通用变频器的应用技术简述

李强

摘要： 本文介绍了通用变频器的发展历程、技术特点与发展方向，并对当代变频器高性能化、环保化涉及的各种最新技术进行了综合分析与阐述。

关键词： 通用变频器技术特点发展方向

变频器是从上世纪六七十年代随着电力电子器件PWM（脉冲宽度调制）控制技术的发展出现的一种感应电动机调速装置。变频器是应用变频技术与微电子技术，通过改变电机工作电源频率方式来控制交流电动机的电力控制设备。变频器主要由整流（交流变直流）、滤波、再次整流（直流变交流）、制动单元、驱动单元、检测单元微处理单元等组成。通过改变电源的频率达到改变电源电压的目的，根据电机的实际需要提供其所需要的电源电压，进而达到节能、调速的目的。另外，变频器还有很多保护功能，如过流、过压、过载保护等。

本文介绍了当今变频器控制技术在社会工业各个环节的应用和发展情况，全面分析了目前变频器的技术发展方向，并且从变频器的高性能化、环保化、网络化等方面进行了详细的分析。

一、发展过程

变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置，实现对交流异步电机的软起动、变频调速、提高运转精度、改变功率因数、过流、过压、过载保护等功能。变频器是一种强电和弱电综合的控制装置，其共性的关键技术包括、变流技术与控制技术两方面。前者主要涉及电力电子器件的应用、电路拓扑结构与PWM控制等问题；后者研究电动机控制理论与控制技术实用化等问题。

变频器的控制方式主要有：正弦脉宽调制(SPWM)控制方式、电压空间矢量(SVPWM)控制方式、 矢量控制(VC)方式、直接转矩控制(DTC)方式、矩阵式交-交控制方式。今天变频器的控制方式主要有矢量控制与直接转矩控制，而控制技术上则从模拟量控制发展到了全数字控制与网络控制，变频器的速度控制性能大幅度提高，转矩控制与位置控制功能正逐步完善。

二、技术特点

变频器作为一种面向交流感应电动机的通用控制装置，与其他控制装置比较，具有以下明显的技术特点：（1）多种控制方式兼容。矢量控制、v/f控制与直接转矩控制各有各的特点与适用范围，目前还没有适应所有控制方式的共同优点的技术。因此，现代变频器一般可兼容多种控制方式，使用时可通过参数的设定选择所需要的控制方式。（2）开环/闭环通用。所谓闭环控制技术就是通过反馈回路消除稳态误差，提高精度，但同时带来了系统稳定性问题。为适应不同的控制要求，现代变频器一般采用开环/闭环通用的结构形式，开环变频器只要简单地增加闭环接口便可实现闭环控制。

三、发展方向

以前变频器的研究主要集中于电力电子器件的应用、电路拓扑结构及控制理论与方法上，并使动态性能与控制精度得到了大幅度提高。随着新型电力电子器件和高性能微处理器的应用及控制技术的发展，变频器的性能价格比越来越高，体积越来越小，高性能化、环保化、网络化已成为现代变频器发展的必然趋势。

（一）高性能化

变频器的控制方式正由标量控制(Ulf控制和转差频率控制)向高动态性能的矢量控制和直接转矩控制发展。微处理器技术的进步使数字控制成为现代控制器的发展方向。变频控制理论与技术发展经历了v/f 控制、矢量控制与直接转矩控制三个阶段。

V/f=C的正弦脉宽调制控制方式是一种经典控制理论。其特点是控制电路简单，成本较低，机械特性硬度较好，能够满足一般传动的平滑调速要求，在产业的各个领域得到广泛应用。但是，这种控制方式在低频时由于输出电压过低，转矩受定子电阻压降的影响比较显著，使输出最大转矩减少。

电压空间矢量控制理论的基本出发点是将感应电动机等效为直流电动机，该理论通过坐标变换将定子电流分解为转矩电流Iq′和励磁电流Id（两个独立分量，实现了磁通与转矩的解耦）。矢量控制需要进行坐标变换，解耦得到的励磁电流Id对应转子磁链，故又称“坐标变换矢量控制”或“转子磁场定向控制”。但是这种控制方式环节较多，且没有引入转矩的调节，所以系统性能没有得到根本改变。

