论文部分内容阅读
【摘要】变频器就是用来调节电机转速的装置，其作用就是调节电机转速、节能降耗、软起软停。文章简要介绍了变频器的发展历程，以我司变频器产品为例说明其功能，展望该项技术的发展趋势。
【关键词】变频器；功能；发展趋势
引言
由于直流电机存在诸如运行中产生火花、对环境要求较高、电刷易于磨损、维护麻烦等自身结构上的问题，其使用受到了极大的限制。因此，不得不采用变级调速、降电压调速、串电阻调速等交流调速方案，然而这些方案不是十分复杂，就是功耗较大，都不十分理想。实际上，人们早己认识到了变频调速是最好的交流调速方法，只是由于当时的具体条件，变频调速很难实现。
1.变频器调速控制
在交流变频调速技术的控制策略方面，现代变频调速最初采用v/f恒定的开环控制方法，后来提出了转差频率的控制，使系统性能有所改善，但它仍然是基于电机的稳态模型推出的平均值控制，稳定性和动态性能仍然无法和直流调速相比。70年代初，德国西门子公司的EBlashke以专利的形式提出了异步电机的磁场定向控制原理，即用矢量变换的方法研究交流电机的动态规律。这种矢量控制系统以正确的转子磁场定向为基础，然而，由于转子磁链难以准确地观察，系统特性受到很大的影响，因此使转差频率型的矢量控制系统得到了广泛的应用。1985年德国学者M.DePenbrock教授首次提出了直接转矩控制，其主要特点，在于它完全摒弃了矢量控制中的解祸控制思想，取消了矢量计算和旋转变换，简单的通过检测定子电压和电流，借助瞬时空间矢量理论计算电机磁链和转矩，根据与给定值比较所得的差值，实现对转矩和磁链的双位式控制，转矩响应理论上可达到创纪录的水平。
近年来，交流调速控制中的另一个研究热点是现代控制理论的应用，各种非线性控制的方法相继被提出，滑模变结构控制的提出增强了交流调速系统的鲁棒性，以消除参数变化和扰动对系统的影响。虽然这些现代控制方法离实用还有相当的距离，但随着微控制器等硬件资源的不断发展，这些新的领域是未来交流调速技术发展的重要方向。
2.变频器节能效应
变频器的损耗包括电力电子器件的驱动损耗与电力电子器件本身的损耗。目前变频调速系统的电力电子器件以IGBT为主，其驱动损耗极小可以忽略，这样变频器损耗主要就是电力电子器件的损耗，主要包括器件的通态损耗与关断损耗：通态损耗取决于器件的管压降和负载电流，开关损耗取决于开关频率和负载电流。因此变频器损耗随着电流幅值的增大而增大。
对于小功率应用场合，变频器的损耗在变频调速系统总损耗中所占比例很小，可以忽略不计，但随着系统容量的增大，变频器损耗在总损耗中所占的比例逐渐升高，如对于变频器供电100kw的异步电机，在额定负载时变频器的损耗与电机的损耗就已经各占一半。理论分析和实验结果表明，考虑变频器损耗与仅考虑异步电机损耗相比，对效率优化控制结果影响并不明显；事实上，仅考虑异步电机效率优化控制的结果使得电机定子电流幅值减少，从而降低了变频器的开关损耗。
异步电机损耗中的机械损耗和杂散损耗，与电机转速和实际工况（输出转速与）有关，属于不可控损耗；铜损和铁损与电机电流与磁链相关，可以通过一定的控制策略加以控制，属于可控损耗。因此，变频调速系统的节能控制，实际是采取相应的控制策略控制异步电机损耗中的铜损与铁损（可控损耗），提高变频调速系统的运行效率。目前国内外变频调速系统的节能控制策略主要分为基于损耗模型的节能控制和基于在线搜索的节能控制：前者是结合所考虑的损耗类型，建立异步电机损耗模型，通过基本理论与公式推导以及一定的简化处理，得出相应的节能控制策略，主要有全损耗模型控制、直接降压控制、恒转差频率控制、恒功率因数控制、铜损等于铁损控制和单位定子电流最大转矩控制；后者根据在线搜索的控制变量不同主要有搜索输入功率、搜索定子电流、搜索直流母线电流等控制策略。
