变频调速技术概况

众所周知，直流调速系统具有较为优良的静、动态性能指标。在很长的一个历史时期内，调速传动领域基本上被直流电动机调速系统所垄断。直流电动机虽有调速性能好的优势，但也有一些固有的难于克服的缺点，主要是机械式换向器带来的弊端。其缺点是：①维修工作量大，事故率高；②容量、电压、电流和转速的上限值，均受到换向条件的制约，在一些大容量、特大容量的调速领域中无法应用；③使用环境受限，特别是在易燃易爆场合难于应用。而交流电动机有一些固有的优点：①容量、电压、电流和转速的上限，不像直流电动机那样受限制；②结构简单、造价低；③坚固耐用，事故率低，容易维护。它的最大缺点是调速困难，简单调速方案的性能指标不佳。随着交流电动机调速的理论问题的突破和调速装置（主要是变频器）性能的完善，交流电动机调速性能差的缺点已经得到了克服。目前，交流调速系统的性能已经可以和直流调速系统相匹敌，甚至可以超过直流系统。

交流电动机大多数调速方案的基本原理很早以前就已经确立了。仅是由于电力变换技术和控制手段的制约，有的被限制在实验室中，有的虽付诸实用也因稳定性、可靠性及维护等方面的某些不足，在当时历史条件下使用范围受到一定的限制。60年代中期，普通晶闸管、小功率晶体管的实用化，使交流电动机变频调速也进入了实用化。采用晶闸管的同步电动机自控式变频调速系统、采用电压型或电流型晶闸管变频器的笼型异步电动机调速系统（包括不属变频方案的绕线转子异步电动机的串级调速系统）等先后实现了实用化，使变频调速开始成为交流调速的主流。此后的20多年中，电力电子技术和微电子技术以惊人的速度向前发展，变频调速传动技术也随之取得了日新月异的进步。这种进步，突出表现在变频装置的大容量化、主开关器件的自关断化、开关模式的PWM化及控制方式的全数字化等方面。

2.1.1.1 交流调速装置的大容量化

对一些大型生产机械的主传动，直流电动机在容量等级方面已接近极限值，采用直流调速方案无论在设计和制造上都已十分困难。某些大容量高速传动，过去只能采用增速齿轮或是直接以汽轮机传动，噪声大，效率低，占地面积大。特大容量交流传动装置的发展，填补了这方面的空白。

例如，用于传动裂化气体压缩机的21000kW、5900r/min的交-直-交电流型无换向器电动机已于1984年投入运行。这是法国AL STHOM公司制造的。该公司提供的5000kW以下的无换向器电动机调速系统，转速可达10000r/min；75000kW以下的，转速可达4000r/min。日本也能提供类似设备。又如德国西门子公司，1984年生产的一台低速大容量交-交变频器，是2×10920kW同步电动机交-交矢量控制系统，用于厚板轧钢机。其技术指标已优于直流传动。

大容量交流电动机通常是高压的。为了适应高压电动机，大容量交-直-交电压型PWM变频器大致有两种类型：直接高压型和高-低-高型。其中直接高压型发展较迅速。

图2-1所示为GTO三电平（三点式）电压型PWM变频器。网侧变流器和负载侧变流器结构相同，是我们熟悉的中点钳位式电路。这是高压变频器最基本的方案。由此还可以演化出多电平（多点式）方案。电动机和电网电压越高，每臂内串联的GTO个数可以越多，钳位二极管、直流侧分压电容器的个数也随之增多，即形成多电平方案。采用适当的PWM控制模式，可以得到极好的性能，即输入输出电流基本上为正弦，网侧功率因数可达到1，还可以向电网回馈能量而实现系统的四象限运行。当网侧变流器采用了PWM整流器（其原理见2.5.2节）时，成本较高；若采用二极管整流器，成本低，但网侧谐波成分变大，不可以将制动能量回馈电网。

另外，采用常规的单相二电平变频器作为基本单元，多级串联起来构成多级多电平高压变频器（称为“单元串联式变频器”），是一种更新的方案。其中每个单元变频器都是低压的，主开关器件可以采用GTO，亦可以采用IGBT。串联单元数越多，谐波成分越小，可以达到所谓“完美无谐波”。所用开关管多、不易实现四象限运行是单元串联式变频器的缺点。

图2-1 GTO三电平电压型PWM变频器主电路

严格地讲，高压大容量变频器已不属于我们所言的“通用变频器”了。鉴于其重要性，本书专设第6章予以介绍。

2.1.1.2 开关器件的自关断化

近十几年，大功率自关断电力电子器件的发展十分迅速（见第1章）。其中门极关断（GTO）晶闸管、大功率晶体管（BJT）和绝缘栅双极型晶体管（IGBT）的发展最快，实用化的程度也最高。采用自关断器件省去了线路复杂、体积较大的强迫换相电路，既可以减小装置体积，又降低了开关损耗提高了效率。同时，由于开关频率的提高，变流器可采用PWM控制，既降低谐波损耗、减小转矩脉动，又可以提高快速性、改善功率因数。优点是很多的。

