變頻器發(fā)展趨勢(shì)

一、運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的發(fā)展變頻器是運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中的功率變換器，運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)是作為機(jī)電能量變換器的電氣傳動(dòng)技術(shù)的發(fā)展。當(dāng)今的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)是包含多種學(xué)科的技術(shù)領(lǐng)域，總的發(fā)展趨勢(shì)是：驅(qū)動(dòng)的交流化，功率變換器的高頻化，控制的數(shù)字化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化。因此，變頻器作為系統(tǒng)的重要功率變換部件，提供可控的高性能變壓變頻的交流電源而得到迅猛發(fā)展。
　　二、變頻器技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)經(jīng)歷大約三十年的研發(fā)與應(yīng)用實(shí)踐，隨著新型電力電子器件和高性能微處理器的應(yīng)用以及控制技術(shù)的發(fā)展，變頻器的性能價(jià)格比越來(lái)越高，體積越來(lái)越小，而廠家仍然在不斷地提高可靠性實(shí)現(xiàn)變頻器的進(jìn)一步小型輕量化、高性能化和多功能化以及無(wú)公害化而做著新的努力。變頻器性能的優(yōu)劣，一要看其輸出交流電壓的諧波對(duì)電機(jī)的影響，二要看對(duì)電網(wǎng)的諧波污染和輸入功率因數(shù)，三要看本身的能量損耗（即效率）如何？這里僅以量大面廣的交—直—交變頻器為例，從技術(shù)上看在以下幾個(gè)方面會(huì)進(jìn)一步得到發(fā)展：
　　1．主電路功率開(kāi)關(guān)元件的自關(guān)斷化、模塊化、集成化、智能化，開(kāi)關(guān)頻率不斷提高，開(kāi)關(guān)損耗進(jìn)一步降低。低壓小容量變頻器普遍采用的功率開(kāi)關(guān)器件是：功率MOSFET、IG－BT（絕緣柵雙極度晶體管）和IPM（智能功率模塊）。中壓大容量變頻器采用有：GTO（門(mén)極可關(guān)斷晶閘管）、IGCT（集成門(mén)極換流晶閘管）、SGCT（對(duì)稱(chēng)門(mén)極換流晶閘管）、IEGT（注入增強(qiáng)柵晶體管）和高壓IGBT。
　　2．變頻器主電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)方面：變頻器的網(wǎng)側(cè)變流器對(duì)低壓小容量的常采用6脈沖變流器，而對(duì)中壓大容量的采用多重化12脈沖以上的變流器。負(fù)載側(cè)變流器對(duì)低壓小容量的常采用兩電平的橋式逆變器，而對(duì)中壓大容量的采用多電平逆變器。值得注意的是，對(duì)于四象限運(yùn)行的傳動(dòng)，為實(shí)現(xiàn)變頻器再生能量向電網(wǎng)回饋和節(jié)省能量，網(wǎng)側(cè)變流器應(yīng)為可逆變流器，出現(xiàn)了功率可雙向流動(dòng)的雙PWM變頻器，對(duì)網(wǎng)側(cè)變流器加以適當(dāng)控制可使輸入電流接近正弦波，并使系統(tǒng)的功率因數(shù)接近于1，減少對(duì)電網(wǎng)的公害。目前，低、中壓變頻器都有這類(lèi)產(chǎn)品。公用直流母線技術(shù)的采用使多臺(tái)（或多軸）傳動(dòng)系統(tǒng)能量更好利用，提高系統(tǒng)的整體運(yùn)行效率，并可降低變頻器本身的價(jià)格。公用直流母線也可以有再生型和非再生型的。探索采用諧振直流環(huán)技術(shù)使變頻器的功率開(kāi)關(guān)工作在軟開(kāi)關(guān)狀態(tài)，器件損耗大大下降，開(kāi)關(guān)頻率可進(jìn)一步提高，因電壓和電流尖峰引起的E－MI問(wèn)題得到抑制，可取消緩沖電路。
　　3．脈寬調(diào)制變壓變頻器的控制方法：正弦波脈寬調(diào)制（SPWM）控制。消除指定次數(shù)諧波的PWM控制。電流跟蹤控制。電壓空間矢量控制（磁鏈跟蹤控制）。
　　4．交流電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)整控制方法的進(jìn)展：由標(biāo)量控制（V／f控制和轉(zhuǎn)差頻率控制）向高動(dòng)態(tài)性能的矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制發(fā)展。開(kāi)發(fā)無(wú)速度傳感器的矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)。
