1.前言

 

    交流傳動(dòng)與控制技術(shù)是目前發(fā)展最為迅速的技術(shù)之一，這是和電力電子器件制造技術(shù)、變流技術(shù)控制技術(shù)以及微型計(jì)算機(jī)和大規(guī)模集成電路的飛速發(fā)展密切相關(guān)。

 

    通用變頻器作為早個(gè)商品開始在國內(nèi)上市，是近十年的事，銷售額逐年增加，于今全年有超過數(shù)十億元（RMB）的市場。其中．各種進(jìn)口品牌居多，功率小至百瓦大至數(shù)千千瓦；功能簡易或復(fù)雜；精度低或高；響應(yīng)慢或快：有PG（測速機(jī)）或無PG;有噪音或無噪音等等。

 

    對(duì)于許多用戶來說,這十年中經(jīng)歷了多次更新，現(xiàn)所使用的變頻器大都屬于目前最為先進(jìn)的機(jī)型如果從應(yīng)用的角度來說，我們的水準(zhǔn)與發(fā)達(dá)國家沒有什么兩樣。作為國內(nèi)制造商,通過這十年來對(duì)國外的先進(jìn)技術(shù)進(jìn)行銷化，也正在積極地進(jìn)行國產(chǎn)變頻器的自主開發(fā)．努力追趕世界發(fā)達(dá)國家的水平。

 

    回顧近十年來國外通用變頻器技術(shù)的發(fā)展對(duì)于深入了解交流傳動(dòng)與控制技術(shù)的走向，以及如何站在高起點(diǎn)上結(jié)合我國國情開發(fā)我國自己的產(chǎn)品應(yīng)該說具有十分積極的意義.

 

    2.關(guān)于功率器件

 

    變頻技術(shù)是建立在電力電子技術(shù)基礎(chǔ)之上的。在低壓交流電動(dòng)機(jī)的傳動(dòng)控制中，應(yīng)用最多的功率器件有GTO、GTR、IGBT以及智能模塊IPM(IntelligentPowerModule），后面二種集GTR的低飽和電壓特性和MOSFET的高頻開關(guān)特性于一體是目前通用變頻器中最廣泛使用的主流功率器件。IGBT集射電壓Vce可＜3V,頻率可達(dá)到20KHZ,內(nèi)含的集射極間超高速二極管Trr可達(dá)150ns,1992年前后開始在通用變頻器中得到廣泛應(yīng)用。其發(fā)展的方向是損耗更低,開關(guān)速度更快、電壓更高,容量更大(3.3KV、1200A),目前，采用溝道型柵極技術(shù)、非穿通技術(shù)等方法大幅度降低了集電極一發(fā)射極之間的飽和電壓［VCE（sat)］的第四代IGBT也已問世。

 

    第四代IGBT的應(yīng)用使變頻器的性能有了很大的提高。其一是ICBT開關(guān)器件發(fā)熱減少，將曾占主回路發(fā)熱50－70％的器件發(fā)熱降低了30％。其二是高載波控制，使輸出電流波形有明顯改善；其三是開關(guān)頻率提高，使之超過人耳的感受范圍，即實(shí)現(xiàn)了電機(jī)運(yùn)行的靜青化；其四是驅(qū)動(dòng)功率減少，體積趨于更小。

 

    而IPM的投入應(yīng)用比IGBT約晚二年，由于IPM包含了1GBT芯片及外圍的驅(qū)動(dòng)和保護(hù)電路.甚至還有的把光耦也集成于一體，因此是種更為好用的集成型功率器件，目前，在模塊額定由流10－600A范圍內(nèi)，通用變頻器均有采用IPM的趨問，其優(yōu)點(diǎn)是：

 

    （l）開關(guān)速度快，驅(qū)動(dòng)電流小，控制驅(qū)動(dòng)更為簡單。

 