直接转矩控制理论是基于定子电压的转矩控制方案。理论证明了在忽略定子电阻影响时，定子磁链矢量的运动方向与定子电压方向一致，且旋转速度决定于定子电压幅值，因此，可利用空间矢量分析法在定子坐标系下计算出感应电动机的转矩。目前该技术已经成功应用在电力机车牵引的大功率交流传动上，它不需要将交流电动机等效为直流电动机，因而省去了矢量旋转变换中的许多复杂计算，它不需要模仿直流电动机的控制，也不需要为解耦而简化交流电动机的教学模型。

（二）通用变频器的环保化

变频器在运行过程中，由于内部采用相控整流和可控硅二极管整流，故使输入电流波形发生严重畸变，不但大大降低了系统的功率因数，还会引起严重的高次谐波污染。另外，在使用过程中，由于电流和电压的急剧变化，会给周围的其他电子设备造成严重的电磁干扰。

变频器的环保化主要包括减小电网网侧各种谐波、提高功率因数、节能降噪、缩小体积等方面的内容。以上问题主要与电路回路有关，需要通过应用新型电力电子器件与电路拓扑结构解决。

1.电力电子器件的应用

电力电子器件是变流技术的基础元件，变频整流与逆变主回路都要采用电力电子器件。理想力电子器件应具有载流密度大、 通压降小；耐压控制容易；工作频率高、开关速度快的特点。

随着电子技术的不断发展，使用SCR、GT0和IGBT等的静止无功补偿装置得到了长足的发展。其中，以静止无功发生器最为优越。它具有调节速度快、运行范围宽的优点，而且在采用多重化、多电平或PWM技术等措施后，可大大地减少补偿电流中的谐波含量。更重要的是：静止无功发生器使用的电抗器和电容元件小，大大缩小了装置的体积和成本。它代表着动态无功补偿装置的发展方向。

2.拓扑结构的改进

变频器主电路的拓扑结构为：变频器的网侧变流器对于低压、小容量的常采用6脉冲变流器；对中压、大容量的常采用多重化12脉冲以上的变流器；负载侧变流器对低压、小容量的常采用两电平的桥式逆变器；对中压、大容量的采用多电平逆变器。降低变频器的噪声是环保化的重要内容之一。变频器噪声包括电磁干扰与音频干扰（噪声）两大方面降低电磁干扰方法主要有：在进线与电枢线上安装电抗器、采用屏蔽电缆、安装EMC滤波器、零相电抗器等；变频器的音频干扰通常需要调整PWM载波频率实现。现代变频器采用了柔性PWM控制技术（Soft-PWM），通过PWM载波频率的自动调整来回避敏感区。柔性PWM控制技术不仅可以降低噪声、限制射频干扰，而且具有减小开关损耗、保护功率器件的作用。当变频器在低频满负载工作时，过高的PWM频率将导致逆变功率器件的损耗大幅度增加，而采用柔性PWM控制技术的变频器可在重载（大于85%Me）与低频（小于6Hz）时，自动降低PWM载波频率以保护器件。

（三）通用变频器的网络化

随着电子信息技术的发展，网络控制已经成为所有自动化控制装置的必备功能之一。通过网络总线连接，变频器可以作为网络从站纳入现场总线网，由主站进行集中、统一控制，这样不仅有利于制造业的信息化与自动化，而且可以节省现场配线、简化系统结构。变频器采用数字化控制后已具备了网络控制的前提条件，它完全可以像其他自动化装置那样实现网络控制。现在的变频器网络功能只局限于“点到点”的数据通信和借助专用软件的监控、调试等简单功能，网络链接则需要通过专门的选件模块实现。

四、结语

变频器自二十世纪六七十年代诞生以来，经过30多年的发展其应用领域正在不断扩大，发展前景广阔。变频技术作为高新技术、基础技术和节能技术，已经渗透到经济领域的所有技术部门中。我国在变频技术方面应积极开展如下工作：（1）应用变频技术来改造传统的产业，节约能源及提高产品质量，获得较好的经济效益和社会效益；（2）大力发展变频技术，必须把我国变频技术提高到一个新水平，缩小与世界先进水平的差距，提高自主开发能力，满足国民经济重点工程建设和市场的需求。

参考文献：

［1］李方圆.变频器原理与维修.机械工业出版社.

［2］原魁.变频器基础及应用.冶金工业出版社.