王 暉

（林德工程（杭州）有限公司 工程中心，浙江 杭州 310012）

1 變頻調(diào)速系統(tǒng)

交流傳動(dòng)系統(tǒng)就是使用交流電動(dòng)機(jī)進(jìn)行調(diào)速的系統(tǒng)，主要分為交流異步電動(dòng)機(jī)和交流同步電動(dòng)機(jī)兩 類(lèi)[1]。交流異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法較多，如降低電壓調(diào)速、轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速、改變極對(duì)數(shù)調(diào)速及變頻變壓調(diào)速等。其中，前兩類(lèi)效率較低；第三類(lèi)無(wú)法實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速；僅有第四類(lèi)可以在滿(mǎn)足較高效率的同時(shí)實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速，構(gòu)成高性能的交流調(diào)速系統(tǒng)，進(jìn)而取代直流調(diào)速[2]，所以本文將著重介紹。同步電動(dòng)機(jī)因?yàn)槠浣Y(jié)構(gòu)特點(diǎn)，僅能采用變頻變壓調(diào)速。

變頻器是變頻調(diào)速的核心設(shè)備，通常分交-直-交和交-交兩大類(lèi)。前者由整流回路、直流回路及逆變回路3 個(gè)部分組成[3]。由于在輸入和輸出交流回路之間多出一個(gè)直流回路，所以又稱(chēng)間接式變頻器，如圖1 所示。

圖1 交-直-交變頻器結(jié)構(gòu)圖

此類(lèi)變頻器的整流回路一般是由電力二極管組成的不可控整流橋，但是如果變頻器有能量回饋的要求，整流器也會(huì)由IGBT 或者IGCT 等可控元件組成。直流回路根據(jù)采用的濾波器的不同，分為電壓源型和電流源型。電壓源型采用大電容濾波，電壓穩(wěn)定不易波動(dòng)，且由于大電容提供的無(wú)功補(bǔ)償，系統(tǒng)的功率因數(shù)較高。電流源型采用大電感濾波，動(dòng)態(tài)響應(yīng)較快，但功率因數(shù)和運(yùn)行穩(wěn)定性略差[4]。逆變回路一般是由IGBT 或者IGCT 等可控元件組成，并利用脈寬調(diào)制（PWM）技術(shù)對(duì)輸出電壓和頻率進(jìn)行控制。

交-交類(lèi)變頻器結(jié)構(gòu)如圖2 所示，其只有一個(gè)變換環(huán)節(jié)，所以又稱(chēng)直接式變頻器。因?yàn)榇祟?lèi)變頻器功率因數(shù)低、諧波含量大、頻譜復(fù)雜，所以應(yīng)用較少。

圖2 交-交變頻器結(jié)構(gòu)圖

2 變頻器控制技術(shù)

2.1 標(biāo)量控制（V/F 控制）

標(biāo)量控制就是傳統(tǒng)的V/F 控制方式，通過(guò)線性的控制電壓和頻率的值，一方面保持勵(lì)磁磁通不變以合理充分地利用電動(dòng)機(jī)鐵心；另一方面與負(fù)載配合，得到所需的輸出轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速。這種控制方式在低頻時(shí)定子相電壓和感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)都較小，定子電阻和漏磁感抗壓降所占的分量相對(duì)較大，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩變小，因此低頻性能較差，一般用于對(duì)調(diào)速性能要求不高的風(fēng)機(jī)、水泵等場(chǎng)合。

2.2 矢量控制

矢量控制是指將異步電動(dòng)機(jī)三相坐標(biāo)系中的定子電流進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，得到旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系上的直流電流，并進(jìn)行控制，如圖3 所示。

圖3 異步電動(dòng)機(jī)坐標(biāo)變換結(jié)構(gòu)圖

其控制策略與直流電動(dòng)機(jī)十分相似，即獲得直流電動(dòng)機(jī)控制量，然后利用坐標(biāo)逆變換獲取異步電動(dòng)機(jī)的控制量。這就可以與直流電動(dòng)機(jī)一樣分別控制磁場(chǎng)以及轉(zhuǎn)速，獲得與直流電動(dòng)機(jī)一樣優(yōu)異的調(diào)速性能。西門(mén)子、施耐德及國(guó)產(chǎn)高性能變頻器均采用這種技術(shù)。