    〔2)內(nèi)含電流傳感器，可以高效迅速地檢測出過電流和短路電流，能對(duì)功率芯片給予足夠的保護(hù)，故障率大大降低。

 

    （3)由于在器件內(nèi)部電源電路和驅(qū)動(dòng)電路的配線設(shè)計(jì)上做到優(yōu)化，所以浪涌電壓，門極振蕩，噪聲引起的干擾等問題能有效得到控制。

 

    （4）保護(hù)功能較為豐富，如電流保護(hù)、電壓保護(hù)、溫度保護(hù)一應(yīng)俱全，隨著技術(shù)的進(jìn)步，保護(hù)功能將進(jìn)一步日臻完善。

 

    （5｝IPM的售價(jià)已逐漸接近IGBT．而計(jì)人采用IPM后的開關(guān)電源容量、驅(qū)動(dòng)功率容量的減小和器件的節(jié)省以及綜合性能提高等因素后在許多場合其性價(jià)比已高過IGBT，有很好的經(jīng)濟(jì)性。

 

    為此IPM除了在工業(yè)變頻器中被大量采用之后，經(jīng)濟(jì)型的IPM在近年內(nèi)也開始在一些民用品如家用空調(diào)變頻器，冰箱變頻器、洗衣機(jī)變頻器中得到應(yīng)用。IPM也在向更高的水平發(fā)展，日本三菱電機(jī)最近開發(fā)的專用智能模塊ASIPM將不需要外接光耦，通過內(nèi)部自舉電路可單電源供電并采用了低電感的封裝技術(shù)，在實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)小型化，專用化，高性能，低成本方面又推進(jìn)了一步。

 

    3.關(guān)于控制方式

 

    早期通用變頻器如東芝TOSVERT－130系列、FUJIFVRG5／P5系列，SANKENSVF系列等大多數(shù)為開環(huán)恒壓比（V／F=常數(shù)）的控制方式．其優(yōu)點(diǎn)是控制結(jié)構(gòu)簡單、成本較低，缺點(diǎn)是系統(tǒng)性能不高，比較適合應(yīng)用在風(fēng)機(jī)、水泵調(diào)這場合。具體來說，其控制曲線會(huì)隨著負(fù)載的變化而變化；轉(zhuǎn)矩響應(yīng)慢，電視轉(zhuǎn)矩利用率不高，低速時(shí)因定子電阻和逆變器死區(qū)效應(yīng)的存在而性能下降穩(wěn)定性變差等。對(duì)變頻器U／F控制系統(tǒng)的改造主要經(jīng)歷了三個(gè)階段；

 

    第一階段：

 

    1.八十年代初日本學(xué)者提出了基本磁通軌跡的電壓空間矢量（或稱磁通軌跡法）。該方法以三相波形的整體生成效果為前提，以逼近電機(jī)氣隙的理想圓形旋轉(zhuǎn)磁場軌跡為目的，一次生成二相調(diào)制波形。這種方法被稱為電壓空間矢量控制。典型機(jī)種如1989年前后進(jìn)入中國市場的FUJI（富士）FRN5OOOG5/P5、SANKEN（三墾）MF系列等。

 

    ②引人頻率補(bǔ)償控制，以消除速度控制的穩(wěn)態(tài)誤差

 

    ③基于電機(jī)的穩(wěn)態(tài)模型，用直流電流信號(hào)重建相電流，如西門子MicroMaster系列,由此估算出磁鏈幅值，并通過反饋控制來消除低速時(shí)定子電阻對(duì)性能的影響。

 

    ④將輸出電壓、電流進(jìn)行閉環(huán)控制，以提高動(dòng)態(tài)負(fù)載下的電壓控制精度和穩(wěn)定度，同時(shí)也一定程度上求得電流波形的改善。這種控制方法的另一個(gè)好處是對(duì)再生引起的過電壓、過電流抑制較為明顯，從而可以實(shí)現(xiàn)快速的加減速。

 

    之后，1991年由富士電機(jī)推出大家熟知的FVR與FRNG7／P7系列的設(shè)計(jì)中，不同程度融入了②3．④項(xiàng)技術(shù)，因此很具有代表性。三菱日立，東芝也都有類似的產(chǎn)品。然而，在上述四種方法中，由于未引入轉(zhuǎn)矩的調(diào)節(jié)，系統(tǒng)性能沒有得到根本性的改善.

