徐甫榮
（1946—）
男，1970年畢業(yè)于西安交通大學(xué)電機工程系發(fā)電廠(chǎng)電力網(wǎng)及電力系統專(zhuān)業(yè)，原為國家電力公司熱工研究院自動(dòng)化所教授級高工，主要從事火電廠(chǎng)熱工自動(dòng)化及交直流調速拖動(dòng)技術(shù)的研究工作，現為深圳市微能科技公司高級技術(shù)顧問(wèn)。

1 前言

    通常，我們把用來(lái)驅動(dòng)1kV以上交流電動(dòng)機的中、大容量變頻器稱(chēng)為高壓變頻器。按照國際慣例和我國國家標準，當供電電壓大于或等于10kV時(shí)稱(chēng)高壓，小于10kV時(shí)稱(chēng)中壓。因此，相應額定電壓1～10kV的變頻器應分別稱(chēng)為中壓變頻器和高壓變頻器。但考慮到在這一電壓范圍內的變頻器有著(zhù)共同的特征，且我們習慣上也把額定電壓為3kV或6kV的電動(dòng)機稱(chēng)為“高壓電機”，因此，為簡(jiǎn)化敘述起見(jiàn)，本文也稱(chēng)之為“高壓變頻器”。

    截止2006年底，我國發(fā)電裝機總容量已突破5億kW，為5.08億kW。其中火電裝機約占80%，為4億kW左右。全國年發(fā)電量已突破2萬(wàn)億kWh。而我國的能源利用率卻平均比發(fā)達國家低20%左右！

    全國電動(dòng)機裝機總容量已達4億多kW，年耗電量達12000億kWh，占全國總用電量的60%，占工業(yè)用電量的80%；其中風(fēng)機、水泵、壓縮機的裝機總容量已超過(guò)2億kW，年耗電量達8000億kWh，占全國總用電量的40%左右。70%以上的風(fēng)機、水泵、壓縮機應調速運行，而至今僅有約5%左右調速運行。

    若按風(fēng)機、水泵和壓縮機總裝機容量的50%進(jìn)行調速節能改造，則可改造容量達1億kW，其中40%為中高壓電機，容量占60%。若按電機平均出力為60%，年運行4000小時(shí)，平均節電率為20～30%（平均25%）計算，則年節電潛力為600億kWh！整個(gè)電機系統的節電潛力約為1000億kWh，改造和更新預計需投入2000～3000億元人民幣。

    根據國家節能計劃，我國每年應節約和少用能源7000萬(wàn)噸標準煤，通過(guò)基本建設項目及技術(shù)改造措施，每年可形成約3000萬(wàn)噸標準煤的節能能力，而每形成一噸標準煤的節能能力需投資2000元（約為開(kāi)發(fā)等量能源費用的三分之一），則每年需節能投資600億元，“十五”期間共需3000億元人民幣，“十一五”期間將更多。

    由于我國經(jīng)濟的高速發(fā)展，發(fā)電裝機仍以高速發(fā)展。但電力運行的一些主要指標和裝備指標與發(fā)達國家相比仍有很大差距：我國火電機組的平均煤耗為400g/kWh，比發(fā)達國家高出約70～100 g/kWh；發(fā)達國家發(fā)電廠(chǎng)的廠(chǎng)用電率為3.7%～6%，而我國的廠(chǎng)用電率為4.7%～10.5%，加之線(xiàn)損，我國送到用戶(hù)的電能要比發(fā)達國家多耗電9.5%，相當于22000MW裝機容量，即22個(gè)百萬(wàn)大廠(chǎng)的年發(fā)電量。因此，我國的節能形勢十分嚴峻！

2 變頻調速技術(shù)的發(fā)展歷史及現狀

    變頻調速技術(shù)涉及到電力、電子、電工、信息與控制等多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域。隨著(zhù)電力電子技術(shù)、計算機技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展，以變頻調速為代表的近代交流調速技術(shù)有了飛速的發(fā)展。交流變頻調速傳動(dòng)克服了直流電機的缺點(diǎn)，發(fā)揮了交流電機本身固有的優(yōu)點(diǎn)（結構簡(jiǎn)單、堅固耐用、經(jīng)濟可靠、動(dòng)態(tài)響應好等），并且很好地解決了交流電機調速性能先天不足的問(wèn)題。交流變頻調速技術(shù)以其卓越的調速性能、顯著(zhù)的節電效果以及在國民經(jīng)濟各領(lǐng)域的廣泛適用性，而被公認為是一種最有前途的交流調速方式，代表了電氣傳動(dòng)發(fā)展的主流方向。變頻調速技術(shù)為節能降耗、改善控制性能、提高產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量提供了至關(guān)重要的手段。變頻調速理論已形成較為完整的科學(xué)體系，成為一門(mén)相對獨立的學(xué)科。

