关于变频调速技术教学方法的研究与探讨

张菊艳

［摘要］变频调速技术是一门理论性强、应用广泛、注重工程实践的课程，综合运用了许多方面的知识，体现了强电与弱电的结合、机电一体化的结合，这是一项综合、复杂、难度较大的技术，如何让学生学好这门课程值得我们去研究与探讨。

［关键词］变频器变频调速技术电能转换控制方法

［中图分类号］G642［文献标识码］A［文章编号］2095-3437（2014）11-0175-02自从20世纪80年代大规模集成电路可以生产以来，逆变电路中的瓶颈电力电子器件的制造与生产变为现实，交流变频调速技术得到长足发展。我们知道，变频调速技术应用领域很广，如交通、机床设备、电力、控制、各种家用电器等。正是因为如此，工科院校相关专业都设置了本课程。

变频调速技术课程综合运用了许多方面的知识，体现了强电与弱电的结合、机电一体化的结合，这是一项综合、复杂、难度较大的技术，如何让学生学好这门课程值得我们去研究与探讨。

一、应重视基础理论课的学习

电路理论、电力电子技术起到支撑作用，变频器主电路中，整流电路将大容量的交流电转变成直流电，逆变电路中电力电子器件起到关键作用，逆变电路的性质及相关元件、器件对形成的交流电作用很大，所以，学好本课程首先应打好基础，从每一步、每一个环节入手，这样分析电路的工作过程的方法就容易掌握。

单片机技术在变频器中属于中央处理单元，负责对输入信号的处理与控制，在学习过程中，应重视操作、调试环节的学习，对信号的处理与变化过程准确把握。

二、本课程学习的重难点

变频调速拖动系统是由变频器供电的电动机带动生产机械运转的系统，通过调节三相交流电频率，就调节了异步电动机转子的转速，这就是三相交流异步电动机变频调速原理。

变频调速的最大特点是：电动机从高速到低速，其转差率始终保持最小的数值，因此变频调速时，异步电动机的功率因数都很高。可见，变频调速是一种理想的调速方式。但它需要由特殊的变频装置供电，以实现电压和频率的协调控制。

本课程的难点在于: 对于变频调速系统控制方式的学习掌握。目前，变频技术中广泛应用PWM控制技术，通过对开关元件控制端两种信号即载波与调制波的控制与调节，使逆变器输出三相频率和幅值都可调节的脉冲信号。

要想获得理想的交流电，就应使电机转子转动无脉动，因为电机噪音小、温升变化不大，可以提供合适的动力。

为了达到控制目标，交流变频调速技术就要从各个方面入手。控制方法方面，现在已经有通用控制方式、矢量控制方式、直接转矩控制方式、转差频率控制方式等。引用先进的控制理论包括电动机和机械模型的控制策略，有矢量控制、磁场控制和直接转矩控制等。基于现代理论的控制策略，有滑模变结构技术、模型参考自适应技术和采用微分几何理论的非线性解耦、鲁棒观察器，还有在某种指标意义下的最优控制技术和逆奈奎斯特阵列设计方法等。基于智能控制思想的控制策略，有模糊控制、神经网络、专家系统和各种各样的自优化、自诊断技术等。

高速度的数字控制：以32位高速微处理器为基础的数字控制模块的运用有足够的能力实现各种控制算法。

为了满足功率损耗小，逆变器件承受电压、电流变化率小的要求，高压变频器应运产生，较好地解决了相关问题。

变频器的应用领域越来越广，变频器的功能越来越强大，如何快速地对变频器进行调试或者对变频器进行监控成为目前变频器应用领域中的一个重要课题。变频器的功能码参数越来越多，如果用传统的手动输入法就会耗费很多时间，如果能够通过计算机通讯进行参数传送，将会变得非常快捷和准确。另外，通过计算机应用组态软件，还可以方便实现多台变频器通过计算机联网运行，达到工业控制的效果。

所以，我们看到，本课程理论知识难度大，综合运用知识方面要求高，为了避免枯燥的纯理论学习带来的问题，还应结合实际，加强实践环节的学习，互相弥补，提高学习效果。

三、实践环节的培养学习

为了更好地掌握变频调速技术，还应重视和加强实践环节的学习，努力培养学生的学习兴趣，通过实际运用，解决工程实践问题。

比如，恒压供水控制系统，当采用普通的阀门控制法时，供水的供求关系不能得到很好满足，水泵运行效率低下。进行变频技术改造后，实现了恒压供水，既保证了水流对管道壁的压力维持恒定，又满足了供水的供需平衡关系，达到了节能效果。