 

    第二階段：

 

    矢量控制。也稱磁場定向控制。它是七十年代初由西德F.Blasschke等人首先提出，以直流電動(dòng)機(jī)和交流電動(dòng)機(jī)比較的方法分析闡述了這一原理，由此開創(chuàng)了交流電動(dòng)機(jī)等效直流電動(dòng)機(jī)控制的先河。它使人們看到交流電動(dòng)機(jī)盡管控制復(fù)雜，但同樣可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩、磁場獨(dú)立控制的內(nèi)在本質(zhì)。

 

    矢量控制的基本點(diǎn)是控制轉(zhuǎn)子磁鏈，以轉(zhuǎn)子磁通定向，然后分解定子電流，使之成為轉(zhuǎn)矩和磁場兩個(gè)分量，經(jīng)過坐標(biāo)變換實(shí)現(xiàn)正交或解耦控制。但是，由于轉(zhuǎn)子磁鏈難以準(zhǔn)確觀測，以及矢量變換的復(fù)雜性，使得實(shí)際控制效果往往難以達(dá)到理論分析的效果，這是矢量控制技術(shù)在實(shí)踐上的不足。

 

    此外．它必須直接或間接地得到轉(zhuǎn)子磁鏈在空間上的位置才能實(shí)現(xiàn)定子電流解耦控制，在這種矢量控制系統(tǒng)中需要配留轉(zhuǎn)子位置或速度傳感器，這顯然給許多應(yīng)用場合帶來不便。僅管如此，矢量控制技術(shù)仍然在努力融入通用型變頻器中，1992年開始，德國西門子開發(fā)了6SE70通用型系列，通過FC、VC、SC板可以分別實(shí)現(xiàn)頻率控制、矢量控制、伺服控制。1994年將該系列擴(kuò)展至315KW以上。目前，6SE70系列除了200KW以下價(jià)格較高，在200KW以上有很高的性價(jià)比。

 

    第三階段：

 

    1985年德國魯爾大學(xué)Depenbrock教授首先提出直接轉(zhuǎn)矩控制理論（DirectTorqueControl簡稱DTC）。直接轉(zhuǎn)矩控制與矢量控制不同，它不是通過控制電流、磁鏈等量來間接控制轉(zhuǎn)矩，而是把轉(zhuǎn)矩直接作為被控量來控制。

 

    轉(zhuǎn)矩控制的優(yōu)越性在于：轉(zhuǎn)矩控制是控制定子磁鏈，在本質(zhì)上并不需要轉(zhuǎn)速信息；控制上對(duì)除定子電阻外的所有電機(jī)參數(shù)變化魯棒性良好；所引入的定子磁鍵觀測器能很容易估算出同步速度信息。因而能方便地實(shí)現(xiàn)無速度傳感器化。這種控制方法被應(yīng)用于通用變頻器的設(shè)計(jì)之中，是很自然的事，這種控制被稱為無速度傳感器直接轉(zhuǎn)矩控制。然而，這種控制依賴于精確的電機(jī)數(shù)學(xué)模型和對(duì)電機(jī)參數(shù)的自動(dòng)識(shí)別（Identification向你ID),通過ID運(yùn)行自動(dòng)確立電機(jī)實(shí)際的定子阻抗互感、飽和因素、電動(dòng)機(jī)慣量等重要參數(shù)，然后根據(jù)精確的電動(dòng)機(jī)模型估算出電動(dòng)機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)矩、定子碰鏈和轉(zhuǎn)子速度，并由磁鏈和轉(zhuǎn)矩的Band－Band控制產(chǎn)生PWM信號(hào)對(duì)逆變器的開關(guān)狀態(tài)進(jìn)行控制。這種系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)很快的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)速度和很高的速度、轉(zhuǎn)矩控制精度。

