变频调速技术的现状与发展(王经纬).doc

变频调速技术的现状与发展王经纬（山东大学 控制科学与工程学院，山东 济南 250002）摘要：变频调速以其优异的调速和启制动性能，高效率、高功率因数和节能效果，广泛的适用范围及其他许多优点，已成为高性能交流调速领域中世界各国备受关注和重点发展的技术之一。本文概述了其行业现状和未来发展趋势，重点论述了其优势及其发展历史、国内外现状、控制方式、未来发展方向及今后应做的工作。关键字：变频调速系统；矢量控制；PWM技术0 引言20世纪70年代以来，随着电力电子技术和控制理论的高速发展，交流电机变频调速技术取得了突破性的进展。变频调速以其优异的调速和启制动性能，高效率、高功率因数和节能效果，广泛的适用范围及其他许多优点而被国内外公认为最有发展前途的调速方式，是当今节能、改善工艺流程以提高产品质量和改善环境，推动技术进步的一种主要手段。目前，国内变频调速系统的研究非常活跃，但是在产业化方面还不是很理想，市场的大部分份额还是被国外公司所占据。因此，加快国内变频调速系统的发展以及如何站在高起点上结合我国国情开发我国自己的产品都具有十分积极的意义，这就需要对国际变频调速技术的现状和发展趋势有一个全面、深入的了解。 1 变频调速技术的优势及其发展历史1.1 变频调速技术的优势电气传动控制系统通常由电动机、控制装置和信息装置3部分组成。它分成不调速和调速两大类，调速又分交流调速和直流调速两种方式。不调速电动机直接由电网供电，但随着电力电子技术的发展这类原本不调速的机械越来越多地改用调速传动以节约电能（节约15%20%或更多），改善产品质量，提高产量。近年来交流调速中最活跃、发展最快的就是变频调速技术。变频调速是交流调速的基础和主干内容。变频调速主要有如下一些优点：调速范围宽，可以使普通异步电动机实现无级调速；启动电流小，而启动转矩大；启动平滑，消除机械的冲击力，保护机械设备；对电机具有保护功能，降低电机的维修费用；具有显著的节电效果；通过调节电压和频率的关系方便地实现恒转矩或者恒功率调速。1.2 变频调速技术发展历史交流变频调速理论最初诞生20世纪20年代，直到60年代，由于电力电子器件技术的进步，才促进了变频调速技术向实用方向发展。70年代席卷工业发达国家的石油危机，促使其投入大量的人力、物力、财力去研究高效率的变频器，使变频技术有了很大发展并得到推广应用。80年代，变频器已经产品化，性能也不断提高，并开始被应用于工业各部门。进入9 0年代，由于新型电力电子器件如I G B T 、 I G C T等的发展及性能的提高、微型计算机技术（DSP）的发展，以及先进控制理论的发展和完善（如磁场定向矢量控制、直接转矩控制）等原因，极大地提高了变频调速技术的技术性能，促进了变频调速技术的发展，使变频器在调速范围、驱动能力、调速精度、动态响应、输出性能、功率因数、运行效率及使用的方便性等方面大大超过了其他常规交流调速方式，其性能指标亦已超过直流调速系统，达到取代直流调速系统的地步。目前，交流变频调速以其优异的性能而深受各行业的普遍欢迎，在电力、轧钢、造纸、化工、水泥、煤炭、纺织、铁路、食品、船舶、机床等传统工业的改造中和航天航空等高新技术的发展应用中无不看到变频调速技术的踪影，变频调速技术取得了显著的经济效益。2 国内外技术现状对比2.1 国外现状在大功率交-交变频调速技术方面，法国阿尔斯通已能提供单机容量达3万千瓦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6万千瓦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102600kVA，Simovert P GTO PWM 变频调速设备单机容量为100900 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。国外变频调速技术有以下特点：功率器件的发展。