1.2 變頻器概述

1.2.1 變頻器的發(fā)展

1．變頻器技術(shù)的發(fā)展階段

芬蘭瓦薩控制系統(tǒng)有限公司，前身為瑞典的STRONGB，于20世紀(jì)60年代成立，并于1967年開(kāi)發(fā)出世界上第一臺(tái)變頻器，被稱為變頻器的鼻祖，開(kāi)創(chuàng)了世界商用變頻器的市場(chǎng)。之后變頻器技術(shù)不斷發(fā)展，如按照變頻器的控制方式，可劃分為以下幾個(gè)階段。

（1）第一階段：恒壓頻比U/f技術(shù)

U/f控制就是保證輸出電壓跟頻率成正比的控制，這樣可以使電動(dòng)機(jī)的磁通保持一定，避免弱磁和磁飽和現(xiàn)象的產(chǎn)生，多用于風(fēng)機(jī)、泵類節(jié)能型變頻器用壓控振蕩器實(shí)現(xiàn)。20世紀(jì)80年代，日本人開(kāi)發(fā)出電壓空間矢量控制技術(shù)，后引入頻率補(bǔ)償控制。電壓空間矢量的頻率補(bǔ)償方法，不僅能消除速度控制的誤差，而且可以通過(guò)反饋估算磁鏈幅值，消除低速時(shí)定子電阻的影響，將輸出電壓、電流閉環(huán)，以提高動(dòng)態(tài)的精度和穩(wěn)定度。

（2）第二階段：矢量控制

20世紀(jì)70年代，德國(guó)人F.Blaschke首先提出矢量控制模型。矢量控制實(shí)現(xiàn)的基本原理是通過(guò)測(cè)量和控制異步電動(dòng)機(jī)定子電流矢量，根據(jù)磁場(chǎng)定向原理分別對(duì)異步電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流和轉(zhuǎn)矩電流進(jìn)行控制，從而達(dá)到控制異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的目的。

（3）第三階段：直接轉(zhuǎn)矩控制

直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)（Direct Torque Control，DTC）是在20世紀(jì)80年代中期繼矢量控制技術(shù)之后發(fā)展起來(lái)的一種高性能異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)。

不同于矢量控制，直接轉(zhuǎn)矩控制具有魯棒性強(qiáng)、轉(zhuǎn)矩動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快、控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，它在很大程度上解決了矢量控制中結(jié)構(gòu)復(fù)雜、計(jì)算量大、對(duì)參數(shù)變化敏感等問(wèn)題。直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)的主要問(wèn)題是低速時(shí)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)大，其低速性能還是不能達(dá)到矢量控制的水平。

表1-2是20世紀(jì)60年代到21世紀(jì)初變頻器技術(shù)發(fā)展的歷程。

2．我國(guó)變頻器技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

目前，國(guó)內(nèi)有超過(guò)200多家變頻器生產(chǎn)廠家，以森蘭、匯川、英威騰為代表，技術(shù)水平較接近世界先進(jìn)水平，但總市場(chǎng)份額只有10%左右。我國(guó)國(guó)產(chǎn)變頻器的生產(chǎn)，主要是交流380 V的中小型變頻器，且大部分產(chǎn)品為低壓，而高壓大功率產(chǎn)品則很少，能夠研制、生產(chǎn)并提供服務(wù)的高壓變頻器廠商更少，不過(guò)是少數(shù)幾個(gè)具備科研能力或資金實(shí)力強(qiáng)的企業(yè)。并且在技術(shù)方面，更是僅少數(shù)企業(yè)采用U/f控制方式，對(duì)中、高壓電動(dòng)機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)速改造。我國(guó)高壓變頻器的品種和性能還處于發(fā)展的初級(jí)階段，仍需大量從國(guó)外進(jìn)口。

3．變頻器的發(fā)展趨勢(shì)

隨著節(jié)約環(huán)保型社會(huì)發(fā)展模式的提出，人們開(kāi)始更多地關(guān)注起生活的環(huán)境品質(zhì)。節(jié)能型、低噪聲變頻器，是今后一段時(shí)間發(fā)展的一個(gè)總趨勢(shì)。我國(guó)變頻器的生產(chǎn)商家雖然不少，但是缺少統(tǒng)一的、具體的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，使得產(chǎn)品差異性較大。且大部分采用了U/f控制和電壓矢量控制，其精度較低，動(dòng)態(tài)性能也不高，穩(wěn)定性能較差，這些方面與國(guó)外同等產(chǎn)品相比有一定的差距。就變頻器設(shè)備來(lái)說(shuō)，其發(fā)展趨勢(shì)主要表現(xiàn)在以下方面。