 

    1995年ABB公司首先推出的ACS600直接轉(zhuǎn)矩控制系列，已達(dá)到<2ms的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)速度在帶PG時(shí)的靜態(tài)速度精度達(dá)土O.01%，在不帶PG的情況下即使受到輸入電壓的變化或負(fù)載突變的影響，向樣可以達(dá)到正負(fù)0.1％的速度控制精度。其他公司也以直接轉(zhuǎn)矩控制為努力目標(biāo)，如安川VS－676H5高性能無速度傳感器矢量控制系列，雖與直接轉(zhuǎn)矩控制還有差別，但它也已做到了100ms的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)和正負(fù)0.2%（無PG）,正負(fù)0.01％（帶PG）的速度控制精度，轉(zhuǎn)矩控制精度在正負(fù)3％左右。其他公司如日本富士電機(jī)推出的FRN5000G9／P9以及最新的FRN5000Gll／P11系列出采取了類似無速度傳感器控制的設(shè)計(jì)，性能有了進(jìn)一步提高，然而變頻器的價(jià)格并不比以前的機(jī)型昂貴多少。

 

    控制技術(shù)的發(fā)展完全得益于微處理機(jī)技術(shù)的發(fā)展，自從1991年INTEL公司推出8X196MC系列以來，專門用于電動(dòng)機(jī)控制的芯片在品種、速度、功能、性價(jià)比等方面都有很大的發(fā)展。如日本三菱電機(jī)開發(fā)用于電動(dòng)機(jī)控制的M37705、M7906單片機(jī)和美國德州儀器的TMS320C240DSP等都是頗具代表性的產(chǎn)品。

 

    4.關(guān)于PWM技術(shù)

 

    PWM控制技術(shù)一直是變頻技術(shù)的核心技術(shù)之一。1964年A.Schonung和H.stemmler首先在<>評(píng)論上提出把這項(xiàng)通訊技術(shù)應(yīng)用到交流傳動(dòng)中，從此為交流傳動(dòng)的推廣應(yīng)用開辟了新的局面。

 

    從最初采用模擬電路完成三角調(diào)制波和參考正弦波比較，產(chǎn)生正弦脈寬調(diào)制SPWM信號(hào)以控制功率器件的開關(guān)開始，到目前采用全數(shù)字化方案，完成優(yōu)化的實(shí)時(shí)在線的PWM信號(hào)輸出，可以說直到目前為止，PWM在各種應(yīng)用場合仍占主導(dǎo)地位,并一直是人們研究的熱點(diǎn)。

 

    由于PWM可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)變頻變壓反抑制諧波的特點(diǎn)，由此在交流傳動(dòng)乃至其它能量變換系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。PWM控制技術(shù)大致可以分為三類，正弦PWM（包括電壓，電流或磁通的正弦為目標(biāo)的各種PWM方案，多重PWM也應(yīng)歸于此類），優(yōu)化PWM及隨機(jī)PWM。正弦PWM已為人們所熟知，而旨在改善輸出電壓、電流波形，降低電源系統(tǒng)諧波的多重PWM技術(shù)在大功率變頻器中有其獨(dú)特的優(yōu)勢（如ABBACS1000系列和美國ROBICON公司的完美無諧波系列等）；而優(yōu)化PWM所追求的則是實(shí)現(xiàn)電流諧波畸變率（THD）最小，電壓利用率最高，效率最優(yōu)，及轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)最小以及其它特定優(yōu)化目標(biāo)。

 