    20世紀是電力電子變頻技術(shù)由誕生到發(fā)展的一個(gè)全盛時(shí)代。最初的交流變頻調速理論誕生于20世紀20年代，直到60年代，由于電力電子器件的發(fā)展，才促進(jìn)了變頻調速技術(shù)向實(shí)用方向發(fā)展。70年代席卷工業(yè)發(fā)達國家的石油危機，促使他們投入大量的人力、物力、財力去研究高效率的變頻器，使變頻調速技術(shù)有了很大發(fā)展并得到推廣應用。80年代，變頻調速已產(chǎn)品化，性能也不斷提高，發(fā)揮了交流調速的優(yōu)越性，廣泛地應用于工業(yè)各部門(mén)，并且部分取代了直流調速。進(jìn)入90年代，由于新型電力電子器件如IGBT（絕緣柵雙極型晶體管Insolated Gate Bipolar Transistor）、IGCT（集成門(mén)極換流型晶閘管Integrated Gate Commutated Thyristor）等的發(fā)展及性能的提高、計算機技術(shù)的發(fā)展，如由16位機發(fā)展到32位機以及DSP（數字信號處理器Digital　Signal Processor）的誕生和發(fā)展（如磁場(chǎng)定向矢量控制、直接轉矩控制）等原因，極大地提高了變頻調速的技術(shù)性能，促進(jìn)了變頻調速技術(shù)的發(fā)展，使變頻器在調速范圍、驅動(dòng)能力、調速精度、動(dòng)態(tài)響應、輸出性能、功率因數、運行效率及使用的方便性等方面大大超過(guò)了其它常規交流調速方式，其性能指標亦已超過(guò)了直流調速系統，達到取代直流調速系統的地步。目前，交流變頻調速以其優(yōu)異的性能而深受各行業(yè)的普遍歡迎，在電力、軋鋼、造紙、化工、水泥、煤炭、紡織、鐵路、食品、船舶、機床等傳統工業(yè)的改造中和航天航空等高新技術(shù)的發(fā)展應用中無(wú)不看到變頻調速技術(shù)的蹤影，變頻調速技術(shù)取得了顯著(zhù)的經(jīng)濟效益。

    變頻調速技術(shù)的現狀具有以下特點(diǎn)

    （1）在功率器件方面，近年來(lái)高電壓、大電流的SCR、GTO、IGBT、IGCT等器件的生產(chǎn)以及并聯(lián)、串聯(lián)技術(shù)的應用，使高電壓、大功率變頻器產(chǎn)品的生產(chǎn)及應用成為現實(shí)。

    （2）在微電子技術(shù)方面，16位、32位高速微處理器以及DSP和ASIC（專(zhuān)用集成電路Application Specific IC）技術(shù)的快速發(fā)展，為實(shí)現變頻器高精度、多功能化提供了硬件手段。

    （3）在控制理論方面，矢量控制、磁通控制、轉矩控制、智能控制等新的控制理論為研制高性能變頻器的發(fā)展提供了相關(guān)理論基礎。

    （4）在產(chǎn)品化生產(chǎn)方面，基礎工業(yè)和各種制造業(yè)的高速發(fā)展，促進(jìn)了變頻器相關(guān)配套件的社會(huì )化、專(zhuān)業(yè)化生產(chǎn)。

３ 國內外高壓變頻器的分類(lèi)、比較和應用情況

    目前世界上的高壓變頻器不象低壓變頻器一樣具有成熟的一致性的主電路拓撲結構，而是限于功率器件的電壓耐量和高壓使用條件的矛盾，國內外各變頻器生產(chǎn)廠(chǎng)商，采用不同的功率器件和不同的主電路拓撲結構，以適應不同的電壓等級和各種拖動(dòng)設備的要求，因而在各項性能指標和適用范圍上也各有差異。

    一般來(lái)講，在高壓供電而功率器件耐壓能力有限的情況下，可采用將功率器件串聯(lián)的方法來(lái)解決。但是功率器件在串聯(lián)使用時(shí)，因為各器件的動(dòng)態(tài)電阻和極間電容不同，而存在靜態(tài)均壓和動(dòng)態(tài)均壓?jiǎn)?wèn)題。如果采用與器件并聯(lián)R和Rc的均壓措施，會(huì )使電路復雜，損耗增加；同時(shí)，器件的串聯(lián)對驅動(dòng)電路的要求也大大提高，要盡量做到串聯(lián)器件同時(shí)導通和關(guān)斷，否則由于各器件開(kāi)斷時(shí)間不一致，承受電壓不均，會(huì )導致器件損壞甚至整個(gè)裝置崩潰。

    諧波問(wèn)題是所有變頻器的共同問(wèn)題，尤其在高壓大功率變頻調速中更為突出。諧波會(huì )污染電網(wǎng)，殃及同一電網(wǎng)上的其它用電設備，甚至影響電力系統的正常運行；諧波也會(huì )干擾通訊和控制系統，嚴重時(shí)會(huì )使通訊中斷、系統癱瘓；諧波電流還會(huì )使電動(dòng)機損耗增加，因而發(fā)熱增加，效率及功率因數下降，以至不得不“降額”使用。

