新兴电子技术中的变频调速

郑志波*，康德，郭怡嘉，石林



新兴电子技术中的变频调速

郑志波1*，康德2，郭怡嘉1，石林1

（1.四川电力职业技术学院，四川成都，611133；2.成都理工大学信息科学与技术学院，四川成都，610059）

随着电子技术的不断兴起，其中电力电子技术的变频调速技术已成为各国的焦点了，变频调速以其优异的调速和其制动性能被国内外公认为最有发展的调速方式。电力电子技术是最近几年迅速发展的一种高新技术，广泛应用于航天航空、电机传动以及机电一体等领域，现已成为各国竞相发展的一种高新技术。

电力电子技术；变频调速；控制方式

引言

电力电子技术诞生至今已近65年，它对人类的发展起了巨大的推动作用。近十年来，随着电力技术、计算机技术、自动控制技术的发展，电气传动技术进行了一场历史变革，即交流调速取代了直流调速和计算机数字控制技术取代了模拟控制技术。交流电机变频已是当今节电、改善工艺流程以提高产品质量、改善环境、推动技术进步的一种主要手段。变频调速依靠其优异的调速和其制动性能、高效率、高功率因数和节电效果、适用范围广等优点，而已被国内外公认为最有发展前途的调速方式。

1 电力电子技术的作用

电力电子技术是一门新兴的应于电力领域的电子技术，就是使用电力电子器件（如晶闸管、GTO、IGBT等）对电能进行变换和控制的技术。电力电子技术分为电子电子器件制造技术和交流技术（整流，逆变，斩波，变频，变相等）两个分支。

电力电子技术的重要作用：

（1）优化电能使用。通过电力电子技术对电能的处理，使电能的使用达到合理、高效和节约，实现了电能的使用最佳化。

（2）改造传统产业和发展机电一体化等新兴产业。据发达国家预测，今后将有95%的电能要经电力电子技术处理后再使用，即工业和民用的各种机电设备中，有95%与电力电子产业有关，特别是，电力电子技术是弱电控制强电的媒体，是机电设备与计算机之间的重要接口，它为传统产业和新兴产业采用电子技术创造了条件，成为发挥计算机作用的保证和基础。

（3）电力电子技术高频化和变频技术的发展，将使机电设备突破工频传统，向高频化方向发展。能实现最佳工作效率，将使机电设备的体积减小几倍，响应速度达到高速化，并能适应任何基准信号，实现无噪音且具有全新的功能和用途。

（4）电力电子智能化的进展，在一定程度上将信息处理与功率处理合一，使微电子技术与电子电力技术一体，其发展有可能引起电子技术的重大改革。有人甚至提出，电子学的下一次革命将发生在以工业设备和电网为对象的电子技术应用领域，电力电子技术把人们带进了第二次电子革命。

2 变频调速的工作原理及控制方式

2.1 变频器的工作原理

交流电动机的同步转速表达式位：

n＝60 f(1－s)/p (1)

式中 n——异步电动机的转速；f——异步电动机的频率；

s——电动机转差率；p——电动机极对数由式(1)可知，转速n与频率f成正比，只要改变频率f即可改变电动机的转速，当频率f在0～50Hz的范围内变化时，电动机转速调节范围非常宽。变频器就是通过改变电动机电源频率实现速度调节的，是一种理想的高效率、高性能的调速手段。

2.2 变频器控制方式

低压通用变频输出电压为380～650V，输出功率为0.75～400kW，工作频率为0～400Hz，它的主电路都采用交—直—交电路。其控制方式经历了以下四代。

2.2.1 U/f=C的正弦脉宽调制（SPWM）控制方式

其特点是控制电路结构简单、成本较低，机械特性硬度也较好，能够满足一般传动的平滑调速要求，已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，由于输出电压较低，转矩受定子电阻压降的影响比较显著，使输出最大转矩减小。另外，其机械特性终究没有直流电动机硬，动态转矩能力和静态调速性能都还不尽如人意，且系统性能不高、控制曲线会随负载的变化而变化，转矩响应慢、电机转矩利用率不高，低速时因定子电阻和逆变器死区效应的存在而性能下降，稳定性变差等。因此人们又研究出矢量控制变频调速。

2.2.2 电压空间矢量（SVPWM）控制方式

它是以三相波形整体生成效果为前提，以逼近电机气隙的理想圆形旋转磁场轨迹为目的，一次生成三相调制波形，以内切多边形逼近圆的方式进行控制的。经实践使用后又有所改进，即引入频率补偿，能消除速度控制的误差；通过反馈估算磁链幅值，消除低速时定子电阻的影响；将输出电压、电流闭环，以提高动态的精度和稳定度。但控制电路环节较多，且没有引入转矩的调节，所以系统性能没有得到根本改善。

