变频技术的发展与应用

2023-06-19 理论教育版权反馈

【摘要】：变频技术的迅速发展是建立在电力电子技术的创新、电力电子器件及材料的开发及器件制造工艺水平提高基础之上的，尤其是高压大容量绝缘栅双极型晶体管、集成门极换流晶闸管器件的成功开发，使大功率变频技术得以迅速发展，性能日益完善。IGBT于1992年前后在变频器中得到应用，并持续向开关损耗更低、开关速度更快、耐压更高、容量更大的方向发展。

变频技术的迅速发展是建立在电力电子技术的创新、电力电子器件及材料的开发及器件制造工艺水平提高基础之上的，尤其是高压大容量绝缘栅双极型晶体管（IGBT）、集成门极换流晶闸管（IGCT）器件的成功开发，使大功率变频技术得以迅速发展，性能日益完善。由于变频器使用领域不断扩大，其所采用的技术也不断拓宽。

1.电力电子器件的发展

电力电子器件作为现代化交流调速装置的支柱，其发展直接决定和影响交流调速的发展。电力电子器件的发展表现在器件的成功开发，如GTR、GTO、SCR、IGBT、IGCT及IEGT，而且朝着高压大功率化、高频化、模块化、智能化发展。理想的功率器件见表1-2。

表1-2 理想的功率器件特性

20世纪80年代中期以前，变频装置功率回路主要采用第1代电力电子器件，以晶闸管为主，这种装置的效率、可靠性、成本、体积均无法与同容量的直流调速装置相比。80年代中期以后采用第2代电力电子器件如GTR、GTO、VDMOS&IGBT等制造的变频装置在性价比上可以与直流调速装置相媲美。随着向大电流、高电压、高频化、集成化、模块化方向继续发展，第3代电力电子器件是20世纪90年代制造变频装置的主流产品，中小功率的变频调速装置（1～1000kW）主要采用IGBT，大功率的变频调速装置（100～10000kW）采用GTO。20世纪90年代末，电力电子器件的发展进入了第4代，如高压IGBT、IGCT、IEGT、SGCT、智能功率模块（IPM）等。

变频器的逆变器普遍采用大功率场效应晶体管（MOSET）、功率晶体管（GTR）、门极关断（GTO）晶闸管等的自关断器件，其中GTR应用最为普遍。但是在调制策略发展和要求逆变器输出谐波分量更小的情况下，必须提高开关频率，为此，GTR满足不了这个要求，于是开发出了一种新器件——IGBT。IGBT的全称是绝缘栅双极型晶体管，是一种把MOSET与GTR巧妙结合在一起的电压型双极/MOS复合器件，IGBT具有输入阻抗高、开关速度快、元器件损耗小、驱动电路简单、驱动功率小、极限温度高、热阻小、饱和压降和电阻低、电流容量大、抗浪涌能力强、安全区宽、并联容易、稳定可靠及模块化等一系列优点，是一种极理想的开关器件。目前，2400A电流、3300V电压、40kHz开关频率的IGBT已在小、中、大功率范围内使用。IGBT不仅用于500V以下低压变频器，还可以用于1000V以上高压变频器以驱动高压电动机。此类中压、高压变频器采用多电平逆变器输出高压，也可用变压器降压-低压变频器-变压器升压的方式。由于IGBT具有性能较好的优势，预计近十年内不会被新开发的器件所取代。

目前，在交流电动机的传动控制中应用最多的功率开关器件是IGBT和IPM，它们集GTR的低饱和电压特性和MOSFET的高频开关特性于一体。IGBT于1992年前后在变频器中得到应用，并持续向开关损耗更低、开关速度更快、耐压更高、容量更大的方向发展。IPM内包含了IGBT芯片及外围的驱动电路和保护电路，有的还集成了霍尔传感器和光耦合器。因此IPM是一种高度集成型功率开关器件。目前，模块的最大额定电流可达60A，小型变频装置中基本上采用IPM作为主电路，采用IPM后的变频器的综合性能大大提高，其性价比已超过IGBT，有很好的经济性。