    還有效率問(wèn)題，變頻調速裝置的容量愈大，調速系統的效率問(wèn)題也就愈加重要。采用不同的主電路拓撲結構，使用的功率器件的種類(lèi)和數量的多少，以及變壓器、濾波器等的使用，都會(huì )影響系統的效率。為了提高系統效率，必須設法盡量減少功率開(kāi)關(guān)器件和變頻調速裝置的損耗。

    可靠性和冗余設計問(wèn)題：一般的高壓大功率拖動(dòng)系統都要求很高的系統可靠性，尤其是國民經(jīng)濟的重要部門(mén)如電力、能源、冶金、礦山和石化等行業(yè)，一旦設備出現故障，將會(huì )造成人民生命財產(chǎn)的巨大損失。因此高壓變頻裝置設計中是否便于采用冗余設計及旁路控制功能也是至關(guān)重要的。

    根據高壓變頻器有無(wú)直流環(huán)節，可以分為交—交變頻器和交—直—交變頻器；根據直流環(huán)節濾波元件的性質(zhì)又可以分為電流源型變頻器和電壓源型變頻器；電流源型變頻器又可以分為負載換流式晶閘管變頻器（LCI）和采用自關(guān)斷器件（GTO、SGCT）的電流源型變頻器；電壓源型變頻器則可以分為：a）功率器件串聯(lián)二電平直接高壓變頻器，b）采用HV—IGBT、IGCT的多電平電壓源變頻器,c）采用LV—IGBT的單元串聯(lián)多重化電壓源變頻器等，如圖1所示。

圖1   高壓變頻器分類(lèi)

    上世紀未以前，高壓大功率變頻器都采用國外進(jìn)口品牌。如美國羅克韋爾公司的Power FlexTM7000高壓變頻器，是采用SGCT功率器件串聯(lián)的交一直一交電流源型變頻器，與電動(dòng)機的特性有關(guān)，調試比較困難；并且du/dt較大，對電機的絕緣影響較大。是進(jìn)入我國火電廠(chǎng)節能改造工程最早的產(chǎn)品。美國羅賓康（ROBICON）公司的單元串聯(lián)多電平變頻器，采用低壓IGBT功率器件，號稱(chēng)完美無(wú)諧波變頻器。也是進(jìn)入我國較早，且使用最多的產(chǎn)品。它的優(yōu)點(diǎn)是電壓電流波形好，諧波含量小，對電動(dòng)機影響小。
歐洲ABB公司的ACS1000高壓變頻器，是采用IGCT器件的三電平變頻器，最高電壓到4.16kV。若用在我國6kV高壓電動(dòng)機上，要進(jìn)行星一三角改接，不利于進(jìn)行工頻旁路切換（切換前要先進(jìn)行三角一星形改接），所以限制了它在我國火電廠(chǎng)的使用。目前在我國發(fā)電廠(chǎng)使用量很少。

    德國西門(mén)子公司的SIMOVERT MV系列高壓變頻器，6kV電壓可做到2000kW。它實(shí)際上采用的是高一低一高方式。其核心的逆變器是采用高壓IGBT器件的三電平變頻器，輸出電壓為2.3kV，通過(guò)一個(gè)“集成升壓濾波器”將電壓升到6kV，并兼有濾波作用。也是進(jìn)入我國較早的產(chǎn)品，目前使用量已超過(guò)200臺套。

    法國阿爾斯通公司的ALSPA CDM6000系列高壓變頻器，是采用IGBT器件的飛跨電容四電平變頻器，可四象限運行，輸出波形較好，諧波含量和du/dt較?。╠u/dt＜500V/us）。在冶金、礦山使用較多，在我國電廠(chǎng)使用很少。

    國外產(chǎn)品的共性是質(zhì)量好，可靠性高，但價(jià)格也很高，且對我國電網(wǎng)的適應能力差，用戶(hù)界面差（未漢化），售后服務(wù)響應差。備品備件供應差且價(jià)格昂貴。以上因素給國內用戶(hù)帶來(lái)很大的不便。

    進(jìn)入新世紀以來(lái)，國產(chǎn)高壓變頻器企業(yè)迅速崛起，并以驚人的速度占領(lǐng)市場(chǎng)。北京利德華福公司的高壓變頻器銷(xiāo)售業(yè)績(jì)，到2006年6月份已突破600臺套。還有成都東方日立（原東方凱奇）公司，北京合康億盛公司、山東新風(fēng)光公司、成都佳靈公司、中山明揚公司、哈爾濱九洲公司、廣州智光公司、上?？七_公司、深圳的微能科技和康沃公司等也都先后進(jìn)入這個(gè)領(lǐng)域，并且必然會(huì )有更多的企業(yè)加入進(jìn)來(lái)。這將對我國高壓變頻器品牌占領(lǐng)國內市場(chǎng)起到積極的作用。并為我國創(chuàng )建節約型社會(huì )送來(lái)強勁的東風(fēng)。

    國產(chǎn)品牌在可靠性和生產(chǎn)工藝上正在迎頭趕上，其最大的優(yōu)勢是適合中國國情和用戶(hù)的需要，可以進(jìn)行特殊設計，用戶(hù)界面友好，操作方便，價(jià)格便宜。最主要的是良好的售前售后服務(wù)和備品備件的提供，以及操作維護人員的培訓工作，更是國外品牌的產(chǎn)品所無(wú)法比擬的。