2.2.3 矢量控制（VC）方式

矢量控制变频调速的做法是将异步电动机在三相坐标系下的定子电流Ia、Ib、Ic、通过三相－二相变换，等效成两相静止坐标系下的交流电流Ia1Ib1，再通过按转子磁场定向旋转变换，等效成同步旋转坐标系下的直流电流Im1、It1（Im1相当于直流电动机的励磁电流；It1相当于与转矩成正比的电枢电流），然后模仿直流电动机的控制方法，求得直流电动机的控制量，经过相应的坐标反变换，实现对异步电动机的控制。其实质是将交流电动机等效为直流电动机，分别对速度，磁场两个分量进行独立控制。通过控制转子磁链，然后分解定子电流而获得转矩和磁场两个分量，经坐标变换，实现正交或解耦控制。矢量控制方法的提出具有划时代的意义。然而在实际应用中，由于转子磁链难以准确观测，系统特性受电动机参数的影响较大，且在等效直流电动机控制过程中所用矢量旋转变换较复杂，使得实际的控制效果难以达到理想分析的结果。

2.2.4 直接转矩控制（DTC）方式

1985年，德国鲁尔大学的DePenbrock教授首次提出了直接转矩控制变频技术。该技术在很大程度上解决了上述矢量控制的不足，并以新颖的控制思想、简洁明了的系统结构、优良的动静态性能得到了迅速发展。目前，该技术已成功地应用在电力机车牵引的大功率交流传动上。

直接转矩控制直接在定子坐标系下分析交流电动机的数学模型，控制电动机的磁链和转矩。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数学模型。

2.2.5 矩阵式交—交控制方式

VVVF变频、矢量控制变频、直接转矩控制变频都是交—直—交变频中的一种。其共同缺点是输入功率因数低，谐波电流大，直流电路需要大的储能电容，再生能量又不能反馈回电网，即不能进行四象限运行。为此，矩阵式交—交变频应运而生。由于矩阵式交—交变频省去了中间直流环节，从而省去了体积大、价格贵的电解电容。它能实现功率因数为l，输入电流为正弦且能四象限运行，系统的功率密度大。该技术目前虽尚未成熟，但仍吸引着众多的学者深入研究。其实质不是间接的控制电流、磁链等量，而是把转矩直接作为被控制量来实现的。具体方法是：

（1）控制定子磁链引入定子磁链观测器，实现无速度传感器方式；

（2）自动识别（ID）依靠精确的电机数学模型，对电机参数自动识别；

（3）算出实际值对应定子阻抗、互感、磁饱和因素、惯量等算出实际的转矩、定子磁链、转子速度进行实时控制；

（4）实现Band—Band制按磁链和转矩的Band—Band控制产生PWM信号，对逆变器开关状态进行控制。

矩阵式交—交变频具有快速的转矩响应（<2ms），很高的速度精度（±2％，无PG反馈），高转矩精度（<＋3％）；同时还具有较高的起动转矩及高转矩精度，尤其在低速时（包括0速度时），可输出150％～200％转矩。

3 结束语

变频调速在电力电子技术、控制技术以及微电子技术的推动下有了飞速的发展。变频技术在电力电子技术的作用使自身不断完善，如今，已在航天航空，电气设备，能源开发等事业中占据了不可替换的调速方式。同时，它也被世界各国誉为最有发展前途的调速方式。变频调速具备运用范围广、性能可靠、匹配完善等优点。并且将有价格便宜的变频器随着电力电子技术的不断发展而诞生。

[1] 赵良炳. 现代电力电子器件基础[M]. 北京: 清华出版社, 1995.

[2] 丁道宏. 电力电子技术[M]. 北京: 航空工业出版社, 1992.

[3] 李先允, 李刚. 电力电子技术习题集[M]. 北京:中国电力出版社, 2008.

[4] 杨青. 电力电子技术及变频调速的最新发展动态[J]. 机电一体化, 2004, 10(4): 9-11.

[5] 任玉强. 基于电子系统中的变频调速器应用[J]. 电子技术与软件工程, 2015, (22): 132-132.

Frequency Control in Emerging Electronic Technology

ZHENG Zhibo1*, KANG De2, GUO Yijia1, SHI Lin1

(1.Sichuan Electric Power Vocational and Technical College, Chengdu Sichuan 611133, China; 2.College of Information Science and Technology, Chengdu University of Technology, Chengdu 610059, China)

With the continuous rise of electronic technology, which power electronic technology frequency control technology has become the focus of the country, frequency control with its excellent speed and its braking performance is recognized as the most developed domestic and international speed the way. Power electronics technology is a rapid development in recent years, a high-tech, widely used in aerospace, motor drive and mechanical and electrical integration, and other fields, has become a country competing to develop a high-tech.

power electronic technology; frequency control; control mode

郑志波, 康德, 郭怡嘉, 等. 新兴电子技术中的变频调速[J]. 数码设计, 2017, 6(5): 86-87.

ZHENG Zhibo, KANG Te, GUO Yijia, et al. Frequency Control in Emerging Electronic Technology[J]. Peak Data Science, 2017, 6(5): 86-87.

10.19551/j.cnki.issn1672-9129.2017.05.035

TM921

A

1672-9129(2017)05-0086-02

2017-02-10；

2017-03-16。

郑志波（1998-），男，四川电力学院，主要研究方向电力系统。E-mail: 534047985@qq.com。