通用變頻器的發展研究

　　60年代中期，普通晶閘管、小功率晶體管的實用化，使交流電動機變頻調速也進入了實用化。采用晶閘管的同步電動機自控式變頻調速系統、采用電壓型或電流型晶閘管變頻器的籠型異步電動機調速系統(包括不屬變頻方案的繞線轉子異步電動機的串級調速系統)等先后實現了實用化，使變頻調速開始成為交流調速的主流。

　　此后的20多年中，電力電子技術和微電子技術以驚人的速度向前發展，變頻調速傳動技術也隨之取得了日新月異的進步。

　　這種進步，突出表現在：

　　(1)變頻裝置的大容量化

　　對一些大型生產機械的主傳動，直流電動機在容量等級方面已接近極限值，采用直流調速方案無論在設計和制造上都已十分困難。

　　為了適應大容量的高壓電動機，采用直接高壓型PWM變頻器來控制高壓電動機，發展較迅速。

　　(2)主開關器件的自關斷化

　　近十幾年，大功率自關斷電力電子器件的發展十分迅速，其中“門極關斷晶閘管(GTO)、雙極晶體管(BJT)/電力晶體管(GTR)、絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)”的發展最快，實用化的程度也最高。

　　采用自關斷器件省去了線路復雜、體積較大的強迫換相電路，既可以減小裝置體積，又降低了開關損耗提高了效率。同時，由于開關頻率的提高，變流器可采用PWM控制，既降低諧波損耗、減小轉矩脈動，又可以提高快速性、改善功率因數。優點是很多的。

　　據統計，目前變頻器中的開關器件，容量為1500kW以下的采用IGBT;1000～7500kW的采用GTO。

　　(3)變頻裝置的高性能化

　　早期的變頻調速系統，基本上是采用U/F控制，無法得到快速的轉矩響應，低速特性也不好(負載能力差)。

　　1971年德國西門子公司發明了所謂“矢量控制”技術。一改過去傳統方式中僅對交流電量的量值(電壓、電流、頻率的量值)進行控制的方法，實現了在控制量值的同時也控制其相位的新控制思想。使用坐標變換的辦法，實現定子電流的磁場分量和轉矩分量的解耦控制，可以使交流電動機像直流電動機一樣具有良好的調速性能。

　　多年來，人們圍繞著矢量控制技術做了大量的工作，如今矢量控制這一新的交流電動機調速原理得到了廣泛的實際應用，做到與直流調速系統一樣，甚至有所超過，完全可以取代直流調速系統。

　　在一些軋鋼廠中，大型初軋機這類快速可逆系統，90年代初采用了“交-交變頻”矢量控制系統，到目前又開始采用“交-直-交”電壓型變頻器的矢量控制系統。實踐證明，它完全可以滿足生產工藝的要求，達到了已往直流調速系統的性能指標。

　　(4)PWM技術的應用

　　PWM：(PulseWidthModulation)脈寬調制技術。

　　自關斷器件的發展為PWM技術鋪平了道路。目前幾乎所有的變頻調速裝置都采用這一技術。

　　PWM技術用于變頻器的控制，可以改善變頻器的輸出波形，降低電動機的諧波損耗，并減小轉矩脈動，同時還簡化了逆變器的結構，加快了調節速度，提高了系統的動態響應性能。

　　PWM技術除了用于逆變器的控制，還用于整流器的控制。PWM整流器現已開發成功，利用它可以實現輸入電流正弦和電網功率因數為1。人們稱PWM整流器是對電網無污染的“綠色”交流器。

　　(5)控制方式的全數字化等方面。

　　全數字控制方式，使信息處理能力大幅度地增強。采用模擬控制方式無法實現的復雜控制在今天都已成為現實。微處理機和大規模集成電路的引入，對于變頻器的通用化起到了決定性的作用。全數字控制具有如下特點：

　　精度高：數字計算機的精度與字長有關，變頻器中使用16位乃至32位微型機作為控制機，精度在不斷提高。

　　穩定性好：由于控制信息為數字量，不會隨時間發生漂移。與模擬控制不同，它一般不會隨溫度和環境條件發生變化。

　　可靠性高：微型計算機采用大規模集成電路，系統中的硬件電路數量大為減少，相應的故障率大大降低。

　　靈活性好：系統中硬件向標準化、集成化方向發展，可以在盡可能少的硬件支持下，由軟件去完成復雜的控制功能。適當地修改軟件，就可以改變系統的功能或提高其性能。

　　存儲能力強：存儲容量大，存放時間幾乎不受限制，這是模擬系統不能比擬的。利用這一特點可在存儲器中存放大量的數據或表格，利用查表法簡化計算，提高運算速度。

　　邏輯運算能力強：容易實現自診斷、故障記錄、故障尋找等功能，使變頻裝置可靠性、可使用性、可維修性大大提高。