡的方式; 當然, 其也有方案成熟、在改造項目中原有電機電纜無須改動等優(yōu)點。但其系統(tǒng)構成環(huán)節(jié)較多, 為抑制諧波分量而加裝的濾波器還帶來附加損耗, 故

30、其長期運行費用相對較高。隨著高壓變頻技術的發(fā)展,特別是新的大功率可關斷器件的研制成功,高一低一高變頻調速方式由于其自身的缺點, 在今后的發(fā)展中有被淘汰的趨勢。</p><p>　　在高壓變頻領域,目前以單元串聯(lián)多電平和三電平方式發(fā)展最為迅速, 其最新技術及今后發(fā)展方向主要有: 1全數(shù)字式系統(tǒng), 由微處理器控制每個開關管的導通和截止以輸出正弦調制波, 因此輸出頻率和電壓相當準確、穩(wěn)定。2運行控制接口豐富, 既有就地

31、控制, 又有遠端控制;3 既有通信接口, 又有模擬量數(shù)字量接口, 用戶可選擇的余地相當大。4光纖通信和信號傳輸技術, 既可以解決高電壓隔離問題, 又可以提高通信速度、增強抗干擾能力。5采用最新的導通壓降低和開關損耗小的器件, 提高系統(tǒng)效率, 改善通風冷卻設計。6隨著電力電子器件的發(fā)展, 在技術和市場成熟情況下, 采用高壓器件, 使高壓變頻裝置結構和電路趨于簡單, 提高可靠性。7改善輸人和輸出諧波, 這與采用高壓器件有一定的矛盾, 但可以

32、考慮采用有源諧波補償技術。8電力電子器件保護技術最好是在任何外部工況下( 包括短路、過壓、過流、過負荷等) 使變頻裝置不損壞。9自診斷和故障定位技術有利于維護和故障快速處理。10提高制動性能。11高動態(tài)響應性能, 引人矢量控制、直接轉矩控制等現(xiàn)代控制方法。 對于單元串聯(lián)多電平來說, 最新發(fā)展技術還有單元冗余單元切除后繼續(xù)運</p><p>　　行的情況以及帶電更換單元技術。 12減小裝置尺寸。</p>

33、<p><b>　　變頻調速的發(fā)展趨勢</b></p><p>　　1.主控一體化、變頻器與電機的整體化</p><p>　　2.變頻控制的高性能化</p><p>　　3.變頻控制系統(tǒng)的全數(shù)字化</p><p><b>　　4.變頻器的環(huán)?；?lt;/b></p><p

34、>　　5.變頻器的人工智能化</p><p>　　6.硬件集成化、高頻化、軟開關化、大容量化</p><p>　　7.變頻器的通信網(wǎng)絡化和技術規(guī)格標準化</p><p>　　在變頻調速技術的研究與制造過程中, 國外相關產業(yè)的工人成本相對較高, 近幾十年內, 交流調速的制造業(yè)有可能向發(fā)展中國家轉移, 對我國來說,這是一個難得的機遇。而我國國內也有一個巨大的市場,

35、 因此必須大力發(fā)展變頻調速技術, 把我國變頻調速技術提高到一個新水平, 縮小與世界先進水平的差距, 提高自主開發(fā)能力, 滿足國民經濟重點工程建設和市場的需求。同時規(guī)范我國變頻調速技術方面的標準, 提高產品可靠性及工藝水平, 實現(xiàn)規(guī)?；藴驶a。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　1 張承慧 崔納新 李珂. 交流電機變頻調速及其應用[

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