2.3 直接轉(zhuǎn)矩控制

直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)由德國(guó)魯爾大學(xué)教授DePenbrock 等在1985 年提出，利用空間矢量坐標(biāo)的概念，在定子坐標(biāo)系下分析交流電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型，以定子磁場(chǎng)定向方式，對(duì)定子磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩進(jìn)行直接控制[5]。與矢量控制方式相比，直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)由于省去了復(fù)雜的坐標(biāo)變化，所以控制器的結(jié)構(gòu)得以簡(jiǎn)化，且由于以轉(zhuǎn)矩作為直接控制量，所以可以得到快速的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)，在加減速過(guò)程和負(fù)載變化的過(guò)程中有更優(yōu)異的表現(xiàn)。目前，直接轉(zhuǎn)矩控制的專(zhuān)利技術(shù)屬于瑞士ABB 公司，所以直接轉(zhuǎn)矩控制方式僅出現(xiàn)在ABB旗下的變頻器產(chǎn)品中。

分析實(shí)際應(yīng)用情況可知，矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制都是高性能的交流調(diào)速系統(tǒng)控制方式，兩者都以異步電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)，對(duì)轉(zhuǎn)矩和磁鏈分別進(jìn)行控制。矢量控制通過(guò)復(fù)雜的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換控制轉(zhuǎn)子磁鏈，可實(shí)現(xiàn)較寬的調(diào)速范圍，但是易于受到轉(zhuǎn)子參數(shù)的影響，降低了系統(tǒng)的魯棒性；而直接轉(zhuǎn)矩控制通過(guò)較簡(jiǎn)單的靜止坐標(biāo)變換控制定子磁鏈，不受轉(zhuǎn)子參數(shù)影響，但是也因此存在脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩，調(diào)速范圍會(huì)窄一些。

此外，這些變頻器控制技術(shù)還有無(wú)速度傳感器控制和有速度傳感器控制的區(qū)別。有速度傳感器的技術(shù)因?yàn)樵赑ID 調(diào)節(jié)環(huán)中又加入了速度反饋，可以實(shí)現(xiàn)更精確的速度控制，配合矢量控制或者直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)更廣泛的應(yīng)用場(chǎng)合。無(wú)速度傳感器控制則可以用于一般調(diào)速精度的場(chǎng)合。

3 變頻調(diào)速方法的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)

一般應(yīng)用變頻調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行電動(dòng)機(jī)控制，其技術(shù)優(yōu)點(diǎn)表現(xiàn)在如下3 個(gè)方面。

第一，真正實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速，具有優(yōu)越的調(diào)速性能。因?yàn)樽冾l電動(dòng)機(jī)使用的變頻調(diào)速技術(shù)能夠輸出各種轉(zhuǎn)速，所以調(diào)速過(guò)程中平滑性能較好、精準(zhǔn)度相當(dāng)高。若電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速處在低速啟動(dòng)狀態(tài)，其輸出轉(zhuǎn)矩也比較大，就可以使電動(dòng)機(jī)更快地響應(yīng)，大大提高電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)水平。第二，啟動(dòng)時(shí)所需電流小，不會(huì)沖擊電網(wǎng)。直接啟動(dòng)的交流電動(dòng)機(jī)一般會(huì)有6 ～8 倍的啟動(dòng)電流，降壓?jiǎn)?dòng)也至少會(huì)有3 ～5 倍的啟動(dòng)電流，而采用變頻器啟動(dòng)的電動(dòng)機(jī)僅有1 倍左右的啟動(dòng)電流，大大降低了對(duì)系統(tǒng)容量的要求，也降低了電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)過(guò)程中出現(xiàn)的熱效應(yīng)以及機(jī)械振動(dòng)，延長(zhǎng)了設(shè)備的使用壽命[6]。 第三，良好的節(jié)能效果。在負(fù)載較低時(shí)，變頻器可以通過(guò)降低轉(zhuǎn)速來(lái)降低電動(dòng)機(jī)輸出，避免以往采用放空閥或者節(jié)流閥等消耗型負(fù)載調(diào)整方式，從而達(dá)到節(jié)能減排的目的。