据统计，目前变频器中的开关器件，在容量为2300kW以下的采用IGBT；1000～7500kW的采用GTO、IGBT或IEGT；1975年前后还是普通晶闸管的一统天下，如今已经发生了巨大的变化。随着自关断器件性能的改善和新型器件的开发，变频器主开关器件自关断化的进程必将进一步向前推进。

2.1.1.3 变频装置的高性能化

早期的变频调速系统，基本上是采用U/f控制方式，无法得到快速的转矩响应，低速特性也不好（负载能力差）。1971年德国西门子公司发明了所谓“矢量控制”技术。一改过去传统方式中仅对交流电量的量值（电压、电流、频率的量值）进行控制的方法，实现了在控制量值的同时也控制其相位的新控制思想。使用坐标变换的办法，实现定子电流的磁场分量和转矩分量的解耦控制，可以使交流电动机像直流电动机一样具有良好的调速性能。

多年来，人们围绕着矢量控制技术做了大量的工作，如今矢量控制这一新的交流电动机调速原理得到了广泛的实际应用，并相应地形成了许多系列化的实际装置。其性能指标已经完全可以做到与直流调速系统一样，甚至有所超过，完全可以取代直流调速系统。

在一些轧钢厂中，大型初轧机这类快速可逆系统，20世纪90年代初采用了交-交变频矢量控制系统，到目前又开始采用交-直-交电压型变频器的矢量控制系统。三电平IGBT双PWM变频器广泛用于轧钢生产线。实践证明，它完全可以满足生产工艺的要求，达到了已往直流调速系统的性能指标。(www.xing528.com)

2.1.1.4 PWM技术的应用

自关断器件的发展为PWM技术铺平了道路。目前几乎所有的变频调速装置都采用这一技术。PWM技术用于变频器的控制，可以改善变频器的输出波形，降低电动机的谐波损耗，并减小转矩脉动，同时还简化了逆变器的结构，加快了调节速度，提高了系统的动态响应性能。

PWM技术除了用于逆变器的控制，还用于整流器的控制。PWM整流器现已开发成功，利用它可以实现网侧输入电流正弦和电网功率因数为1，并可将电机的再生制动能量回馈到电网。人们称PWM整流器是对电网无污染的“绿色”变流器。西门子公司称之为AFE（Active Front End），直译为“有源前端”，又称为自换向脉冲式整流回馈单元。

PWM波形的生成方法有多种多样，有载波调制法、微机查表法（包括著名的谐波消去法及由此进化而来的优化法等）、实时计算法和自激振荡法等。这些方法已趋成熟，在实际中均有应用。

PWM控制方式在电气传动的许多方面都有成功的应用。本书着重研究的通用变频器就是一种PWM变频器。最常用SPWM（Sinusoidal Pulse Width Modulation）和SVPWM（Space Vector PWM）技术。

2.1.1.5 全数字控制技术的应用

各类电气传动装置的控制器全面采用全数字控制，已经成为事实。交流调速传动也不例外，采用全数字控制方式的各类交流调速传动控制系统不断涌现，其性能也得到了很大的改善。

由变频器供电的调速系统是一个快速系统，在使用数字控制时要求的采样频率较高，通常高于1kHz，常需要完成复杂的操作控制、数学运算和逻辑判断，所以要求单片机具有较大的存储容量和较强的实时处理能力。前段时间内，较为流行的方案是采用数片单片机来构成一个功能较强的全数字控制器。实用中单片机的数量常根据具体任务适当选配。

全数字控制方式，使信息处理能力大幅度地增强。采用模拟控制方式无法实现的复杂控制在今天都已成为现实，使可靠性、可操作性、可维修性，即所谓的RAS（Reliability，Availability，Serviceability）功能得以充实。微处理机和大规模集成电路的引入，对于变频器的通用化起到了决定性的作用。

全数字控制具有如下特点：

1.精度高 数字计算机的精度与字长有关，变频器中使用16位乃至32位微型机作为控制机，精度在不断提高。

2.稳定性好 由于控制信息为数字量，不会随时间发生漂移。与模拟控制不同，它一般不会随温度和环境条件发生变化。

3.可靠性高 微型计算机采用大规模集成电路，系统中的硬件电路数量大为减少，相应的故障率大大降低。

4.灵活性好 系统中硬件向标准化、集成化方向发展，可以在尽可能少的硬件支持下，由软件去完成复杂的控制功能。适当地修改软件，就可以改变系统的功能或提高其性能。

5.存储能力强 存储容量大，存放时间几乎不受限制，这是模拟系统不能比拟的。利用这一特点可在存储器中存放大量的数据或表格，利用查表法简化计算，提高运算速度。

6.逻辑运算能力强 容易实现自诊断、故障记录、故障寻找等功能，使变频装置可靠性、可使用性、可维修性大大提高。

7.强实时运算能力 完成矢量控制系统的电机模型和控制算法的在线实时运算。