交流變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展

近20年來，雖然以功率晶體管(GTR)作為逆變器功率器件，8位微處理器為控制核心，按壓頻比(U/f)控制原理實(shí)現(xiàn)異步電動機(jī)調(diào)速的變頻器，在性能和品種上出現(xiàn)了巨大的技術(shù)進(jìn)步，但下列技術(shù)的進(jìn)步，使變頻調(diào)速技術(shù)進(jìn)一步得到提升：其一，所有的電力電子器件GTR已經(jīng)基本上為絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)所替代，進(jìn)而廣泛采用性能更為完善的智能功率模塊(IPM),使得變頻器的容量和電壓等級不斷地擴(kuò)大和提高;其二，8位微處理器基本被16位微處理器所替代，進(jìn)而有采用功能更強(qiáng)的32位微處理器或雙CPU，使得變頻器的功能從單一的變頻調(diào)速功能發(fā)展為含有邏輯和智能控制的綜合功能;其三，在改善壓頻比控制性能的同時，推出能實(shí)現(xiàn)矢量控制和轉(zhuǎn)矩直接控制的變頻器，使得變頻器不僅能實(shí)現(xiàn)寬調(diào)速，還可進(jìn)行伺服控制。

變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展，大體可以從如下4個方面進(jìn)行綜述。
　　
1電力電子器件的更新
　　
逆變器從采用晶閘管半控器件到采用GTR全控器件，其輸出波形從交流方波發(fā)展為脈寬調(diào)制(PWM)波形，大大減小了諧波分量，拓寬了異步電動機(jī)變頻調(diào)速范圍，并減小了轉(zhuǎn)矩的脈動幅度。然而，GTR工作頻率一般在2kHz以下，載波頻率和最小脈寬都受到限制，難以得到較為理想的正弦波脈寬調(diào)制波形，使異步電動機(jī)在變頻調(diào)速時產(chǎn)生噪聲。
　　
IGBT的工作頻率可在10~20kHz之間，與GTR相比，不僅工作頻率高出一個數(shù)量級，而且在電壓和電流指標(biāo)均已超出GTR。由于逆變器載波頻率的提高，以及可以構(gòu)成特定的PWM波形，異步電動機(jī)變頻調(diào)速控制器的諧波噪聲大為降低。
　　
智能功率模塊(IPM)是以IGBT為開關(guān)器件，同時含有驅(qū)動電路和保護(hù)電路的一種功率集成器件(PIC)。IPM的保護(hù)功能有過電流、短路、欠電壓、過電壓和過熱等，還可以實(shí)現(xiàn)再生制動。由IPM組成的逆變器只需對橋臂上各個IGBT提供隔離的PWM信號即可。簡單的外部電路和控制電路的集成化，使變頻器體積大為減小。還有，由于功率開關(guān)器件的故障檢測和保護(hù)電路接近故障點(diǎn)，故可以抑制故障擴(kuò)大，保證裝置可靠運(yùn)行。
　　
2控制策略的發(fā)展
　　
第1代變頻器采用的是恒壓頻比控制方式，它根據(jù)異步電動機(jī)等效電路確定的線性進(jìn)行變頻調(diào)速。電壓是指基波的有效值，改變U/f只能調(diào)節(jié)電動機(jī)的穩(wěn)態(tài)磁通和轉(zhuǎn)矩，談不上動態(tài)控制。為提高低頻時電動機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩，通常采用提升電壓以及隨負(fù)載變化補(bǔ)嘗定子繞組電壓降的辦法，可以拓寬變頻調(diào)速范圍至20∶1左右。
　　
第2代變頻器的主要特征是采用矢量控制方式，它參照直流電動機(jī)的控制方式，將異步電動機(jī)的定子電流空間矢量分解為轉(zhuǎn)子勵磁分量和轉(zhuǎn)矩分量。首先是要控制勵磁，所以又把矢量控制稱為磁場定向控制。至于轉(zhuǎn)矩的控制則是間接的。矢量控制的主要缺點(diǎn)是需要復(fù)雜的坐標(biāo)變換運(yùn)算，以及需檢測轉(zhuǎn)速信號。因此，進(jìn)一步提出無速度傳感器矢量控制的方法，它根據(jù)異步電動機(jī)實(shí)際運(yùn)行的相電壓和相電流，以及定轉(zhuǎn)子繞組參數(shù)推算出轉(zhuǎn)速觀測值，以實(shí)現(xiàn)磁場定向的矢量控制。由于轉(zhuǎn)速觀測值的精度受到所用計算參數(shù)與電動機(jī)實(shí)際運(yùn)行參數(shù)之間偏差大小的影響，所以無速度傳感器矢量控制的調(diào)速精度和范圍，均低于帶速度編碼器的矢量控制方案。一般前者的調(diào)速精度為1%，輸出額定轉(zhuǎn)矩時的最低頻率只能達(dá)到1Hz左右，而后者調(diào)速精度為0.01%，最低頻率為0.1Hz。
　　
與矢量控制并行發(fā)展的還有直接轉(zhuǎn)矩控制方式，它以異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩作為被控量，強(qiáng)調(diào)轉(zhuǎn)矩的直接控制效果，并不刻意追求輸出電流為正弦波形。異步電動機(jī)的直接轉(zhuǎn)矩控制是直接在定子坐標(biāo)上計算磁鏈的幅值和轉(zhuǎn)矩的大小，對其進(jìn)行直接跟蹤調(diào)節(jié)，以獲得迅速的動態(tài)響應(yīng)，其響應(yīng)速度可小到1~2ms。從轉(zhuǎn)矩調(diào)控要求看，磁鏈有點(diǎn)誤差，并不會對轉(zhuǎn)矩控制性能產(chǎn)生重大影響。這種控制方式的優(yōu)點(diǎn)是對電動機(jī)參數(shù)變化不敏感。
　　
近幾年來，不依賴電動機(jī)模型的模糊自尋優(yōu)控制、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等智能化控制方法開始引入到交流調(diào)速系統(tǒng)中，成為交流調(diào)速控制理論、控制技術(shù)新的研究發(fā)展方向。