近年来高电压、大电流的SCR、GTO、IGBT、IGCT等器件的生产以及串、并联技术的发展应用，使高抵押、大功率变频器的生产及应用成为现实；控制理论和微电子技术的发展。矢量控制、磁通控制、转矩控制等新的控制理论为高性能的变频器提供了理论基础；16/32位高速微处理器以及信号处理器（DSP）和专用集成电路（ASIC）技术的快速发展，为实现变频器高精度、多功能提供了硬件手段；市场的大量需求。随着工业自动化程度的不断提高和全球性能源短缺，变频器越来越广泛地应用在机械、纺织、化工、造纸、冶金等各个行业，取得显著的经济效益。2.2 国内现状从总体上看，我国电气传动的技术水平落后国际先进水平1020年。在大功率交-交、无换向器电机等变频技术方面，国内只有少数科研单位有能力制造，但在数字化及系统可靠性方面与国外还有相当差距。在中小功率变频技术方面，国内几乎所有的产品都是普通的v/f 控制，仅有少量的样机采用矢量控制，品种与质量还不能满足市场需要，每年大量进口。国内变频调速技术产业状况如下：变频器的整体技术落后，国内虽有很多单位投入了一定的人力、物力，但由于力量分散，并没有形成一定的技术和生产规模；变频器产品所用半导体功率器件的制造业几乎是空白；产销量少，可靠性及工艺水平不高。3 变频调速中的控制技术3.1 矢量控制技术1969年德国Darmstadt技术大学的K.Hasse博士在他的博士论文中提出了矢量控制的基本思想，后又于1971年由德国西门子公司的F.Blaschke工程师将这种一般化的概念形成系统理论，并以磁场定向控制（Field Orientation Control）的名称发表，由此开创了交流电机等效直流电机控制的先河。矢量控制的基本点是控制转子磁链，以转子磁通定向，然后分解定子电流，使之成为转矩和磁场两个分量，经过坐标变换实现正交或解耦控制。迄今为止，矢量控制无论是在理论和技术方面，还是在产品化方面已经获得了长足的发展和优良的业绩。但是，由于转子磁链难以准确观测，以及矢量变换的复杂性，使得实际控制效果往往难以达到理论分析的效果。此外，它必须直接或间接地得到转子磁链在空间上的位置才能实现定子电流解耦控制，在这种矢量控制系统中需要配留转子位置或速度传感器，这给许多应用场合带来不便。尽管如此，矢量控制技术仍然在努力融入通用型变频器中，1992年，西门子开发了6SE70通用型系列，通过FC、VC、SC板可以分别实现频率控制、矢量控制、伺服控制。1994年将该系列扩展至315kW以上。其后，随着现代控制理论、微电子技术和电力电子技术的不断发展和应用，经过20年的努力，矢量控制的交流传动系统已经进入了高精度的伺服控制领域。3.2 无速度传感器矢量控制技术无速度传感器矢量控制策略从1983年被提出以来，一直受到学术界和产业界的高度重视，日立、安川电机等公司于1987年分别发表了研究成果，并相继推出了产品。无速度传感器矢量控制变频器既具有矢量控制高性能的优点，又具有通用变频器没有速度传感器的长处。在进行矢量控制时如何获得速度信号是无速度传感器矢量控制技术的技术关键。无速度传感器控制系统获得速度信号的方法是用直接计算、参数辨识、状态估计、间接测量等手段，根据电动机定子较易测量的定子电压、电流计算出与速度有关的量，从而得到转子速度，并将其用于速度反馈系统之中。常用的方法有：利用电动机的基本方程式（静态和动态）导出速度的方程式进行计算；根据模型参考自适应控制的理论，选择合适的参考模型和可调整模型，利用自适应算法辨识出速度；利用电动机的齿谐波电动势计算速度等。目前，无速度传感器矢量控制变频器的调速范围为1:120左右，个别厂商有1:200甚至更高的产品。3.3 直接转矩控制技术直接转矩控制( DTC，Direct Torque Control) 系统，是继矢量控制系统之后发展起来的另一种高动态性能的交流电动机变压变频调速系统。1985年由德国鲁尔大学Depenbrock教授提出。直接转矩控制是基于在定子坐标系下（坐标系）建立的交流电动机数学模型，直接控制电动机的磁链和转矩，并用定子磁链定向代替转子磁链定向。