3. TMdrive-MV系列高压IGBT变频器
我司研制的TMdrive-MV系列高压IGBT变频器具有以下特点：
（1） 容量范围广
驱动3KV、6KV、10KV等级的异步电动机，容量覆盖范围广3.3KV（200KVA到3000KVA） 、6KV（360KVA到10200KVA）10KV（600KVA到19000KVA）。
（2）电源的优质负载，电动机的优质动力源
达到IEEE-519要求标准。不需要更换原设电动机。
（3）高效率
输出电流基本为正弦波，减少了电动机的高次谐波损失。不需设输出变压器，消除了由此造成的效率损失。
（4）高功率因数
采用二极管全波整流，显著提高了功率因数。（输入功率因数达0.95以上）
（5）节省能源
排风机、风扇、泵等平方转矩负载的可变速驱动，可大幅度节省能源。
（6）高可靠性
主回路中采用了最新的三菱品牌1700V高压IGBT，在减少部件数量的同时，也大幅度提高了可靠性。采用了功率电子控制的专用32位微处理器。
4. 变频调速技术发展趋势
（1）低电磁噪音、静音化
新型通用变频器除了采用SVPWM调制实现静音化外，还在通用变频器输入侧加交流电抗器或有源功率因数校正电路APFC，在逆变电路中采取Soft-PWM控制技术等，实现所谓的清洁电能的变换。
（2）专用化
新型通用变频器为更好地发挥变频调速控制技术的独特功能，派生了许多专用机型如风机水泵空调专用型、起重机专用型、恒压供水专用型、交流电梯专用型、纺织机械专用型、机械主轴传动专用型、电源再生专用型、中频驱动专用型、机车牵引专用型等。
（3）系统化
通用变频器除了发展单机的智能化、多功能化外，还向集成化、系统化方向发展。如西门子公司提出的集通讯、设计和数据管理三者于一体的“全集成自动化”（TIA）平台概念，可以像驱动装置嵌入“全集成自动化”系统那样进行，为用户提供最佳的系统功能。
（4）网络化
新型通用变频器可提供多种兼容的通信接口，支持多种不同的通信协议，内装RS485接口，可由个人计算机向通用变频器输入运行命令和设定功能码数据等，通过选件可与现场总线：Profibus-DP！ModbuSPluS等通讯。
（5）“易于使用”的模式
新型通用变频器机内固化的“调试指南”会引导你一步一步地填入调试表格，无需记住任何参数，充分体现了易操作性。如西门子公司的新一代MlcROMASTER420/440因采用了一种称为/易于使用0的成功概念，使得操作变得非常简单。
（6）参数趋势图形
新型通用变频器的参数趋势图可适时地显示各信号的现时运行状态，用户在调试过程中，可随时监控和记录运行参数。如西门子公司的新一代MlcRoMASTER420/440的高级操作板AOP，可使变频器的参数上装或下装。
5.结语
70年代以后，功率晶体管（GTR）、门极关断晶闸管（GTO晶闸管）、功率MOS场效应晶体管（PowerMOSFET）、绝缘栅双极晶体管（IGBT），MOS控制晶闸管（MCT）等先后问世，这些器件都是既能控制导通又能控制关断的自关断器件，又称全控型器件。它不再需要强迫换相电路，使得逆变器构成简单、结构紧凑。电力电子器件正在向大功率化、高频化、模块化、智能化发展。
参考文献
[1] 熊妍，沈燕群，江剑，何湘宁.IGBT损耗计算和损耗模型研究[J].电源技术应用. 2006（05）