    在上世紀未，用戶(hù)是唯進(jìn)口品牌是論，根本不考慮國產(chǎn)品牌，而現在情況正好反過(guò)來(lái)了，許多用戶(hù)主動(dòng)要求選用國產(chǎn)品牌，而不要進(jìn)口品牌。國外的高壓變頻器生產(chǎn)公司為了占領(lǐng)中國市場(chǎng)，也都紛紛在國內設立組裝廠(chǎng)，象進(jìn)線(xiàn)變壓器等也由國內配套廠(chǎng)提供，產(chǎn)品的設計也越來(lái)越適應中國用戶(hù)的要求，價(jià)格也有所下降。國內的產(chǎn)品大多數采用單元串聯(lián)多電平電路，也有少數采用三電平電路和功率器件直接串聯(lián)二電平電路的。對于我國目前以節能為目的的用戶(hù)來(lái)說(shuō)，單元串聯(lián)多電平電路，在性能上還是占有一定優(yōu)勢的。隨著(zhù)使用領(lǐng)域的擴大，還有待于開(kāi)發(fā)出性能更好的產(chǎn)品來(lái)。

    成都佳靈電氣公司經(jīng)過(guò)多年研制，解決了功率器件IGBT的直接串聯(lián)技術(shù)問(wèn)題，使真正無(wú)輸入、輸出變壓器的直接高壓變頻器成為現實(shí)。這不但大大提高了變頻器的效率，并大大減小了變頻器的體積和重量。采用抗共模電壓技術(shù)以取消輸入變壓器，采用了輸出濾波器和優(yōu)化的PWM波形，大大降低了諧波含量，可使總諧波含量（THD）降低到2%以下。采用二電平逆變，使電路結構和控制簡(jiǎn)單，縮小了體積，降低了成本。

    廣東明陽(yáng)龍源電力電子有限公司開(kāi)發(fā)的三電平電壓源型高壓變頻裝置主要應用于電廠(chǎng)、水廠(chǎng)、鋼廠(chǎng)、礦山、冶金、化工、石油等工業(yè)領(lǐng)域的高壓電動(dòng)機節能驅動(dòng)，控制風(fēng)機、水泵、軋鋼機等設備的節能運行，應用效果顯著(zhù)。該公司生產(chǎn)的ML－VERT－S系列高壓變頻器采用二極管中點(diǎn)鉗位三電平電壓源逆變器構成主電路，開(kāi)關(guān)器件在國內最先使用ABB公司先進(jìn)的大功率集成門(mén)極換相晶體閘流管（IGCT）串聯(lián)技術(shù)，滿(mǎn)足國內6kV 電動(dòng)機直接“高－高”方式驅動(dòng)的要求。  

    目前國內投運的高壓變頻器已接近3000套，分別為：
 
    （1）羅賓康公司 450套
 
    （2）西門(mén)子公司 300套

    （3）羅克韋爾（AB）公司 200套

    （4）ABB公司 160套

    （5）利德華福公司　 650套

    （6）東方日立公司 480套

    （7）中山明陽(yáng)龍源公司 180套

    （8）哈爾濱九洲公司 120套

    （9）成都佳靈公司 80套

    （10）山東新風(fēng)光 60套

    （11）上?？七_公司 50套

    （12）廣州智光公司 40套　

    （13）湖北三環(huán)公司 16套

    （14）其他公司品牌  約200套左右

4 高壓變頻調速中的關(guān)鍵控制技術(shù)及其發(fā)展

    （1）矢量控制技術(shù)

    1971年西門(mén)子公司提出的矢量變換控制是一種新的控制思想和控制理論。其基本思想是把交流電機模擬成直流電機進(jìn)行控制。它是以轉子磁場(chǎng)定向，采用矢量變換的方法實(shí)現交流電動(dòng)機的轉速和磁鏈控制的完全解耦。迄今為止，矢量控制技術(shù)已經(jīng)獲得了長(cháng)足的發(fā)展。

    （2）無(wú)速度傳感器矢量控制技術(shù)

    近年來(lái)高性能異步電機調速系統得到廣泛的應用，而速度傳感器的安裝、維護以及低速性能等方面的問(wèn)題，影響了異步電機調速系統的簡(jiǎn)便性、廉價(jià)性和可靠性。無(wú)速度傳感器異步電機的控制已越來(lái)越受到人們的關(guān)注和重視。