1）變頻器將朝著高壓大功率和低壓小功率、小型化、輕型化的方向發(fā)展。

2）工業(yè)高壓大功率變頻器，民用低壓中小功率變頻器潛力巨大。

3）目前，IGBT、IGCT（Integrated Gate Commutated Thyristors，集成門極換流晶閘管）和SGCT（Symmetrical Gate Commutated Thyristors，對(duì)稱門極換流晶閘管）仍將扮演主要角色，SCR、GTO（Gate-Turn-Off Thyristor，門極可關(guān)斷晶閘管）將會(huì)退出變頻器市場(chǎng)。

4）無(wú)速度傳感器的矢量控制、磁通控制和直接轉(zhuǎn)矩控制等技術(shù)的應(yīng)用將趨于成熟。

5）全面實(shí)現(xiàn)數(shù)字化和自動(dòng)化，包含參數(shù)自設(shè)定技術(shù)、過(guò)程自優(yōu)化技術(shù)、故障自診斷技術(shù)。

6）高性能單片機(jī)的應(yīng)用優(yōu)化了變頻器的性能，實(shí)現(xiàn)了變頻器的高精度和多功能。

7）相關(guān)配套行業(yè)正朝著專業(yè)化、規(guī)模化發(fā)展，社會(huì)分工逐漸明確。

8）伴隨著節(jié)約型社會(huì)的發(fā)展，變頻器在民用領(lǐng)域會(huì)逐步得到推廣和應(yīng)用。

1.2.2 變頻器的分類

變頻器發(fā)展到今天，已經(jīng)研制了多種適合不同用途的變頻器，以下詳細(xì)介紹變頻器的分類。

1．按變換的環(huán)節(jié)分類

1）交-直-交變頻器。即先把工頻交流通過(guò)整流器變成直流，然后再把直流逆變成頻率電壓可調(diào)的交流，又稱間接式變頻器，是目前廣泛應(yīng)用的通用型變頻器。

2）交-交變頻器。即將工頻交流直接變換成頻率電壓可調(diào)的交流，又稱直接式變頻器。主要用于大功率（500kW以上）低速交流傳動(dòng)系統(tǒng)中，目前已經(jīng)在軋機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)、破碎機(jī)、球磨機(jī)和卷?yè)P(yáng)機(jī)等設(shè)備中應(yīng)用。這種變頻器既可用于異步電動(dòng)機(jī)，也可以用于同步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速控制。

這兩種變頻器的比較見(jiàn)表1-3。

2．按直流電源性質(zhì)分類

1）電壓型變頻器。電壓型變頻器的特點(diǎn)是中間直流環(huán)節(jié)的儲(chǔ)能元件采用大電容，負(fù)載的無(wú)功功率將由它來(lái)緩沖，直流電壓比較平穩(wěn)，直流電源內(nèi)阻較小，相當(dāng)于電壓源，故稱電壓型變頻器，常用于負(fù)載電壓變化較大的場(chǎng)合，這種變壓器應(yīng)用廣泛。

2）電流型變頻器。電流型變頻器的特點(diǎn)是中間直流環(huán)節(jié)采用大電感作為儲(chǔ)能環(huán)節(jié)，緩沖無(wú)功功率，即扼制電流的變化，使電壓接近正弦波，由于該直流內(nèi)阻較大，故稱電流源型（電流型）變頻器。電流型變頻器的特點(diǎn)（優(yōu)點(diǎn)）是能扼制負(fù)載電流頻繁而急劇的變化，常用于負(fù)載電流變化較大的場(chǎng)合。

3．按照用途分類

可以分為通用變頻器、高性能專用變頻器、高頻變頻器、單相變頻器和三相變頻器等。

4．按變頻器調(diào)壓方法分類

1）PAM變頻器通過(guò)改變直流側(cè)電壓幅值進(jìn)行調(diào)壓，在變頻器中逆變器只負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)輸出頻率，而輸出電壓則由相控整流器或直流斬波器通過(guò)調(diào)節(jié)電流進(jìn)行調(diào)節(jié)。這種變頻器已很少使用了。

2）目前中小功率的變頻電路幾乎都采用PWM技術(shù)，PWM變頻電路也可分為電壓型和電流型兩種。根據(jù)正弦波頻率、幅值和半周期脈沖數(shù)，準(zhǔn)確計(jì)算P WM波各脈沖寬度和間隔，據(jù)此控制變頻電路中開(kāi)關(guān)器件的通斷，就可得到所需的P WM波形。當(dāng)輸出的正弦波的頻率、幅值或相位變化時(shí)，其結(jié)果都要變化。