[2] 冷增祥.关于中、高压变频器的一些知识[J].电源技术应用. 2002（11）
【关键词】变频器；功能；发展趋势
引言
由于直流电机存在诸如运行中产生火花、对环境要求较高、电刷易于磨损、维护麻烦等自身结构上的问题，其使用受到了极大的限制。因此，不得不采用变级调速、降电压调速、串电阻调速等交流调速方案，然而这些方案不是十分复杂，就是功耗较大，都不十分理想。实际上，人们早己认识到了变频调速是最好的交流调速方法，只是由于当时的具体条件，变频调速很难实现。
1.变频器调速控制
在交流变频调速技术的控制策略方面，现代变频调速最初采用v/f恒定的开环控制方法，后来提出了转差频率的控制，使系统性能有所改善，但它仍然是基于电机的稳态模型推出的平均值控制，稳定性和动态性能仍然无法和直流调速相比。70年代初，德国西门子公司的EBlashke以专利的形式提出了异步电机的磁场定向控制原理，即用矢量变换的方法研究交流电机的动态规律。这种矢量控制系统以正确的转子磁场定向为基础，然而，由于转子磁链难以准确地观察，系统特性受到很大的影响，因此使转差频率型的矢量控制系统得到了广泛的应用。1985年德国学者M.DePenbrock教授首次提出了直接转矩控制，其主要特点，在于它完全摒弃了矢量控制中的解祸控制思想，取消了矢量计算和旋转变换，简单的通过检测定子电压和电流，借助瞬时空间矢量理论计算电机磁链和转矩，根据与给定值比较所得的差值，实现对转矩和磁链的双位式控制，转矩响应理论上可达到创纪录的水平。
近年来，交流调速控制中的另一个研究热点是现代控制理论的应用，各种非线性控制的方法相继被提出，滑模变结构控制的提出增强了交流调速系统的鲁棒性，以消除参数变化和扰动对系统的影响。虽然这些现代控制方法离实用还有相当的距离，但随着微控制器等硬件资源的不断发展，这些新的领域是未来交流调速技术发展的重要方向。
2.变频器节能效应
变频器的损耗包括电力电子器件的驱动损耗与电力电子器件本身的损耗。目前变频调速系统的电力电子器件以IGBT为主，其驱动损耗极小可以忽略，这样变频器损耗主要就是电力电子器件的损耗，主要包括器件的通态损耗与关断损耗：通态损耗取决于器件的管压降和负载电流，开关损耗取决于开关频率和负载电流。因此变频器损耗随着电流幅值的增大而增大。
对于小功率应用场合，变频器的损耗在变频调速系统总损耗中所占比例很小，可以忽略不计，但随着系统容量的增大，变频器损耗在总损耗中所占的比例逐渐升高，如对于变频器供电100kw的异步电机，在额定负载时变频器的损耗与电机的损耗就已经各占一半。理论分析和实验结果表明，考虑变频器损耗与仅考虑异步电机损耗相比，对效率优化控制结果影响并不明显；事实上，仅考虑异步电机效率优化控制的结果使得电机定子电流幅值减少，从而降低了变频器的开关损耗。
异步电机损耗中的机械损耗和杂散损耗，与电机转速和实际工况（输出转速与）有关，属于不可控损耗；铜损和铁损与电机电流与磁链相关，可以通过一定的控制策略加以控制，属于可控损耗。因此，变频调速系统的节能控制，实际是采取相应的控制策略控制异步电机损耗中的铜损与铁损（可控损耗），提高变频调速系统的运行效率。目前国内外变频调速系统的节能控制策略主要分为基于损耗模型的节能控制和基于在线搜索的节能控制：前者是结合所考虑的损耗类型，建立异步电机损耗模型，通过基本理论与公式推导以及一定的简化处理，得出相应的节能控制策略，主要有全损耗模型控制、直接降压控制、恒转差频率控制、恒功率因数控制、铜损等于铁损控制和单位定子电流最大转矩控制；后者根据在线搜索的控制变量不同主要有搜索输入功率、搜索定子电流、搜索直流母线电流等控制策略。
