浅谈变频器的电气试验与测试仪表

　　交流变频调速是集电力电子、自动控制、微电子学和电机学等技术之精华的一项高新技术，自问世以来倍受瞩目。它以优异的调速性能、显著的节电效果和广泛的适用性而被国内外公认为世界上应用最广、效率最高、最理想的电气传动方案。随着计算机技术、微电子技术和电力电子技术的发展, 变频技术得到了迅速提升, 应用日渐广泛。变频调速在调速范围、调速精度、动态响应、输出转矩、智能控制、节约电能等方面的优异性能，是其它交流调速方式无法比拟的，特别是在节约能源及提高产品质量、提高设备的效率方面, 获得了很好的经济效益和社会效益。

　　二、变频技术的发展

　　随着生产技术的不断发展，直流拖动的薄弱环节逐步显露出来。由于换向器的存在，直流电机的维护量加大，单机容量、最高转速以及使用环境都受到限制。人们开始转向结构简单、运行可靠、维护方便、价格低廉的异步电动机。但异步电动机的调速性能难以满足生产的需要。于是，从20世纪30年代开始，人们致力于交流调速技术的研究，然而进展缓慢。在相当长的时期内，直流调速一直以其优异的性能统治着电气传动领域。20世纪60年代以后，特别是70年代以来，电力电子技术、控制技术和微电子技术的飞速发展，使得交流调速性能可以与直流调速媲美。目前，交流调速已进入逐步代替直流调速的时代。

　　20世纪80年代, 脉宽调制变压变频(PWM —VVV F) 调速研究引起了人们的高度重视， 并得出诸多优化模式, 其中以鞍形波PWM 模式效果最佳。20 世纪80年代后半期开始, 美、日、德、英等发达国家的VVV F 变频器已投入市场并广泛应用，但它的静态调速精度较差。

　　之后出现的转差频率控制变频是根据速度传感器的检测, 可以求得转差频率△f , 再把它与速度设定值f相叠加,以该叠加值作为逆变器的频率设定值f1 , 实现转差补偿。与VVV F 相比, 其高速精度大为提高。但是, 使用速度传感器求取转差频率, 要针对具体电动机的机械特性调整控制参数, 因而这种控制方式的通用性较差。

　　矢量控制变频技术的做法是: 根据交流电动机的动态数学模型, 利用坐标变换的手段, 将交流电机的定子电流分解成磁场分量电流和转矩分量电流, 并分别加以控制, 即模仿自然解耦的直流电动机的控制方式，对电动机的磁场和转矩分别进行控制, 以获得类似于直流调速系统的动态性能。矢量控制方法的提出具有划时代的意义，然而在实际应用中, 由于转子磁链难以准确检测, 系统特性受电动机参数的影响较大, 且在等效直流电动机控制过程中所用矢量旋转变换较复杂,使得实际的控制效果难以达到理想分析的结果。

　　1985年, 德国鲁尔大学的DePenb rock 教授首次提出了直接转矩控制变频技术。该技术在很大程度上解决了上述矢量控制的不足, 并以新颖的控制思想、简洁明了的系统结构、优良的动静态性能得到了迅速发展。目前,该技术已成功地应用在电力机车牵引的大功率交流传动上。

　　直接转矩控制变频是利用空间电压矢量PWM 控制电动机的磁链和转矩实现的。它不需要将交流电动机化成等效直流电动机, 因而省去了矢量旋转变换中的许多复杂计算；它不需要模仿直流电动机的控制, 也不需要为解耦而简化交流电动机的数学模型。

　　矩阵式交-交变频, 省去了中间直流环节, 从而省去了体积大、价格贵的电解电容。它能实现功率因数为l, 输入电流为正弦且能四象限运行, 系统的功率密度大。该技术目前虽尚未成熟, 但仍吸引着众多的学者深入研究。

　　三、变频技术的应用

　　变频技术主要应用在以下几个方面：

　　3.1节能

　　我国的电动机用电量占全国发电量的60％～70％，风机、水泵设备年耗电量占全国电力消耗的1/3。造成这种状况的主要原因是：风机、水泵等设备传统的调速方法是通过调节入口或出口的挡板、阀门开度来调节给风量和给水量，其输出功率大量的能源消耗在挡板、阀门地截流过程中。由于风机、水泵类大多为平方转矩负载，轴功率与转速成立方关系，所以当风机、水泵转速下降时，消耗的功率也大大下降，因此节能潜力非常大，最有效的节能措施就是采用变频器来调节流量、风量，应用变频器节电率为20％～50％。与此类似, 许多变动负载电机一般按最大需求来设计,设计的容量比实际需要高出很多，存在“大马拉小车”的现象，效率低下，造成电能的大量浪费。如采用变频调速, 可大大提高轻载运行时的工作效率。因此推广交流变频调速装置效益显著。

作为节能目的, 变频器广泛应用于电力、冶金、石油、化工、市政、中央空调、水处理等行业中。以电力行业为例, 由于中国大面积缺电, 电力投资将持续增长,同时, 国家