在实践教学过程中，应重视变频器的正确操作，对变频器的结构、组成、工作原理等要求学生进一步巩固理解，并掌握主电路的接线、控制电路的接线、外围设备的连接等。更重要的是能够根据控制对象合理设定功能参数，实现变频技术的控制效果。

在此基础上，提高并加深学生运用变频技术的知识与能力，比如用上位机进行变频器的操作、运用变频器进行闭环控制达到电机的恒速运行等。

四、着眼现在，展望未来

在课程教学过程中，还应看到变频调速技术发展的趋势。由于变频调速技术课程一般安排在四年级学习，同学们面临着就业、继续深造的选择，因此更应开阔视野，积极进取。

20世纪末，交流变频调速技术以电力电子功率变换技术、微电子控制技术为核心得到了惊人的发展，展望本世纪，变频技术将会有更大发展。

˙功率变换器的高频、低损耗化、模块化、高耐压、大容量化、智能化；

˙电动机及其驱动变频器的一体化；

˙控制技术的矢量化、直接转矩控制化、数字化、智能化、网络化；

˙无速度传感器矢量控制；

˙变频装置无谐波化，采用多电平、多重化、带就地补偿；

˙工作负荷参数的模型化；

˙新理论、新机理、新材料的出现将会出现新概念功率变换器件、新概念变换装置。

在开关器件方面：目前IGBT和IGCT占领了大功率器件的应用领域，已成为变频调速技术的主流，就功率装置的电流和电压而言，IGBT和IGCT这两种器件具有很大的互补性，IGBT更适于功率较小的装置，而IGCT则更适于功率较大的装置。IGCT在功率、可靠性、速度、效率、体积等方面均达到了新的标准。IGCT未来仍有巨大的潜力。

主电路功率器件正进入以新型器件为主的新时代，作为电力电子技术发展的决定性因素，电力电子器件的研发及关键技术突破，必然会促进电力电子技术的发展，进而促进变频调速技术的发展。

在变频电路拓扑结构方面：基于双PWM技术的交-直-交变频器和矩阵式变频器是变频调速技术的最新发展趋势。其主要优点是：输出电压和输出电流的低次谐波含量都较小，输入功率因数可调，输出频率范围宽，可进行四象限运行，符合当今“绿色变频”的概念。

控制方面：所包含的关键技术有：磁通的观测、无速度传感器控制、参数辨识、参数变化的补偿等。同时使用微电子技术所提供的DSP、CPU、ASIC等。

PWM及多电平技术：消除机械和电磁噪声的最佳方法并不是盲目提高工作频率，随机PWM技术可以提供一种新途径。由于PWM逆变器的开关损耗随着功率和频率的增加而迅速增加，因此，在高频化和大功率方面有大量工作。解决的方法是采用谐波技术及在此基础上发展起来的软开关技术。同时，多电平逆变器也越来越受到人们的重视，开关损耗的问题转化为多管串联后的均压问题。

变频器的网络化配置：在网络化日益普及的今天，与普通的点对点硬线连接方式相对而言，高速通讯连接的变频器系统可以在最大限度上降低系统维护时间，提高生产效率，减少运行成本。用户可以有更大的自由根据生产过程来选择PLC型号和品牌，并非常简单地集成到现有的网络中去。而且通过现场总线模块，可以不考虑变频器的型号，以同一种语言与不同功率段、不同型号的变频器进行组构。由于采用了通讯方式，可以通过PC来方便地进行组态和系统维护，包括上传、下载、监控、参数的读写等。

五、总结

交流变频调速技术是一门实践性和应用性很强的课程，是电气类专业改革教学方案中设置的一门主干课程，是近几十年迅猛发展起来的先进技术。在教学过程中，加强定性分析，尽量减少大篇幅数学推导，提高学生的学习兴趣，注重培养学生的工程素质、动手能力及创新意识。

［参考文献］

［1］张燕宾,李鹤轩.电动机变频调速图解［M］.北京:中国电力出版社，2003.

［2］陈伯时,陈敏逊.交流调速技术［M］.北京:机械工业出版社，1998.

［3］王树.变频调速系统设计与应用［M］.北京:机械工业出版社，2005.

［责任编辑：钟岚］