交流變頻調速技術的發(fā)展

近20年來，雖然以功率晶體管(GTR)作為逆變器功率器件，8位微處理器為控制核心，按壓頻比(U/f)控制原理實現異步電動機調速的變頻器，在性能和品種上出現了巨大的技術進步，但下列技術的進步，使變頻調速技術進一步得到提升：其一，所有的電力電子器件GTR已經基本上為絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)所替代，進而廣泛采用性能更為完善的智能功率模塊(IPM),使得變頻器的容量和電壓等級不斷地擴大和提高;其二，8位微處理器基本被16位微處理器所替代，進而有采用功能更強的32位微處理器或雙CPU，使得變頻器的功能從單一的變頻調速功能發(fā)展為含有邏輯和智能控制的綜合功能;其三，在改善壓頻比控制性能的同時，推出能實現矢量控制和轉矩直接控制的變頻器，使得變頻器不僅能實現寬調速，還可進行伺服控制。

變頻調速技術的發(fā)展，大體可以從如下4個方面進行綜述。
　　
1電力電子器件的更新
　　
逆變器從采用晶閘管半控器件到采用GTR全控器件，其輸出波形從交流方波發(fā)展為脈寬調制(PWM)波形，大大減小了諧波分量，拓寬了異步電動機變頻調速范圍，并減小了轉矩的脈動幅度。然而，GTR工作頻率一般在2kHz以下，載波頻率和最小脈寬都受到限制，難以得到較為理想的正弦波脈寬調制波形，使異步電動機在變頻調速時產生噪聲。
　　
IGBT的工作頻率可在10~20kHz之間，與GTR相比，不僅工作頻率高出一個數量級，而且在電壓和電流指標均已超出GTR。由于逆變器載波頻率的提高，以及可以構成特定的PWM波形，異步電動機變頻調速控制器的諧波噪聲大為降低。
　　
智能功率模塊(IPM)是以IGBT為開關器件，同時含有驅動電路和保護電路的一種功率集成器件(PIC)。IPM的保護功能有過電流、短路、欠電壓、過電壓和過熱等，還可以實現再生制動。由IPM組成的逆變器只需對橋臂上各個IGBT提供隔離的PWM信號即可。簡單的外部電路和控制電路的集成化，使變頻器體積大為減小。還有，由于功率開關器件的故障檢測和保護電路接近故障點，故可以抑制故障擴大，保證裝置可靠運行。
　　
2控制策略的發(fā)展
　　
第1代變頻器采用的是恒壓頻比控制方式，它根據異步電動機等效電路確定的線性進行變頻調速。電壓是指基波的有效值，改變U/f只能調節(jié)電動機的穩(wěn)態(tài)磁通和轉矩，談不上動態(tài)控制。為提高低頻時電動機產生的轉矩，通常采用提升電壓以及隨負載變化補嘗定子繞組電壓降的辦法，可以拓寬變頻調速范圍至20∶1左右。
　　
第2代變頻器的主要特征是采用矢量控制方式，它參照直流電動機的控制方式，將異步電動機的定子電流空間矢量分解為轉子勵磁分量和轉矩分量。首先是要控制勵磁，所以又把矢量控制稱為磁場定向控制。至于轉矩的控制則是間接的。矢量控制的主要缺點是需要復雜的坐標變換運算，以及需檢測轉速信號。因此，進一步提出無速度傳感器矢量控制的方法，它根據異步電動機實際運行的相電壓和相電流，以及定轉子繞組參數推算出轉速觀測值，以實現磁場定向的矢量控制。由于轉速觀測值的精度受到所用計算參數與電動機實際運行參數之間偏差大小的影響，所以無速度傳感器矢量控制的調速精度和范圍，均低于帶速度編碼器的矢量控制方案。一般前者的調速精度為1%，輸出額定轉矩時的最低頻率只能達到1Hz左右，而后者調速精度為0.01%，最低頻率為0.1Hz。
　　
與矢量控制并行發(fā)展的還有直接轉矩控制方式，它以異步電動機的轉矩作為被控量，強調轉矩的直接控制效果，并不刻意追求輸出電流為正弦波形。異步電動機的直接轉矩控制是直接在定子坐標上計算磁鏈的幅值和轉矩的大小，對其進行直接跟蹤調節(jié)，以獲得迅速的動態(tài)響應，其響應速度可小到1~2ms。從轉矩調控要求看，磁鏈有點誤差，并不會對轉矩控制性能產生重大影響。這種控制方式的優(yōu)點是對電動機參數變化不敏感。
　　
近幾年來，不依賴電動機模型的模糊自尋優(yōu)控制、人工神經網絡等智能化控制方法開始引入到交流調速系統中，成為交流調速控制理論、控制技術新的研究發(fā)展方向。