    無(wú)速度傳感器矢量控制變頻器既具有矢量控制高性能的優(yōu)點(diǎn)，又具有通用變頻器沒(méi)有速度傳感器的長(cháng)處，但是，在進(jìn)行矢量控制時(shí)如何獲得速度信號是無(wú)速度傳感器矢量控制的技術(shù)關(guān)鍵。無(wú)速度傳感器控制系統獲得速度信號的方法是直接計算、參數辯識、狀態(tài)估計、間接測量等手段，根據電機定子較易測量的定子電壓、電流計算出與速度有關(guān)的量，從而得到轉子速度，并將其用于速度反饋系統之中。常用的方法有：利用電機的基本方程式（靜態(tài)和動(dòng)態(tài)）導出速度的方程式進(jìn)行計算。根據模型參考自適應控制的理論，選擇合適的參考模型和可調整模型，利用自適應算法辯識出速度，利用電機的齒諧波電勢計算速度等。

    從1983年提出無(wú)速度傳感器矢量控制策略以來(lái)，一直受到學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的高度重視，日立、安川電機等公司于1987年分別發(fā)表了研究成果，并相繼推出了產(chǎn)品。目前，無(wú)速度傳感器矢量控制變頻器的調速范圍為1∶50左右，個(gè)別廠(chǎng)商有1∶75甚至更高的產(chǎn)品。

    （3）直接轉矩控制技術(shù)

    直接轉矩控制技術(shù)（簡(jiǎn)稱(chēng)DTC），是近10年繼矢量控制技術(shù)之后發(fā)展起來(lái)的又一種新型的高性能交流變頻調速技術(shù)。實(shí)際上，由于轉子磁鏈難以準確觀(guān)測，系統特性受電機參數的影響比較大，而且矢量變換比較復雜，存在著(zhù)某些理論與實(shí)踐不符的情形。

    1985年，德國的M.Depenblock首次提出DTC的理論。它直接在定子坐標系下分析交流電機的數學(xué)模型，采用定子磁場(chǎng)定向而無(wú)需解耦電流，直接控制電動(dòng)機的磁鏈和轉矩，著(zhù)眼于轉矩的速度響應，以獲得高效的控制性能。這種控制技術(shù)與矢量控制技術(shù)相比，對電機參數不敏感，不受轉子參數的影響，簡(jiǎn)單易行，在很大程度上克服了矢量控制技術(shù)的缺點(diǎn)，具有廣闊的發(fā)展和應用前景。

    （4）PWM控制技術(shù)

    隨著(zhù)電壓型逆變器在高性能電力電子裝置，如交流傳動(dòng)，不間斷電源和有源濾波器的應用越來(lái)越廣泛，PWM控制技術(shù)作為這些系統的共用及核心技術(shù)，引起人們的高度重視，并得到深入研究。所謂PWM技術(shù)就是利用半導體器件的開(kāi)通和關(guān)斷把直流電壓變成一定形狀的電壓脈沖序列。來(lái)實(shí)現頻率、電壓控制和消除諧波的一門(mén)技術(shù)。自關(guān)斷器件的發(fā)展為PWM技術(shù)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(shù)。PWM技術(shù)用于變頻器的控制，可以明顯改善變頻器輸出波形，降低電動(dòng)機的諧波損耗，并減小轉矩脈動(dòng)，同時(shí)還簡(jiǎn)化了逆變器的結構，加快了調節速度，提高了系統的動(dòng)態(tài)響應性能。
PWM技術(shù)除了用于逆變器的控制，還用于整流器的控制，PWM整流器現在已開(kāi)發(fā)成功，利用它可以實(shí)現輸入電流正弦和電網(wǎng)功率因數為。人們稱(chēng)PWM整流器是對電網(wǎng)無(wú)污染的“綠色”變流器。

    目前已經(jīng)提出并得到應用的PWM控制方案就不下數十種，尤其是微處理器應用于PWM技術(shù)數字化以后，花樣更是不斷翻新，從最初追求電壓波形的正弦，到電流波形的正弦，再到磁通的正弦；從效率最優(yōu)，轉矩脈動(dòng)最少，再到消除噪音等，PWM控制技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了一個(gè)不斷創(chuàng )新和不斷完善的過(guò)程。目前仍有新的方案不斷提出，這說(shuō)明該項技術(shù)的研究方興未艾。不少方法已趨成熟，并有許多已在實(shí)際中得到應用。

    PWM控制技術(shù)一般可分為三大類(lèi)，即正弦PWM、優(yōu)化PWM及隨機PWM，從實(shí)現方法上來(lái)看，大致有模擬式和數字式兩種，而數字式中又包括硬件、軟件或查表等幾種實(shí)現方式，從控制特性來(lái)看主要可分為兩種：開(kāi)環(huán)式（電壓或磁通控制型）和閉環(huán)式（電流或磁控制型）。

    隨著(zhù)計算機技術(shù)的不斷進(jìn)步，數字化PWM已逐步取代模擬式PWM，成為電力電子裝置共用的核心技術(shù)。交流電機調速性能的不斷提高在很大程度上是由于PWM技術(shù)的不斷進(jìn)步。目前廣泛應用的是在規則采樣PWM的基礎上發(fā)展起來(lái)的準優(yōu)化PWM法，即三次諧波疊加法和電壓空間矢量PWM法，這兩種方法具有計算簡(jiǎn)單、實(shí)時(shí)控制容易的特點(diǎn)。

    （5）數字化控制技術(shù)