直接转矩控制强调的是转矩的直接控制效果，因此它并不强调获得理想的正弦波波形，而是采用电压空间矢量和近似圆形磁链轨迹的概念。控制上对除定子电阻外的所有电机参数变化鲁棒性良好。所引入的定子磁链观测器能很容易估算出同步速度信息，因而能方便地实现无速度传感器化，即无速度传感器直接转矩控制。但这种控制依赖于精确的电机数学模型和对电机参数的自动识别。这种系统可以实现很快的转矩响应速度和很高的速度、转矩控制精度。1995 年，ABB公司首先推出ACS600直接转矩控制系列，已达到2ms的转矩响应速度和0.01%（带PG），0.1%（无PG）的速度控制精度。安川公司推出的VS-676H5高性能无速度传感器矢量控制系列，虽与直接转矩控制还有差别，但也已做到了100ms的转矩响应和0.2%（无PG），0.01%（带PG）的速度控制精度。日本富士电机推出的FRN 5000G9/P9以及最新的FRN 5000Gll/P11系列，都采取了类似无速度传感器控制的设计，性能有了进一步提高，然而变频器的价格并不比以前的机型昂贵多少。3.4 PWM控制技术PWM技术是变频技术的核心技术。1964年由A Schonung和H stemmler 首先在BBC评论上提出。PWM控制技术大致可以分为3类，正弦PWM（包括电压、电流或磁通的正弦为目标的各种PWM方案，多重PWM也应归于此类）、优化PWM及随机PWM。正弦PWM已为人们所熟知，而旨在改善输出电压、电流波形，降低电源系统谐波的多重PWM技术在大功率变频器中有其独特的优势（如ABB ACS1000系列和美国ROBICON公司的完美无谐波系列等）；而优化PWM所追求的则是实现电流谐波畸变率（THD）最小，电压利用率最高，效率最优，转矩脉动最小以及其他特定优化目标。任何控制算法的最终实现几乎都是以各种PWM控制方式完成的。目前已经提出并得到实际应用的PWM控制方案就不下十几种。尤其是微处理器应用于PWM技术并使之数字化以后，花样是不断翻新，从最初追求电压波形的正弦，到电流波形的正弦，再到磁通的正弦；从效率最优，转矩脉动最少，再到消除噪音等，PWM控制技术的发展经历了一个不断创新和不断完善的过程。到目前为止，还有新的方案不断提出，进一步证明这项技术的研究方兴未艾。其中，空间矢量PWM技术以其电压利用率高，控制算法简单，电流谐波小等特点在交流调速系统中得到了越来越多的应用。3.5 数字化控制技术早期变频器的控制电路都是以模拟电路为基础，采用运算放大器和少量的数字电路组成，结构非常复杂，功能相当少，调试十分麻烦，性能指标低下，实用效果不佳，严重阻碍了交流调速技术的发展和推广应用。随着微处理器技术的高速发展，特别是DSP等高速处理器的涌现，为实现交流调速系统全数字化控制、硬件软件化奠定了坚实的物质基础，使得现代变频器的性能近乎完美，功能丰富齐全，操作日益简单，极大地促进了变频调速技术的发展和应用。控制技术的数字化是静止变频装置的核心技术，是今后的发展趋势。目前市场上的变频装置几乎全面实现了数字化控制，由于元件的高性能和小型化，使变频装置实现了控制的高精度，采用DSP和ASIC实现了快速运算和高精度控制，可以得到良好的电流波形使变频器的噪音大幅度降低。由于应用微电子技术和ASIC技术，装置的元器件数量得以大幅度减少，从而使变频装置的可靠性大幅度提高。早期由于受CPU处理速度限制和离散化延迟时间的影响，电流控制响应为数毫秒，速度控制响应为十毫秒左右。近年来CPU处理速度的提高和应用DSP、ASIC控制使扫描时间大幅度缩短，目前电流响应为0.10.7ms，速度响应为24ms，足以满足传动领域的控制要求。4 变频调速技术的发展趋势4.1 电动机与变频器的一体化日本三菱公司将功率芯片和控制电路集成在一块芯片上的DIPIPM（即双列直插式封装）的研制已经完成并推向市场。