    在70年代開始至80年代初，由于當(dāng)時(shí)大功率晶體管主要為雙極性達(dá)林頓三極管，載波頻率一般最高不超過5KHZ，電機(jī)繞組的電磁噪音及諧波引起的振動(dòng)引起人們的關(guān)注。為求得改善，隨機(jī)PwM方法應(yīng)運(yùn)而生。其原理是隨機(jī)改變開關(guān)頻率使電機(jī)電磁噪音近似為限帶白噪聲（在線性頻率坐標(biāo)系中，各頻率能量分布是均勻的），盡管噪音的總分貝數(shù)未變，但以固定開關(guān)頻率為特征的有色噪音強(qiáng)度大大削弱。正因?yàn)槿绱耍�即使在IGBT已被廣泛應(yīng)用的今天，對(duì)于載波頻率必須限制在較低頻率的場合，隨機(jī)PWM仍然有其特殊的價(jià)值（DTC控制即為一例）；另一方面則告訴人們消除機(jī)械和電磁噪音的最佳方法不是盲目地提高工作頻率，因?yàn)殡S機(jī)PWM技術(shù)提供了一個(gè)分析、解決問題的全新思路。

 

    5.展望

 

    通用變頻器的發(fā)展是世界高速經(jīng)濟(jì)發(fā)展的產(chǎn)物。其發(fā)展的趨勢大致為：

 

    5.l主控一體化

 

    日本三菱公司將功率芯片和控制電路集成在一快芯片上的DIPIPM（即雙列直插式封裝）的研制已經(jīng)完成并推向市場。一種使逆變功率和控制電路達(dá)到一體化，智能化和高性能化的HVIC（高耐壓IC）SOC（SystemonChip）的概念已被用戶接受，首先滿足了家電市場低成本、小型化、高可靠性和易使用等的要求。因此葉以展望，隨著功率做大，此產(chǎn)品在市場上極具競爭力。

 

    5.2小型化

 

    用日本富士（FUJI）電機(jī)的三添勝先生的話說，變頻器的小型化就是向發(fā)熱挑戰(zhàn)。這就是說變頻器的小型化除了出自支撐部件的實(shí)裝技術(shù)和系統(tǒng)設(shè)計(jì)的大規(guī)模集成化，功率器件發(fā)熱的改善和冷卻技術(shù)的發(fā)展已成為小型化的重要原因。ABB公司將小型變頻器定型?頻器應(yīng)當(dāng)象接觸器、軟起動(dòng)器等電器元件一樣使用簡單，安裝方便，安全可靠。

 

    5.3低電磁噪音化

 

    今后的變頻器都要求在抗干擾和抑制高次諧波方面符合EMC國際標(biāo)準(zhǔn)，主要做法足在變頻器輸入側(cè)加交流電抗器或有源功率因數(shù)校正（ActivePowerFactorCorrection．APFC）電路，改善輸入電流波形降低電網(wǎng)諧波以及逆變橋采取電流過零的開關(guān)技術(shù)。而控制電源用的開關(guān)電源將推崇半諧振方式，這種開關(guān)控制方式在30－50MhZ時(shí)的噪聲可降低15－20dB。

 

    5.4專用化

 

    通用變頻器中出現(xiàn)專用型家族是近年來的事。其目的是更好發(fā)揮變頻器的獨(dú)特功能并盡可能地方便用戶。

 

    如用于起重稅負(fù)載的ARBACC系列，用廣交流電梯的SiemensMICO340系列和FUJIFRN5000G11UD系列，其他還有用于恒壓供水、上作機(jī)械主軸傳動(dòng)、電源再生、紡織、機(jī)車牽引等專用系列。

 

    5.5系統(tǒng)化

 

    作為發(fā)展趨勢，通用變頻器從模擬式、數(shù)字式、智能化、多功能向集中型發(fā)展。最近，日本安川由機(jī)提出了以變頻器，伺服裝置，控制器及通訊裝置為中心的”D&M&C”概念，并制定了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)。目的是為用戶提供最佳的系統(tǒng)。因此可以預(yù)見在今后．變頻器的高速響應(yīng)件和高性能什將是基本條件�！