    控制技術(shù)的數字化是靜止變頻裝置的核心技術(shù)，是今后的發(fā)展趨勢。目前市場(chǎng)上的變頻裝置幾乎全面實(shí)現了數字化控制，由于元件的高性能和小型化，使變頻裝置實(shí)現了控制的高精度，采用DSP和ASIC實(shí)現了快速運算和高精度控制，可以得到良好的電流波形使變頻器的噪音大幅度降低。由于應用微電子技術(shù)和ASIC技術(shù)，裝置的元器件數量得以大幅度減少，從而使變頻裝置的可靠性大幅度提高。早期由于受CPU處理速度限制和離散化延遲時(shí)間的影響，電流控制響應為數毫秒，速度控制響應為十毫秒左右。近年來(lái)CPU處理速度的提高和應用DSP、ASIC控制使掃描時(shí)間大幅度縮短，目前電流響應為0.1~0.7ms，速度響應為2~4ms，足以滿(mǎn)足傳動(dòng)領(lǐng)域的控制要求。

    （6）自整定技術(shù)

    在變頻調速系統中自整定技術(shù)的應用日益廣泛，它可以根據速度和負載的變化自動(dòng)調速控制系統的參數，使得系統具有快速的動(dòng)態(tài)響應。自整定技術(shù)分為離線(xiàn)式和在線(xiàn)式兩種。離線(xiàn)式的研究成果已經(jīng)在相當多的產(chǎn)品中應用，它是在運行系統程序之前通過(guò)運行一段自整定程序，辯識相關(guān)數據，并修改系統程序的相關(guān)參數，以期獲得良好的系統控制性能。離線(xiàn)式自整定的缺點(diǎn)是當系統運行后，不能實(shí)時(shí)修改系統參數，因而系統不能獲得最佳控制性能。在線(xiàn)式自整定可以實(shí)時(shí)修改控制器的參數，因而可以獲得最佳控制性能。自整定技術(shù)的研究課題包括：擴大應用范圍、提高精度、在線(xiàn)自整定等。同時(shí)，改進(jìn)控制技術(shù)，提高系統魯棒性也和自整定技術(shù)緊密相聯(lián)系。

    （7）交流傳動(dòng)系統的智能控制

    現代控制理論和智能控制理論在交流傳動(dòng)領(lǐng)域應用十分活躍，在控制量（如磁鏈、速度、轉矩、磁極位置）的檢測、估計中已有相當成熟的研究成果，部分成果在產(chǎn)品中得到應用。尤其是應用觀(guān)測器的理論構造系統狀態(tài)觀(guān)測器，估算系統中難以用傳感器檢測到的物理量，改善系統控制性能，取得了良好的效果。模糊邏輯、神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò )、變結構控制相結合的智能控制理論在交流傳動(dòng)系統中具有良好的應用前景。

    智能控制是從解決工程和技術(shù)問(wèn)題的實(shí)踐中產(chǎn)生和發(fā)展起來(lái)的，隨著(zhù)自動(dòng)化程度的提高和普及，受控對象日趨復雜，對于許多難以獲得數學(xué)模型或模型復雜的過(guò)程，應用經(jīng)典和現代控制理論往往不能取得令人滿(mǎn)意的控制效果，甚至完全無(wú)能為力，可是在手動(dòng)控制中，熟練的操作人員卻可以駕馭自如。由此，人們很自然地產(chǎn)生了在自動(dòng)控制技術(shù)中借鑒熟練人員經(jīng)驗的想法。計算機控制技術(shù)的發(fā)展為實(shí)現這一愿望提供了可能，計算機在邏輯推理、判斷、識別、決策、學(xué)習等方面的功能可以承擔按照熟練操作人員和專(zhuān)家的經(jīng)驗與方法進(jìn)行控制的工作。另一方面，許多探索如何實(shí)現人腦思維功能的學(xué)術(shù)領(lǐng)域，如人工智能、專(zhuān)家系統、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )、模糊邏輯等的研究也取得了可喜的進(jìn)展，這些研究成果從不同的角度提出了各種仿照人的知識、思維進(jìn)行控制的方法，統稱(chēng)為智能控制。它的發(fā)展也給交流調速系統的控制策略帶來(lái)了新思想、新方法，使交流傳動(dòng)系統的智能控制已成為當前的一個(gè)研究熱點(diǎn)。

5 高壓變頻調速技術(shù)的發(fā)展趨勢

    20世紀末，交流電動(dòng)機變頻調速技術(shù)以電力電子功率變換技術(shù)、微電子控制技術(shù)為核心得到了驚人的發(fā)展，展望21世紀，變頻調速技術(shù)將會(huì )有更大發(fā)展。