一种使逆变功率和控制电路达到一体化、智能化和高性能化的HVIC（高耐压IC）SOC（System on Chip）的概念已被用户接受，首先满足了家电市场低成本、小型化、高可靠性和易使用等的要求。因此可以展望，随着功率做大，此产品在市场上极具竞争力。90年代以前，对变频调速系统的研究主要集中在变频器的拓扑结构以及控制算法上，并且取得了很大的进展，使得电机传动的动态性能和调速精度等方面大大提高。但对于变频器供电下电机的效率、功率因素、绝缘等没有加以重视和研究。其中变频器带来的“电应力”问题和电机轴电压、轴电流问题是近几年较为突出的严重问题，而这些问题的起因在于变频器与电机没有作为一个整体加以设计而引起的。4.2 变频控制的高性能化、全数字化无速度传感器矢量控制（SVC）的发展。早期的SVC多采用电压、电流信号构成速度观测器，后来采用磁通观测器模型，使力矩特性更好。最新的SVC产品则用电压电流模型与磁通模型构成速度观测器，在不同的速度区段，利用切换的办法取得更好的速度观测效果，称为双观测器矢量控制系统。此外，采用高速CPU芯片，信号处理速度更快，使系统在极低的转速下也能获得良好的转矩特性与高速响应。电机参数自检测与自整定技术。高性能矢量控制变频器运行前需进行电动机参数的检测。早期变频器首先需把电动机和机械脱开，才让电动机旋转，按预先设定的程序运转，记录定子电压和电流，对参数进行自动整定，该方法称为“旋转自检测”。其缺点在于卸开电动机和机械的连接十分不方便。新开发的“停车自检测”电动机可以在不旋转的状态下进行测量，连“旋转自检测”不测量的漏电感参数也可以测出，因此控制性能得到提高。目前Siemens公司的MM440矢量型变频器具有此功能，可以“停车自检”出电机定子电阻、转子电阻、定子漏抗、主电抗以及磁化饱和曲线等。随着计算机技术的发展，人们对数字化信息的依赖程度越来越高。为了使交流调速系统与信息系统紧密结合，同时提高交流调速系统自身的性能，必须使交流调速系统实现全数字化控制。单片机已经在交流调速系统中得到了广泛地应用。如Intel 公司1983年推出的MCS-96系列是目前性能较高的单片机系列之一，适用于高速、高精度的工业控制。其高档型8x196KB、8x196KC、8x196MC等在通用开环交流调速系统中的应用较多。另外，随着交流电机控制理论不断发展，控制策略和控制算法也日益复杂。DSP芯片在全数字化的高性能交流调速系统中找到施展身手的舞台。如TI 公司的MCS320F240等DSP芯片，以其较高的性能价格比成为了全数字化交流调速系统的首选。最近TI 公司推出MCS320F240X系列产品更将价格降低到了单片机的水平。各种总线在实现数字化控制过程中也扮演了相当重要的角色。STD总线、工业PC总线、现场总线以及CAN总线等在交流调速系统的自动化应用领域起到了重要的作用。4.3 变频器的网络化、环保化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而言，通过高速通信连接的变频器系统可以在最大程度上降低系统维护时间、提高生产效率、减少运行成本。目前安装的现场总线模块有Profibus DP、Interbus、DeviceNet、CAN Open 和Modbus Plus等。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，并非常简单的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，而以同一种语言来与不同型号的变频器进行组构，如功率、转矩、速度、电流、设定值等。由于采用了通信方式，可以通过PC来方便地进行组态和系统维护，包括上传、下载、复制、监控、参数读写等。变频器的低电磁噪音化。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，主要做法是在变频器输入侧加交流电抗器或有源功率因数校正（APFC,Active Power Factor Correction）电路，改善输入电流波