变频调速系统的分析与研究

刘 欢，杨 扬，李昌平

（中国地质大学（武汉）机电学院，湖北 武汉 430074）

交流调速的代表就是变频调速。文章将从交流传动系统的分类，变频调速系统的适用场合，变频调速系统的可靠性，变频调速系统的主流产品，变频调速系统的发展趋势以及研究方向等三个方面阐述交流变频调速系统。

1 交流传动系统中主要的变频调速系统有哪些

变频调速具有高效率、宽范围和高精度等特点，是目前运用最广泛且最有发展前途的调速方式。交流电动机变频调速系统的种类很多，从早期提出的电压源型变频器开始，相继发展了电流源型，脉宽调制等各种变频器。目前变频调速的主要方案有：交-交变频调速、交-直-交变频调速、同步电动机自控式变频调速、正弦波脉宽调制（SPWM）变频调速、矢量控制变频调速等。这些变频调速技术的发展很大程度上依赖于大功率半导体器件的制造水平。

按转差率出路方式的不同可以把现代异步电动机的调速系统分为3类：①转差功率消耗型调速系统；②转差功率回馈型调速系统；③转差功率不变型调速系统。

具体来说，交流传动系统中主要的变频调速系统有：鼠笼式异步电动机变压变频调速系统、矢量变换控制交流变频调速系统、无刷直流电动机调速系统、由交-交变频器供电的同步电动机调速系统等组成。

2 变频调速系统的适用场合

交流变频调速器经历近20年的发展及应用已逐步被人们接受并成为当代电机调速的主流。交流变频调速系统具有变频器体积小、重量轻、精度高、工艺先进、功能丰富、保护齐全、可靠性高、操作简便、通用性强、易形成闭环控制等优点，因而深受钢铁、有色石油石化、化工化纤纺织、机械、电力、建材、煤炭、医药、造纸、卷烟、城市供水及污水处理等行业的欢迎。

变频调速系统主要应用在以下场合：①空调类负载；②破碎机类负载；③轧机类负载；④卷扬机类负载；⑤转炉类负载；⑥泵类负载；⑦吊车翻斗车类负载；⑧运送车类负载；⑨电梯高架游览车类负载；⑩给料机类负载；輥輯訛堆取料机类负载；輥輰訛风 机 类 负 载 ；輥輱訛 搅拌机类载 ；輥輲訛纺丝机类负载 ；輥輳訛造纸机类负载 ；輥輴訛音乐喷泉类负载；輥輵訛磨床等机械类负载 ；輥輶訛卷烟机类负载；輥輷訛印染机类负载；輦輮訛注塑机类负载 ； 輦輯訛污水处理等环保类负载；輦輰訛海上采油平台类负载等。

3 变频调速系统的可靠性

一般可从以下方面提高变频调速系统的可靠性：①提高变频器本身质量和可靠性；②根据生产机器负荷要求和电动机规格参数，正确选择变频器形式及容量匹配；③变频器应有良好的运行环境和维护保养。因此，提高变频调速系统的可靠性非常重要，一方面从提高变频器本身的产品质量，把好设计、选元器件，制作、安装，试验等环节的质量关；另一方面匹配变频器匹配以及做好日常维护保养工作。鉴于以上分析，可靠的变频调速系统有：鼠笼式异步电动机变压变频调速系统、矢量变换控制交流变频调速系统、无刷直流电动机调速系统、由交-交变频器供电的同步电动机调速系统等。

4 交流变频调速系统的主流产品

目前国内外生产变频调速系统的厂家较多，使用比较广泛的产品主要有：国外产品：三菱变频器、富士变频器、安川变频器、西门子、ABB等机型用在起重提升比较好；国内产品：正弦、普传、安邦信、英威腾、海利普、汇川、上海日搏。

目前世界上最先进的变频调速系统主要是：在大功率交-交变频（循环变流器）调速技术方面，法国阿尔斯通已能提供单机容量达3万kW的电气传动设备用于船舶推进系统；在大功率无换向器电机变频调速技术方面，意大利ABB公司提供了单机容量为6万kW的设备用于抽水蓄能电站；在中功率变频调速技术方面，德国西门子公司Simovert A电流型晶闸管变频调速设备单机容量为10～2，600kVA和Simovert P GTO PWM变频调速设备单机容量为100～900 kVA，其控制系统已实现全数字化，用于电力机车、风机、水泵传动；在小功率交流变频调速技术方面，日本富士BJT变频器最大单机容量可达700 kVA，IGBT变频器已形成系列产品，其控制系统也已实现全数字化。

5 变频调速系统的研究动向

交流传动与控制技术是目前发展最为迅速的技术之一，这是和电力电子器件制造技术、变流技术控制技术以及微型计算机和大规模集成电路的飞速发展密切相关。交流电动机特别是异步电动机由于结构简单、价格便宜、维修方便等优点被广泛使用，但其调速技术一直是世界各国研究的课题。

