浅谈交流变频调速技术的发展

摘 要：文章阐述了交流变频调速技术的发展、原理及各种变频器的优缺点，为我们合理 选用变频器提供了理论基础。
　　关键词：变频调速技术;电力;电子器件;数字微处理器お

　　近20年来，虽然以 功率晶体管(GTR)作为逆变器功率器件，8位微处理器为控制核心，按压频比(U/f)控制 原理实现异步电动机调速的变频器，在性能和品种上出现了巨大的技术进 步，但下列技术的进步，使变频调速技术进一步得到提升：其一，所有的电力电子器件GTR 已经基本上为绝缘栅双极型晶体管(IGBT)所替代，进而广泛采用性能更为完善的智能功率 模块(IPM),使得变频器的容量和电压等级不断地扩大和提高;其二，8位微处理器基本被1 6位微处理器所替代，进而有采用功能更强的32位微处理器或双CPU，使得变频器的功能从单 一的变频调速功能发展为含有逻辑和智能控制的综合功能;其三，在改善压频比控制性能的 同时，推出能实现矢量控制和转矩直接控制的变频器，使得变频器不仅能实现宽调速，还可 进行伺服控制。

变频调速技术的发展，大体可以从如下4个方面进行综述。

1 电力电子器件的更新

逆变器从采用晶闸管半控器件到采用GTR全控器件，其输出波 形从交流方波发展为脉宽调制(PWM)波形，大大减小了谐波分量，拓宽了异步电动机变频 调速范围，并减小了转矩的脉动幅度。然而，GTR工作频率一般在2kHz以下，载波频率和最 小脉宽都受到限制，难以得到较为理想的正弦波脉宽调制波形，使异步电动机在变频调速时 产生噪声。

IGBT的工作频率可在10~20kHz之间，与GTR相比，不仅工作频率高出一个数量级，而且 在电压和电流指标均已超出GTR。由于逆变器载波频率的提高，以及可以构成特定的PWM波形 ，异步电动机变频调速控制器的谐波噪声大为降低。

智能功率模块(IPM)是以IGBT为开关器件，同时含有驱动电路和保护电路的一种功率集 成器件(PIC)。IPM的保护功能有过电流、短路、欠电压、过电压和过热等，还可以实现再 生制动。由IPM组成的逆变器只需对桥臂上各个IGBT提供隔离的PWM信号即可。简单的外部电 路和控制电路的集成化，使变频器体积大为减小。还有，由于功率开关器件的故障检测和保 护电路接近故障点，故可以抑制故障扩大，保证装置可靠运行。

2 控制策略的发展
　　第1代变频器采用的是恒压频比控制方式，它根据异步电动机等效 电路确定的线性进行变频调速。电压是指基波的有效值，改变U/f只能调节电动机的稳态磁 通和 转矩，谈不上动态控制。为提高低频时电动机产生的转矩，通常采用提升电压以及随负载变 化补尝定子绕组电压降的办法，可以拓宽变频调速范围至20∶1左右。

第2代变频器的主要特征是采用矢量控制方式，它参照直流电动机的控制方式，将异步 电动机的定子电流空间矢量分解为转子励磁分量和转矩分量。首先是要控制励磁，所以又把 矢量控制称为磁场定向控制。至于转矩的控制则是间接的。矢量控制的主要缺点是需要复杂 的坐标变换运算，以及需检测转速信号。因此，进一步提出无速度传感器矢量控制的方法， 它根据异步电动机实际运行的相电压和相电流，以及定转子绕组参数推算出转速观测值，以 实现磁场定向的矢量控制。由于转速观测值的精度受到所用计算参数与电动机实际运行参数 之间偏差大小的影响，所以无速度传感器矢量控制的调速精度和范围，均低于带速度编码器 的矢量控制方案。一般前者的调速精度为1%，输出额定转矩时的最低频率只能达到1Hz左右 ，而后者调速精度为0.01%，最低频率为0.1Hz。

与矢量控制并行发展的还有直接转矩控制方式，它以异步电动机的转矩作为被控量，强 调转矩的直接控制效果，并不刻意追求输出电流为正弦波形。异步电动机的直接转矩控制是 直接在定子坐标上计算磁链的幅值和转矩的大小，对其进行直接跟踪调节，以获得迅速的动 态响应，其响应速度可小到1~2ms。从转矩调控要求看，磁链有点误差，并不会对转矩控制 性能产生重大影响。这种控制方式的优点是对电动机参数变化不敏感。

近几年来，不依赖电动机模型的模糊自寻优控制、人工神经网络等智能化控制方法开始 引入到交流调速系统中，成为交流调速控制理论、控制技术新的研究发展方向。

3 数字微处理器的应用

数字化使得控制器对信息的处理能力大幅度提高 ，许多难以实现的复杂控制，采用微机控制器后便都解决了。高性能的矢量控制系统，如果 没有微机的支持是不可能真正实现的。此外，微机控制技术给交流调速系统增加了多方面的 功能，特别是故障诊断技术得到了完全的实现。

微机控制技术及大规模集成电路的应用提高了交流调速系统