当今交流变频传动装置大多采用正弦脉冲宽度调制（Sin Pulse Width Module，SPWM）方法，即三相交流经整流和电容滤波后，形成恒定幅值的直流电压，加在逆变器上，逆变器的功率开关器件按一定规律控制其导通和断开，使输出端获得一系列宽度不等的矩形脉冲电压波形。如改变脉冲宽度即可控制逆变器输出交流基波电压的幅值；改变调制周期即可控制其输出频率，这样就同时实现了调压和调频。随着变频器快速性、精确度及可靠性的不断提高，对功率开关器件的要求越来越高，即要求开关频率在几十kHz，导电损耗低，在各种应用领域的可靠性高。

2.控制理论和控制技术的发展

控制理论的发展集中体现在：

1）矢量控制，直接转矩控制；

2）无速度传感器的矢量控制（SVC），其模型参考自适应和扩展卡尔曼滤波法；

3）模糊控制（Fuzzy Control）及神经网络控制的应用。

第1代变频器以U/f恒定和正弦脉宽调制控制方式为代表，它根据异步电动机等效电路确定的线性U/f进行变频调速。其特点是：控制电路结构简单，成本较低，但系统性能不高，控制曲线会随负载变化，转矩响应慢，转矩利用率不高。

第2代变频器采用矢量控制方式，它实质上参照直流电动机的控制方式，将交流异步电动机经过坐标变换可以生成等效的直流电动机模型，模拟直流电动机的控制方法，求得直流电动机的控制量，经过相应坐标变换与反变换，就能控制交流异步电动机。由于进行坐标变换的是电流（代表磁动势）的空间矢量，因此实现的控制系统称为矢量控制系统。当今由矢量控制的交流变频器组成的传动系统已完全实现了数字化、智能化、模块化控制，即有一个集成高动态性能、优良控制特性、极高灵活性的模板来实现与电动机有关的控制任务，而且带有大量自由功能模块，用这些模块也可处理与传动有关的控制，如西门子公司CUVC控制模块等；同时在软件配置上也已实现了标准化和模块化，还提供了许多非标准功能，如手动-自动设定、输入设定值的通用性、自动重启动功能等，可以说矢量控制的交流变频调速系统的动、静态性能已完全能够与直流调速系统相媲美，是目前最成熟、完善的技术。

继矢量控制系统以后，直接转矩控制（DTC）系统是近十几年发展起来的又一种高动态性能交流变频调速系统。在DTC系统中，定子磁通和转矩作为主要控制变量，在等效电动机自适应模型软件中，直接在定子坐标上计算与控制交流电动机的转矩，通过高速数字信号处理器，电动机状态每秒更新高达几万次。由于电动机状态连续不断地更新，实际值与参考值不断进行比较，由磁通和转矩调节器输出，实现对逆变器中每个开关状态单独确定，从而对负载突变或电源干扰所引起的动态变化作出迅速反应，故其动态特性好。DTC强调转矩的控制，在控制理论上属于Pang-Pang控制。在高速状态下，其控制水平与矢量控制没有差别；但在低速状态下，其转矩控制不稳定，易引起传动轴系振荡。直接转矩控制不需要坐标变换，直接转矩控制（DTC）是继矢量控制之后在交流传动控制理论上的又一次飞跃，它避免了对电动机参数的强烈依赖性，特别是不受转子参数的影响，控制器结构简单，具有良好的动、静态性能。

3.微型计算机（简称微机）控制技术的发展

随着微机控制技术的迅速发展，交流调速控制领域出现了以微处理器为核心的微机控制系统。微机控制技术的应用，提高了交流调速系统的可靠性，操作、设置的多样性和灵活性，降低了交流调速系统的成本和体积。

开始采用微机控制时，总要选用CPU、ROM、RAM、定时器、D/A等芯片，组成最小微机系统。为了适应这种需求，一些公司开始在一块芯片上直接集成这些器件，构成单片机。随着单片机的快速发展，单片机具有丰富的硬件资源和软件资源，而且提高了计算速度和计算精度。但如果要处理复杂的控制系统，比如处理实时性高和运算精度高的系统，还是有些不足之处。