    ●  功率變換器的高頻低損耗化、自關(guān)斷化、模塊化、高耐壓、大容量化；

    ●  矩陣變頻器的出現的推廣

    ●  變頻器在同步電動(dòng)機的應用

    ●  控制技術(shù)的數字化、矢量控制化、直接轉矩控制化

    ●  無(wú)速度傳感器矢量控制

    ● 操作系統的網(wǎng)絡(luò )化

    ●  硬件通用化、調試維護軟件化

    ●  變頻裝置無(wú)諧波化，采用多電平、多重化、帶就地補償

    ●  工作負荷參數的模型化

    ●  新理論新機理新材料的出現將會(huì )出現新概念功率變換器件、新概念變頻裝置

    下面分別加以下介紹：

    （1）在開(kāi)關(guān)器件方面：IGBT變頻器已成為20世紀90年代變頻調速技術(shù)的主流，在21世紀初相當長(cháng)的一段時(shí)間內仍將是電氣傳動(dòng)領(lǐng)域的主導變頻器。在21世紀，IPM及智能化變頻器將會(huì )有很大的發(fā)展。功率變換、驅動(dòng)、檢測、控制、保護等功能的集成化促成了功率器件及變頻器的智能化，實(shí)現高效節能、多功能、高性能、高附加值，同時(shí)將研究開(kāi)發(fā)新電力電子器件IGCT、IEGT（集成發(fā)射式門(mén)極晶閘管Integrated Emit Gate Thyristor）、GaAs（砷化鎵）、SiC（碳化硅復合器件）、光控IGBT及超導功率器件等新功能變頻器。

    （2）在變頻電路拓撲結構方面：基于雙PWM能量回饋的綠色變頻電路是變頻調速技術(shù)的發(fā)展趨勢，即整流部分也采用電力電子自關(guān)斷器件構成，并對其進(jìn)行PWM控制。一方面使交流輸入電流波形為正弦，且功率因數為1；另一方面實(shí)現能量向電網(wǎng)回饋，保證變頻器四象限運行。除此之外，PWM整流電路還有助于減小直流環(huán)節濾波電容的容量，隨著(zhù)電力半導體器件性能的不斷提高和價(jià)格的不斷下降，這種結構會(huì )得到廣泛地推廣和應用。

    （3）在變頻控制電路方面：現在變頻裝置幾乎已實(shí)現了數字化控制，但控制技術(shù)的微電子數字化仍是今后的發(fā)展趨勢。變頻裝置的數字化技術(shù)是從20世紀80年代中期開(kāi)始逐步發(fā)展到16位、32位微處理器，目前普遍采用DSP。

    （4）矢量控制技術(shù)及直接轉矩控制技術(shù)：矢量控制依然是高性能交流電機調速系統的主流控制策略。它所包涵的關(guān)鍵技術(shù)有：控制理論和方法，如PWM技術(shù)，磁通的觀(guān)測，速度辯識，無(wú)速度傳感器控制；電機鐵損補償，參數辯識，參數變化的補償；主電路使用新型電力半導體器件，提高開(kāi)關(guān)頻率，改善電壓或電流波形，同時(shí)使用微電子技術(shù)所提供的DSP、CPU、ASIC等。

    直接轉矩控制技術(shù)在低速范圍還存在著(zhù)很多難題，尤其是定子電阻的辯識問(wèn)題，已經(jīng)成為它進(jìn)一步發(fā)展的障礙，困擾著(zhù)各國的學(xué)者。對于矢量控制低速范圍已有了相應的解決方法，這些對于直接轉矩控制系統的低速性能，具有重大的和現實(shí)的指導意義。實(shí)踐證明，已經(jīng)不可能從電機本身來(lái)完善直接轉矩控制技術(shù)，必須另辟途徑?，F代控制理論的發(fā)展為交流調速電氣傳動(dòng)系統的控制提供了堅實(shí)的理論基礎，各國學(xué)者也越來(lái)越多地把現代控制技術(shù)應用于交流電機的調速控制中。直接轉矩控制作為一種新興的、更為先進(jìn)的技術(shù)，需要各種先進(jìn)的輔助技術(shù)作為支撐，各種新技術(shù)的推廣應用給直接轉矩控制技術(shù)注入新的活力，促進(jìn)它的不斷完善和發(fā)展。最近，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )已開(kāi)始應用于直接轉矩控制技術(shù)中，這是一個(gè)有益的嘗試，也是一個(gè)良好的開(kāi)端。將現代控制理論應用于直接轉矩控制技術(shù)的研究，無(wú)疑是這種新技術(shù)的發(fā)展趨勢，也是當前值得深入研究的課題。直接轉矩控制變頻器的商品化進(jìn)程將取得重大進(jìn)展。

    （5）PWM及多電平技術(shù)：消除機械和電磁噪音的最佳方法并不是盲目地提高工作頻率，隨機PWM技術(shù)可以提供一種新途徑。由于PWM逆變器的開(kāi)關(guān)損耗隨著(zhù)功率和頻率的增加而迅速增加，因此，在高頻化和大功率方面還有大量工作。目前提高開(kāi)關(guān)頻率的一個(gè)方法是采用諧波技術(shù)及在此基礎上發(fā)展起來(lái)的軟開(kāi)關(guān)技術(shù)。在大功率裝置方面，除盡量采用優(yōu)化PWM模式外，多電平逆變器也越來(lái)越受人們的重視，此時(shí)開(kāi)關(guān)損耗問(wèn)題轉化為多管串聯(lián)的均壓?jiǎn)?wèn)題。