　　5．微處理器的進(jìn)步使數(shù)字控制成為現(xiàn)代控制器的發(fā)展方向，運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)是快速系統(tǒng)，特別是交流電動(dòng)機(jī)高性能的控制需要存儲(chǔ)多種數(shù)據(jù)和快速實(shí)時(shí)處理大量信息。近幾年來(lái)，國(guó)外各大公司紛紛推出以DSP（數(shù)字信號(hào)處理器）為基礎(chǔ)的內(nèi)核，配以電機(jī)控制所需的外圍功能電路，集成在單一芯片內(nèi)的稱(chēng)為DSP單片電機(jī)控制器（如ADI的ADMC3××系列、TI的TM S320C240和Motorola的DSP56F8××系列），價(jià)格大大降低，體積縮小，結(jié)構(gòu)緊湊，使用便捷，可靠性提高。DSP的最大速度為20～40MIPS，單周期指令執(zhí)行時(shí)間快達(dá)幾十納秒，它和普通的單片機(jī)相比，處理數(shù)字運(yùn)算能力增強(qiáng)10～15倍，確保系統(tǒng)有更優(yōu)越的控制性能。數(shù)字控制使硬件簡(jiǎn)化，柔性的控制算法使控制具有很大的靈活性，可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜控制規(guī)律，使現(xiàn)代控制理論在運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中應(yīng)用成為現(xiàn)實(shí)，易于與上層系統(tǒng)連接進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，便于故障診斷加強(qiáng)保護(hù)和監(jiān)視功能，使系統(tǒng)智能化（如有些變頻器具有自調(diào)整功能）。
　　6．交流同步電動(dòng)機(jī)已成為交流可調(diào)傳動(dòng)中的一顆新星，特別是永磁同步電動(dòng)機(jī)，電機(jī)獲得無(wú)刷結(jié)構(gòu)，功率因數(shù)高，效率也高，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速?lài)?yán)格與電源頻率保持同步。同步電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)有他控變頻和自控變頻兩大類(lèi)。自控變頻同步電機(jī)在原理上和直流電機(jī)極為相似，用電力電子變流器取代了直流電機(jī)的機(jī)械換向器，如采用交—直—交變壓變頻器時(shí)叫做“直流無(wú)換向器電機(jī)”或稱(chēng)“無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)（BLDC）”。傳統(tǒng)的自控變頻同步機(jī)調(diào)速系統(tǒng)有轉(zhuǎn)子位置傳感器，現(xiàn)正開(kāi)發(fā)無(wú)轉(zhuǎn)子位置傳感器的系統(tǒng)。同步電機(jī)的他控變頻方式也可采用矢量控制，其按轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向的矢量控制比異步電機(jī)簡(jiǎn)單。開(kāi)關(guān)磁阻式電機(jī)（SR）是一種特殊類(lèi)型的同步電機(jī)，定轉(zhuǎn)子為雙凸極結(jié)構(gòu)，結(jié)實(shí)無(wú)刷，輸出轉(zhuǎn)矩較大，由于SR電動(dòng)機(jī)的繞組只需單方向電流，因此給它供電的只需單極性功率變換器就可以了，電路簡(jiǎn)單。傳統(tǒng)的SR電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)同樣需要位置檢測(cè)器，目前也正在開(kāi)發(fā)無(wú)位置傳感器的SR調(diào)速系統(tǒng)。SR電機(jī)優(yōu)點(diǎn)突出，應(yīng)用領(lǐng)域日益擴(kuò)大，稍顯遜色的是：SR電動(dòng)機(jī)功率變換器輸出的是不規(guī)則電流脈沖，低速時(shí)導(dǎo)致運(yùn)行噪聲和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)問(wèn)題較為突出，這有待于進(jìn)一步改進(jìn)控制方法。
　　交流變頻調(diào)速技術(shù)是強(qiáng)弱電混合、機(jī)電一體的綜合性技術(shù)，既要處理巨大電能的轉(zhuǎn)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(shù)必定分成功率和控制兩大部分。前者要解決與高壓大電流有關(guān)的技術(shù)問(wèn)題和新型電力電子器件的應(yīng)用技術(shù)問(wèn)題，后者要解決（基于現(xiàn)代控制理論的控制策略和智能控制策略）的硬、軟件開(kāi)發(fā)問(wèn)題（在目前狀況下主要全數(shù)字控制技術(shù)）。
　　其主要發(fā)展方向有如下幾項(xiàng)。
