交流变频调速技术的发展

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16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。
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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的可靠性，操作、设置的多样性和灵活性，降低了变频调速装置的成本和体积。
　　
以微处理器为核心的数字控制已成为现代交流调速系统的主要特征之一，用于交流调速系统的微处理器发展情况简介如下：
　　
3.1单片机
　　
开始采用微机控制时，总要选用CPU、ROM、RAM、定时器/计数器、I/O、A/D、D/A等芯片，组成最小微机系统。为了适应这种需要，一些公司开始在一块芯片上直接集成这些部件，称为单片机。就其组成而言，可以说，一片单片机芯就是一台计算机，大大缩小了控制器的体积，降低了成本，增强了功能。随着单片机性能不断提高，单片机具有了丰富的硬件资源和软件资源。然而单片机对大量数据处理或浮点运算能力有限，因此有待于进一步提高运算速度。
　　
3.2数字信号处理器(DSP)
　　
为了提高运算速度，20世纪80年代初期出现了数字信号处理器，其中采取了一系列措施，包括集成硬件乘法器、提高时钟频率、支持浮点运算等，以提高运算速度。近几年来，将DSP做成磁心，把PWM生成、A/D变换器等集成于一个芯片上，成为一种32位的速度高、功率强大的单片机，其应用日益广泛。
　　
3.3精简指令集计算机
　　
RISC在1986年前后问世，它是将控制器、PWM、A/D等组成一体做成芯片，是计算机体系结构上的一次突破，使微处理器在性能上获得了质的飞跃。微处理器的进步往往只靠改进VLSI(超大规模集成)硬件的工艺，来提高时钟频率和微处理器速度。RISC则把着眼点放在经常使用的基本指令的执行效率上，依靠硬件与软件的优化组合来提高速度。在RISC中，扬弃了运算复杂而用处不大的指令，省出这些指令所占用的硬件资源，以提高简单指令的运行速度。自RISC诞生以来，经过10多年的发展，其工作速度已从2~3MIPS提高到1000MIPS。
　　
3.4高级专用集成电路
　　
ASIC也称为适合特定用途的IC，是专用芯片的标准单元、门阵列合在一起的内部门阵列和作为程序使用的可编程逻辑阵列的结构。能完成特定功能的初级专用集成电路早已商品化，例如交流变压变频用的SPWM波形发生器有HEF4752、SLE4520。高级专用集成电路的功能远远超过一个发生器，往往能够包括一种特定的控制系统，例如德国IAM1994年推出的VECON,它是一个交流伺服系统的单片矢量控制器，能完成矢量运算的DSP协处理器、PWM定时器，以及其他外围和接口电路，都集成在一个芯片之内，使可靠性大大提高。
　　
4功能综合化
　　
新一代的变频器由于具有功能很强的微处理器支持，除能完成电动机变频调速的基本功能外，还具有内置的可编程、参数辨识及通讯等功能。例如：
　　
4.1自动加减速
　　
变频器可实现模糊最优加减速，它根据电动机的负载状态而自动设定加减速的最短时间;或者在设定的最短加减速时间内，将加速电流限制，将减速的直流过电压控制在允许值以内。
　　
4.2程序运行
　　
变频器可以根据预设的速度值和运行时间执行多段程序运行。例如，各段运行时间、加减速时间以及正反向均可事先设定。
　　
4.3节电运行
　　
变频器能自动选定输出电压，使电动机运行于最小电流状态，从而使电动机损耗最低，其效率在原有节能基础上再提高3%。
　　
4.4电动机参数辨识
　　
无速度传感器矢量控制变频器需要根据电动机参数推算转速观测值。一般制造厂商将变频器供电的标准电动机参数事先设定好，也可以由用户将所有电动机的参数进行新的设定。新型变频器也可以做到第一次试运行时按规定程序自动辨识电动机参数并打印出来。这样就拓宽了变频器的应用范围，而且使用很方便。
　　
4.5通讯和反馈功能
　　
新型变频器一般都带有RS232/422/485通讯接口，可以实现上位工控机对变频器的1对1或1对多的通讯功能，可将上位机的运行指令下达，或将变频器的运行状态上传。在需要高精度控制时，可选用编码器，将转速反馈信号反馈到变频器，构成闭环系统。变频器的通讯功能，对于不同的厂家有不同形式。完善的软件功能和规范的通讯协议，使它可实现灵活的系统组态，组成现场总线系统，变频器在其中作为通讯的从站和传动执行装置。
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交流调速技术的发展过程表明，现代工业生产及社会发展的需要推动了交流调速的飞速发展。现代控制理论的发展和应用、电力电子技术的发展和应用、微机控制技术及大规模集成电路的发展和应用，为交流调速的飞速发展创造了技术和物质条件。