3. TMdrive-MV系列高压IGBT变频器
我司研制的TMdrive-MV系列高压IGBT变频器具有以下特点：
（1） 容量范围广
驱动3KV、6KV、10KV等级的异步电动机，容量覆盖范围广3.3KV（200KVA到3000KVA） 、6KV（360KVA到10200KVA）10KV（600KVA到19000KVA）。
（2）电源的优质负载，电动机的优质动力源
达到IEEE-519要求标准。不需要更换原设电动机。
（3）高效率
输出电流基本为正弦波，减少了电动机的高次谐波损失。不需设输出变压器，消除了由此造成的效率损失。
（4）高功率因数
采用二极管全波整流，显著提高了功率因数。（输入功率因数达0.95以上）
（5）节省能源
排风机、风扇、泵等平方转矩负载的可变速驱动，可大幅度节省能源。
（6）高可靠性
主回路中采用了最新的三菱品牌1700V高压IGBT，在减少部件数量的同时，也大幅度提高了可靠性。采用了功率电子控制的专用32位微处理器。
4. 变频调速技术发展趋势
（1）低电磁噪音、静音化
新型通用变频器除了采用SVPWM调制实现静音化外，还在通用变频器输入侧加交流电抗器或有源功率因数校正电路APFC，在逆变电路中采取Soft-PWM控制技术等，实现所谓的清洁电能的变换。
（2）专用化
新型通用变频器为更好地发挥变频调速控制技术的独特功能，派生了许多专用机型如风机水泵空调专用型、起重机专用型、恒压供水专用型、交流电梯专用型、纺织机械专用型、机械主轴传动专用型、电源再生专用型、中频驱动专用型、机车牵引专用型等。
（3）系统化
通用变频器除了发展单机的智能化、多功能化外，还向集成化、系统化方向发展。如西门子公司提出的集通讯、设计和数据管理三者于一体的“全集成自动化”（TIA）平台概念，可以像驱动装置嵌入“全集成自动化”系统那样进行，为用户提供最佳的系统功能。
（4）网络化
新型通用变频器可提供多种兼容的通信接口，支持多种不同的通信协议，内装RS485接口，可由个人计算机向通用变频器输入运行命令和设定功能码数据等，通过选件可与现场总线：Profibus-DP！ModbuSPluS等通讯。
（5）“易于使用”的模式
新型通用变频器机内固化的“调试指南”会引导你一步一步地填入调试表格，无需记住任何参数，充分体现了易操作性。如西门子公司的新一代MlcROMASTER420/440因采用了一种称为/易于使用0的成功概念，使得操作变得非常简单。
（6）参数趋势图形
新型通用变频器的参数趋势图可适时地显示各信号的现时运行状态，用户在调试过程中，可随时监控和记录运行参数。如西门子公司的新一代MlcRoMASTER420/440的高级操作板AOP，可使变频器的参数上装或下装。
5.结语
70年代以后，功率晶体管（GTR）、门极关断晶闸管（GTO晶闸管）、功率MOS场效应晶体管（PowerMOSFET）、绝缘栅双极晶体管（IGBT），MOS控制晶闸管（MCT）等先后问世，这些器件都是既能控制导通又能控制关断的自关断器件，又称全控型器件。它不再需要强迫换相电路，使得逆变器构成简单、结构紧凑。电力电子器件正在向大功率化、高频化、模块化、智能化发展。
参考文献
[1] 熊妍，沈燕群，江剑，何湘宁.IGBT损耗计算和损耗模型研究[J].电源技术应用. 2006（05）
[2] 冷增祥.关于中、高压变频器的一些知识[J].电源技术应用. 2002（11）