20世纪80年代初期出现的DSP集成了硬件乘法器，提高了系统频率、数据处理能力以及运算速度，支持浮点运算等。在提高运算精度的同时还在片内集成了大量的外围接口，因而在调速控制系统中得到了广泛应用。DSP通常采用哈佛结构，将程序存储空间与数据存储空间分开，并且各自拥有自己的数据总线和地址总线；采用流水线技术，使得指令处理的平均速度大大提高；内部增设专门的硬件乘法器，并将硬件乘法器与累加器以流水线方式连接，从而可以高速连续进行乘法和累加运算。

精简指令计算机（RISK）在1996年前后问世以来，它将控制器、PWM、A/D等组成一体做成芯片，是计算机结构体系上的一次突破，使得微处理器在性能上获得了质的飞跃。

高级专用集成电路（ASIC）是专用芯片的标准单元、门阵列合在一起的内部门阵列组合。

ASIC是指应特定用户要求或特定电子系统的需要而设计、制造的集成电路。ASIC作为集成电路（IC）技术与特定用户的整机或系统技术紧密结合的产物，与通用集成电路相比，在构成电子系统时具有体积小、重量轻、功耗低、可靠性高和保密性强等特点，系统设计、电路设计、工艺设计之间紧密结合，这种一体化的设计有利于获得前所未有的高性能系统，在大批量应用时，可显著降低系统成本。

IC集成度以惊人的速度发展，系统级芯片将具备DSP、存储器和一整套专用功能，甚至电源和电源驱动电路也将集成在同一模块中。专家认为，IC发展的大趋势是高速、高集程度和低功耗的系统集成。系统级芯片能够提高半导体器件的电气性能，改善系统的可靠性，降低大多数应用所需的PCB面积，受到整机制造商的普遍欢迎，采用系统级芯片将是整机制造商的必由之路。

采用微机控制技术同时可以对变频器进行控制和保护。在控制方面：计算确定开关器件的导通和关断时刻，使逆变器按调制策略输出要求的电压；通过不同的编码实现多种传动调速功能，如各种频率的设定和执行、启动、运行方式选择、转矩控制设定与运行、加减速设计与运行、制动方式设定和执行等；通过接口电路、外部传感器、微机构成调速传动系统，在保护方面，在外部传感器及I/O电路配合下，构成完善的检测保护系统，可完成多种自诊断保护方案。保护功能包括：主电路、控制电路的欠电压、过电压保护；输出电流的欠电流、过电流保护；电动机或逆变器的过载保护；制动电阻的过热保护；失速保护。采用人工智能技术对变频器进行故障诊断，构成故障诊断系统，该系统由监控、检测、知识库（故障模式知识库或故障诊断专家系统知识库）、推理机构、人机对话接口和数据库组成，不仅在故障发生后能准确指出故障性质、部位，且在故障发生前也能预测发生故障的可能性。在变频器启动前对诊断系统本身及变频器主电路（包括电源）、控制系统等进行一次诊断清查隐患，若发现故障现象则调用知识库推理、判断故障原因并显示不能开机，如无故障则显示可以开机，开机后，实时检测诊断。工作时对各检测点进行循环查询，存储数据并不断刷新，若发现数据越限，则认为可能发生故障，立即定向追踪。若几次检查结果相同，说明确实出了故障，于是调用知识库进行分析推理，确定是何种故障及其部位，显示出来，严重时则发出停机指令。

4.分散式安装系统的出现

这为多台变频器分散控制提供了新的设计理念，以往变频器作为电动机调速控制设备，是独立、自成一体的，变频器安装在控制柜内，与电动机相隔一定的距离，这样的集中控制方式控制柜大、电缆多、设计施工周期长、维修不便。而分散式安装系统则把变频器和电动机做成一体，现场安装，现场布线，电动机到变频器的电缆短、干扰小，减少了设计、安装、调试的时间。这种分散安装系统的设计费用可以减少50%～57%，安装费用可减少40%～60%。这种系统特别适用于汽车、烟草、机场行李分检、生产线内部物流、自动仓储等。SEW公司和西门子公司都推出了这种分散安装系统。

变频技术的发展与应用

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