　　（1）實(shí)現(xiàn)高水平的控制。基于電動(dòng)機(jī)和機(jī)械模型的控制策略，有矢量控制、磁場(chǎng)控制、直接傳矩控制和機(jī)械扭振補(bǔ)償?shù)龋换�于現(xiàn)代理論的控制策略，有滑模變結(jié)構(gòu)技術(shù)、模型參考自適應(yīng)技術(shù)、采用微分幾何理論的非線性解耦、魯棒觀察器，在某種指標(biāo)意義下的最優(yōu)控制技術(shù)和逆奈奎斯特陣列設(shè)計(jì)方法等；基于智能控制思想的控制策略，有模糊控制、神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)、專(zhuān)家系統(tǒng)和各種各樣的自?xún)?yōu)化、自診斷技術(shù)等。
　　（2）開(kāi)發(fā)清潔電能的變流器。所謂清潔電能變流器是指變流器的功率因數(shù)為1，網(wǎng)側(cè)和負(fù)載側(cè)有盡可能低的諧波分量，以減少對(duì)電網(wǎng)的公害和電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。對(duì)中小容量變流器，提高開(kāi)關(guān)頻率的PWM控制是有效的。對(duì)大容量變流器，在常規(guī)的開(kāi)關(guān)頻率下，可改變電路結(jié)構(gòu)和控制方式，實(shí)現(xiàn)清潔電能的變換。
　　（3）縮小裝置的尺寸。緊湊型變流器要求功率和控制元件具有高的集成度，其中包括智能化的功率模塊、緊湊型的光耦合器、高頻率的開(kāi)關(guān)電源，以及采用新型電工材料制造的小體積變壓器、電抗器和電容器。功率器件冷卻方式的改變（如水冷、蒸發(fā)冷卻和熱管）對(duì)縮小裝置的尺寸也很有效。
　　（4）高速度的數(shù)字控制。以32位高速微處理器為基礎(chǔ)的數(shù)字控制模板有足夠的能力實(shí)現(xiàn)各種控制算法，Windows操作系統(tǒng)的引入使得可自由設(shè)計(jì)，圖形編程的控制技術(shù)也有很大的發(fā)展。
　　（5）模擬與計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）技術(shù)。電機(jī)模擬器、負(fù)載模擬器以及各種CAD軟件的引入對(duì)變頻器的設(shè)計(jì)和測(cè)試提供了強(qiáng)有力的支持。
　　主要的研究開(kāi)發(fā)項(xiàng)目有如下各項(xiàng)。
　　（1）數(shù)字控制的大功率交-交變頻器供電的傳動(dòng)設(shè)備。
　　（2）大功率負(fù)載換流電流型逆變器供電的傳動(dòng)設(shè)備在抽水蓄能電站、大型風(fēng)機(jī)和泵上的推廣應(yīng)用。
　　（3）電壓型GTO逆變器在鐵路機(jī)車(chē)上的推廣應(yīng)用。
　　（4）電壓型IGBT、IGCT逆變器供電的傳動(dòng)設(shè)備擴(kuò)大功能，改善性能。如4象限運(yùn)行，帶有電極參數(shù)自測(cè)量與自設(shè)定和電機(jī)參數(shù)變化的自動(dòng)補(bǔ)償以及無(wú)傳感器的矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制等。
　　（5）風(fēng)機(jī)和泵用高壓電動(dòng)機(jī)的節(jié)能調(diào)速研究。眾所周知，風(fēng)機(jī)和泵改用調(diào)速傳動(dòng)后節(jié)約大量電力。特別是電壓電動(dòng)機(jī)，容量大，節(jié)能效果更顯著。研究經(jīng)濟(jì)合理的高壓電動(dòng)機(jī)調(diào)速方法是當(dāng)今重大課題。
　　主要的研究?jī)?nèi)容及關(guān)鍵技術(shù)有如下各項(xiàng)。
　　（1）高壓、大電流技術(shù)：動(dòng)態(tài)、靜態(tài)均壓技術(shù)（6kV、10kV回路中3英寸晶閘管串聯(lián)，靜動(dòng)態(tài)均壓系數(shù)大于0.9）；均流技術(shù)，大功率晶閘管并聯(lián)的均流技術(shù)，均流系數(shù)大于0.85）；浪涌吸收技術(shù)（10 kV、6kV回路中）；光控及電磁觸發(fā)技術(shù)（電/光，光/電變換技術(shù)）；導(dǎo)熱與散熱技術(shù)（主要解決導(dǎo)熱及散熱性好、電流出力大的技術(shù)，如熱管散熱技術(shù)）；高壓、大電流系統(tǒng)保護(hù)技術(shù)（抗大電流電磁力結(jié)構(gòu)、絕緣設(shè)計(jì)）；等效負(fù)載模擬技術(shù)。
　　（2）新型電力電子器件的應(yīng)用技術(shù)：可關(guān)斷驅(qū)動(dòng)技術(shù)；雙PWM逆變技術(shù)；循環(huán)變流 / 電流型交-直-交（CC /CSI0）變流技術(shù)（12脈波變頻技術(shù)）；同步機(jī)交流勵(lì)磁變速運(yùn)行技術(shù)；軟開(kāi)關(guān)PWM變流技術(shù)。
　　（3）全數(shù)字自動(dòng)化控制技術(shù)：參數(shù)自設(shè)定技術(shù)；過(guò)程自?xún)?yōu)化技術(shù)；故障自診斷技術(shù)；對(duì)象自辨識(shí)技術(shù)。
　　（4）現(xiàn)代控制技術(shù)：多變量解耦控制技術(shù)；矢量控制和直接力矩控制技術(shù)；自適應(yīng)技術(shù)。