4 變頻傳動(dòng)技術(shù)存在的問(wèn)題以及處理策略

現(xiàn)代高性能變頻器廣泛采用脈寬調(diào)制（PMW）逆變器輸出技術(shù)，必然導(dǎo)致輸出波形中諧波含量較高，一方面諧波沿電纜傳輸并與其反射波疊加，在電動(dòng)機(jī)接線端子處生成尖峰電壓，對(duì)電動(dòng)機(jī)的相-相、相-地絕緣造成損傷；另一方面諧波的電壓上升率很高，對(duì)電動(dòng)機(jī)的匝間絕緣形成壓迫。此外，諧波還會(huì)造成電動(dòng)機(jī)運(yùn)行噪音較大，發(fā)熱較嚴(yán)重等。這些問(wèn)題在設(shè)計(jì)階段就必須加以考慮，可以通過(guò)在變頻器輸出側(cè)加裝電抗器、LC 濾波器等諧波治理措施，優(yōu)化輸出電壓波形，降低諧波造成的影響；也可以通過(guò)加強(qiáng)電動(dòng)機(jī)絕緣和機(jī)械結(jié)構(gòu)，保證電動(dòng)機(jī)在諧波條件下的適用性。

變頻器在運(yùn)行過(guò)程中也會(huì)向電網(wǎng)注入一定量的諧波，如果諧波含量滿(mǎn)足GB/T 14549—1993《電能質(zhì)量 公用電網(wǎng)諧波》的要求，則不需要采取消諧措施；如果超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)，則必須合理處置。一般變頻器數(shù)量不多時(shí)，可以采取在變頻器輸入測(cè)加裝濾波器的處理措施；當(dāng)變頻器數(shù)量較多時(shí)，則集中式的有源濾波器或者LC 濾波設(shè)備更具優(yōu)勢(shì)[7]。

傳統(tǒng)異步電動(dòng)機(jī)通常采用同軸風(fēng)扇的冷卻方式，但是當(dāng)采用變頻調(diào)速且運(yùn)行轉(zhuǎn)速較低時(shí)，同軸風(fēng)扇的散熱量將明顯不足，必須采用非同軸的額外供電的冷卻風(fēng)扇。當(dāng)然，如果電動(dòng)機(jī)運(yùn)行轉(zhuǎn)速整體處于較高的范圍，經(jīng)計(jì)算確認(rèn)滿(mǎn)足散熱要求后同軸風(fēng)扇仍然推薦使用。

在實(shí)際生產(chǎn)實(shí)踐中，因?yàn)閺V泛存在的普通非變頻電動(dòng)機(jī)，當(dāng)需要進(jìn)行變頻調(diào)時(shí)，本文描述的問(wèn)題將更加突出[8]。如果草草上馬變頻器，非變頻電機(jī)極易在變頻器的惡劣環(huán)境下過(guò)早的損壞，影響工業(yè)正常生產(chǎn)。所以必須仔細(xì)研究變頻器和電動(dòng)機(jī)的適用性，采取合理的措施，以保證整個(gè)變頻調(diào)速系統(tǒng)能在預(yù)定的使用期限內(nèi)正常穩(wěn)定的工作。

5 結(jié) 論

交流傳動(dòng)控制技術(shù)是今后發(fā)展的主流趨勢(shì)，變頻器在其發(fā)展過(guò)程中發(fā)揮著關(guān)鍵的作用。因此，國(guó)家相關(guān)部門(mén)必須要重視變頻器的發(fā)展和進(jìn)步，積極研究變頻器及變頻傳動(dòng)系統(tǒng)的新產(chǎn)品、新技術(shù)，以更好地促進(jìn)我國(guó)在這方面的快速穩(wěn)定發(fā)展，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展。