目前在调速传动领域交流电动机已有取代直流电动机的趋势，通用变频器的发展是世界高速经济发展的产物，其发展的趋势大致为：

（1）主控一体化。

（2）小型化。用日本富士（FUJI）电机的三添胜先生的话说，变频器的小型化就是向发热挑战，也就是说变频器的小型化除了出自支撑部件的实装技术和系统设计的大规模集成化，功率器件发热的改善和冷却技术的发展已成为小型化的重要原因。

（3）低电磁噪音化。今后的变频器都要求在抗干扰和抑制高次谐波方面符合EMC国际标准，主要做法足在变频器输入侧加交流电抗器或有源功率因数校正（Active Power Factor Correction.APFC）电路，改善输入电流波形降低电网谐波以及逆变桥采取电流过零的开关技术。而控制电源用的开关电源将推崇半谐振方式，这种开关控制方式在30～50MHz时的噪声可降低15～20dB；

（4）专用化。通用变频器中出现专用型家族是近年来的事。目的是更好发挥变频器的独特功能并尽可能地方便用户。

（5）系统化。通用变频器从模拟式、数字式、智能化、多功能向集中型发展。

6 变频调速研究的技术领域

6.1 SPWM控制技术

正弦波脉宽调制（SPWM）技术在变频器中得到广泛的应用。SPWM变频器调压调频一次完成，整流器无需控制，简化了电路结构，而且由于以全波整流代替了相控整流，因而提高了输入端的功率因数，减小了高次谐波对电网的影响。此外，由于输出波形由方波改进为PWM波，减少了低次谐波，从而解决了电动机在低频区的转矩脉动问题，也降低了电动机的谐波损耗和噪声。PWM技术的应用是变频器的发展主流。SPWM的调制原理是使变频器的输出脉冲电压的面积与所希望输出的正弦波在相应区间内面积相等，改变调制波的频率和幅值即可调节逆变器输出电压的频率和幅值。SPWM变频器的输出电压虽然接近于正弦波，但感应电动机本身因为气隙磁通、转速与转子电流是强耦合的，所以调速性能不如直流电动机，采用矢量控制技术可提高其调速性能。矢量控制的原理是采用坐标变换的方法，以产生相同的旋转磁势和变换后功率不变为准则，建立三相交流绕组，两相交流绕组和直流绕组三者之间的等效关系，从而求出与交流电机等效的直流电机模型，即实现交流电动机的解耦，以便按照对直流电动机的控制方法对交流电动机进行控制，矢量控制要求由磁通观测器测出实际转子磁链幅值及相位，因此如何利用先进理论和技术实现转子磁链位置的精确观测是矢量控制技术的重要课题。

6.2 PWM技术的新发展

变频调速系统是由主电路和控制电路两部分组成，近年来变频调速技术的发展重点在于控制电路部分，即PWM技术的产生和实现方法。

6.3 电流控制PWM技术

电流控制PWM技术是一种新颖的控制技术，近年来得到了相当大的发展及较广泛的应用。电流控制PWM技术有不同的线路方案来实现，其共同特点是：通过监测电感电流直接反馈去控制功率开关的占空比，使功率开关的峰值电流直接跟随电压反馈回路中误差放大器输出的信号变化而变化。电流控制PWM技术常用的控制方法有3种。

（1）线性电流控制。线性电流控制也叫正弦-三角形电流调节器或斜坡比较电流调节器，它适用于大量应用场合，尤其适用于中、低性能的传动，具有控制简单、对负载参数不敏感及具有较强鲁棒性的特点，而且它的性能随着现代功率器件开关频率的增加而得到改善。

（2）滞环电流控制。滞环电流控制是一种瞬态反馈系统，逆变器输出电流跟随给定电流。因为给定电流为正弦波，所以实际输出电流被限制在正弦波形的给定电流周围脉动，基本上是正弦波。该方法的优点是快速的瞬态响应，高度的准确性及较强的鲁棒性。然而，滞环电流控制与当今的全数字化趋势不相适应，因为它的瞬态响应性会被ADC及微机中断延时所降低。

（3）预测电流控制.预测电流控制是在每个调节周期开始时，根据实际电流误差，负载参数及其它负载变量，来预测电流误差矢量趋势，因此下一个调节周期PWM产生的电流矢量必将减小所预测的误差。该方法的优点是，若给调节器除误差外更多的信息，则可获得比较快速，准确的响应。目前这类调节器的局限性是响应速度及过程模型系数参数的准确性。综上所述，电流控制PWM技术还存在一些局限性，而应用现代控制理论可以克服这些缺点，所以应用现代控制论是它的必然发展趋势。

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