5．按控制方式分類

1） U/f控制（VVVF控制）變頻器。U/f控制就是保證輸出電壓跟頻率成正比的控制。低端變頻器都采用這種控制原理。

2）SF控制變頻器（轉(zhuǎn)差頻率控制）。轉(zhuǎn)差頻率控制通過(guò)控制轉(zhuǎn)差頻率來(lái)控制轉(zhuǎn)矩和電流，是高精度的閉環(huán)控制，但通用性差，一般用于車輛控制。與U/f控制相比，其加減速特性和限制過(guò)電流的能力得到提高。另外，它有速度調(diào)節(jié)器，利用速度反饋構(gòu)成閉環(huán)控制，速度的靜態(tài)誤差小。然而對(duì)于自動(dòng)控制系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)控制，還達(dá)不到良好的動(dòng)態(tài)性能。

3）VC（Vector Control）控制變頻器。矢量控制實(shí)現(xiàn)的基本原理是通過(guò)測(cè)量和控制異步電動(dòng)機(jī)定子電流矢量，根據(jù)磁場(chǎng)定向原理分別對(duì)異步電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流和轉(zhuǎn)矩電流進(jìn)行控制，從而達(dá)到控制異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的目的。一般用在高精度要求的場(chǎng)合。

4）直接轉(zhuǎn)矩控制。簡(jiǎn)單地說(shuō)就是將交流電動(dòng)機(jī)等效為直流電動(dòng)機(jī)進(jìn)行控制。

6．按電壓等級(jí)分類

1）高壓變頻器：3kV、6kV、10kV。

2）中壓變頻器：660 V、1140 V。

3）低壓變頻器：220 V、380 V。

1.2.3 變頻器的應(yīng)用

1．主要應(yīng)用行業(yè)

如今變頻器已經(jīng)在各行各業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用，但主要的應(yīng)用行業(yè)是紡織、冶金、石化、電梯、供水、電力、油田、市政、塑料、印刷、建材、起重和造紙，其他行業(yè)也有很多應(yīng)用。

2．變頻器在節(jié)能方面的應(yīng)用

變頻器的產(chǎn)生主要是實(shí)現(xiàn)對(duì)交流電動(dòng)機(jī)的無(wú)極調(diào)速，但由于全球能源供求矛盾日益突出，其節(jié)能效果越來(lái)越受到重視。變頻器在風(fēng)機(jī)和水泵的應(yīng)用中，節(jié)能效果尤其明顯，因此多數(shù)變頻器廠家都生產(chǎn)風(fēng)機(jī)、水泵專用的變頻器。

（1）風(fēng)機(jī)、泵類的123定律

1）風(fēng)機(jī)、水泵的流量與電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的一次方成正比。

2）風(fēng)機(jī)、水泵的揚(yáng)程（壓頭）與電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的二次方成正比。

3）風(fēng)機(jī)、水泵的軸功率與轉(zhuǎn)速的三次方成正比。揚(yáng)程：是指水泵能夠揚(yáng)水的高度，也是單位重量液體通過(guò)泵所獲得的能量，通常用H表示，單位是m。

（2）節(jié)能效果

風(fēng)機(jī)、泵類負(fù)載使用變頻調(diào)速后節(jié)能率可達(dá)20%～60%。這類負(fù)載應(yīng)用場(chǎng)合是恒壓供水、風(fēng)機(jī)、中央空調(diào)、液壓泵變頻調(diào)速等。

3．變頻器在精確自控系統(tǒng)中的應(yīng)用

算術(shù)運(yùn)算和智能控制功能是變頻器另一特色，輸出精度可達(dá)0.1%～0.01%。這類負(fù)載應(yīng)用場(chǎng)合是印刷、電梯、紡織、機(jī)床、生產(chǎn)流水線等行業(yè)的速度控制。

4．變頻器在提高工藝方面的應(yīng)用

可以改善工藝和提高產(chǎn)品質(zhì)量，減少設(shè)備沖擊和噪聲，延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命，使機(jī)械設(shè)備簡(jiǎn)化，操作和控制更具人性化，從而提高整個(gè)設(shè)備功能。

1.2.4 主流變頻器品牌的市場(chǎng)份額

在中國(guó)市場(chǎng)能進(jìn)入銷售前列的國(guó)產(chǎn)品牌只有少數(shù)幾個(gè)，大部分產(chǎn)品份額仍然被歐美品牌占領(lǐng)，特別是在一些高端應(yīng)用場(chǎng)合。