    （6）以網(wǎng)絡(luò )配置為主的系統化

    變頻器的網(wǎng)絡(luò )化配置主要基于3個(gè)層面：設備層，控制層和信息層。其中變頻器作為執行器，可以配接最基本的RS232/RS485串行通迅協(xié)議、Profibus等的現場(chǎng)總線(xiàn)協(xié)議以及Internet局域網(wǎng)協(xié)議。針對不同的控制系統和不同的用戶(hù)要求，配置和選用不同的網(wǎng)絡(luò )協(xié)議。

    網(wǎng)絡(luò )化配置的變頻器具有以下顯著(zhù)的特點(diǎn)：

    ●  高精度的頻率設定；

    ●  遠程控制與工廠(chǎng)信息化的基本要素；

    ●  遠程診斷系統。

    通過(guò)網(wǎng)絡(luò )設定頻率是一種高精度的頻率設定，其具有通迅速率高，穩定可靠，接線(xiàn)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，而且在模擬量控制時(shí)，輸出端經(jīng)過(guò)一個(gè)數模轉換器，經(jīng)過(guò)導線(xiàn)，進(jìn)入輸入端（變頻器）又經(jīng)過(guò)一個(gè)模數轉換器才能參與控制，兩個(gè)轉換器位數不同和導線(xiàn)損耗都可能造成一定誤差，而通迅傳遞直接是數字量不需要轉換，沒(méi)有誤差，在傳輸過(guò)程中不會(huì )造成損耗，而且響應速度也會(huì )很高。

    變頻器經(jīng)常被用于系統復雜、工作環(huán)境惡劣、高負荷、長(cháng)時(shí)間運行的工況中，如無(wú)人值守泵站、油田磕頭機等。變頻器故障率在這種環(huán)境中自然比較高，一般都采取事后維修的方式進(jìn)行，隨著(zhù)電子技術(shù)的發(fā)展，傳統的維修方式將變?yōu)楣收项A報和整機在線(xiàn)維修。有必要對其實(shí)現在線(xiàn)工作狀態(tài)的監測以及常規故障機理的綜合分析研究，以便對其故障的事先診斷分析。目前大功率變頻器的故障診斷、遠程監控系統及智能控制方面取得了較大的進(jìn)展，并已經(jīng)投入實(shí)際運行。

    在網(wǎng)絡(luò )化日益普及的今天，與普通的點(diǎn)對點(diǎn)硬線(xiàn)連接方式而言，通過(guò)高速通迅連接的變頻器系統可以最大程度上降低系統維護時(shí)間、提高生產(chǎn)效率、減少運行成本。目前安裝的現場(chǎng)總線(xiàn)模塊有Profibus  DP、Interbus、DeviceNet、CAN Open和Modbus Plus等。用戶(hù)可以有更大的自由根據生產(chǎn)過(guò)程來(lái)選擇PLC型號和品牌，并非常簡(jiǎn)單地集成到現有的網(wǎng)絡(luò )中去。而且通過(guò)現場(chǎng)總線(xiàn)模塊，可以不考慮變頻器的型號，而以同一種語(yǔ)言來(lái)與不同功率段、不同型號的變頻器進(jìn)行組構，如功率、速度、轉矩、電流、設定值等。

    由于采用了通迅方式，可以通過(guò)PC機來(lái)方便地進(jìn)行組態(tài)和系統維護，包括上傳、下載、復制、監控、參數讀寫(xiě)等。

    （7）與同步電機的配合應用

    交流同步電動(dòng)機已成為交流可調速傳動(dòng)中的一顆新星，特別是永磁同步電動(dòng)機。電機是無(wú)刷結構，功率因數高、效率也高，轉子轉速?lài)栏衽c電源頻率保持同步。同步電機變頻調速系統有他控變頻和自控變頻兩大類(lèi)，自控變頻同步電機在原理上和直流電機極為相似，用電力電子變流器取代了直流電機的機械換向器，如采用交-直-交變壓變頻器時(shí)叫做“直流無(wú)換向器電機”或稱(chēng)“無(wú)刷直流電動(dòng)機”。傳統的自控變頻同步機調速系統有轉子位置傳感器，現正開(kāi)發(fā)無(wú)轉子位置傳感器的系統，且已經(jīng)取得重大進(jìn)步和在市場(chǎng)的成功應用。同步電機的他控變頻方式也可采用矢量控制，其按轉子磁場(chǎng)定向的矢量控制比異步電機更為簡(jiǎn)單。

參考文獻：

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    [2] 張承慧等. 變頻調速及其控制技術(shù)的現狀與發(fā)展趨勢[J].  變頻器世界. 2001(12).

    [3] 李方圓. 淺談變頻器應用和發(fā)展的幾個(gè)趨勢[A]. 第三屆變頻器行業(yè)企業(yè)家論壇論文集. 2004(8).

作者信息：

    徐甫榮   國家電力公司熱工研究院   

    陳輝明   深圳市微能科技有限公司