第3章 变频器

3.1 变频器的发展

3.1.1 异步电动机调速过程

各行各业的生产都离不开电动机，而结构简单、价格便宜的异步电动机被广泛采用，对异步电动机调速控制又是控制技术中的核心，回顾历史，异步电动机调速过程经历了3个阶段。

1.继电器开环控制阶段

这个阶段经历了50年左右。自从有了交流电后，采用了各种中间继电器、时间继电器和计数继电器组成的逻辑电路对交流异步绕线或异步电动机调速实现了开环的自动控制，也就是运动控制的初级阶段。这种控制很难满足现代化生产高效低耗的要求。

2.SCR闭环控制阶段

该阶段经历了20年左右。自从晶闸管（SCR）出现后，异步电动机调速控制迈了一大步，对笼型异步电动机来说，采用对晶闸管的移相，可以实现调压调速，但必须要闭环控制，才能得到较理想的调速性能。对绕线转子异步电动机来说，可用晶闸管制成逆变器实现串级调速，加上闭环控制，不但提高调速性能，还能回收转差能量，曾经称为当时的最好调速方法。但由于绕线转子异步电动机存在集电环和电刷的问题，所以也适应不了现代化生产的需要。

3.变频自动控制阶段

该阶段至今只有15年左右的时间。在短短的十几年就经历了以下几个过程：第一个过程是交-交变频，它采用晶闸管直接变工频电流为可调的低于1/2工频频率电流的电源。这种电源调速范围受到很大限制，这个过程很短，很快就进入了第二个过程，即交-直-交变频。它主要是采用了逆变器，逆变器的功率器件首先是SCR，控制技术为脉宽调制（PWM）；其次是逆变器功率器件采用BJT，此过程由模拟量控制发展为数字量控制；第三阶段就是目前已发展为逆变器的功率器件采用IGBT，并采用了32位多微机矢量控制，可以在150μs内对巨大电流进行闭环控制。进入了真正的智能运动控制阶段。

3.1.2 变频器技术发展动向

1.主电路逐步向集成化、高频化和高效率发展

1）集成化主要措施是把功率器件、保护元器件、驱动元器件和检测元器件进行大规模的集成，变为一个IPM的智能电力模块，体积小、可靠性高、价格低。

2）高频化主要是开发高性能的IGBT产品，提高其开关频率。目前开关频率已提高到10～15kHz，基本上消除了电动机运行时的噪声。

3）提高效率的主要办法是减少开关元器件的发热损耗，通过降低IGBT的集电极-射极间的饱和电压来实现，其次，用不控二极管整流采取各种措施设法使功率因数增加到1。现又开发一种新型的采用PWM控制方式的自换相变流器，已成功地用作变频器中的网侧变流器，电路结构与逆变器完全相同，每个桥臂均由一个自关断器件和一个二极管并联组成。其特点是：直流输出电压连续可调，输入电流（网侧电流）波形基本为正弦，功率因数可保持为1，并且能量可以双向流动，其结构如图3-1所示。

图3-1 双PWM交-直-交变频器

2.控制量由模拟量向数字量发展

由变频器供电的调速系统是一个快速系统，在使用数字控制时要求的采样频率较高，通常高于1kHz，常需要完成复杂的操作控制、数学运算和逻辑判断，所以要求微机具有较大的存储容量和较强的实时处理能力。前段时间，较为流行的方案是采用数片单片机来构成一个功能较强的全数字控制器。实用中微机的数量常根据具体任务而定。

全数字控制方式，使信息处理能力大幅度地增强。采用模拟控制方式无法实现的复杂控制在今天都已成为现实，使可靠性、可操作性、可维修性，即所谓的RAS（Reliability，Availability，Serviceability）功能得以充实。微机和大规模集成电路的引入，对于变频器的通用化起到了决定性的作用。

全数字控制具有如下特点：

1）精度高：数字计算机的精度与字长有关，变频器中使用16位乃至32位微机作为控制机，精度在不断提高。

2）稳定性好：由于控制信息为数字量，不会随时间发生漂移。与模拟控制不同，它一般不会随温度和环境条件发生变化。

3）可靠性高：微机采用大规模集成电路，系统中的硬件电路数量大为减少，相应的故障率也大大降低了。

4）灵活性好：系统中硬件向标准化、集成化方向发展，可以在尽可能少的硬件支持下，由软件去完成复杂的控制功能。适当地修改软件，就可以改变系统的功能或提高其性能。

5）存储容量大：存储容量大，存放时间几乎不受限制，这是模拟系统不能比拟的。利用这一特点可在存储器中存放大量的数据或表格，利用查表法简化计算，提高运算速度。

6）逻辑运算能力强：容易实现自诊断、故障记录、故障寻找等功能，使变频装置可靠性、可使用性、可维修性大大提高。

3.向多功能化和高性能化发展

多功能化和高性能化电力电子器件和控制技术的不断进步，使变频器向多功能化和高性能化方向发展。特别是计算机的应用，以其简单的硬件结构和丰富的软件功能，为变频器多功能化和高性能化提供了可靠的保证。

人们总结了交流调速电气传动控制的大量实践经验，并不断融入软件功能，日益丰富的软件功能使通用变频器的适应性不断增强，仅举几例说明如下：转矩提升功能使低速下的转矩过载能力提高到150%，使起动和低速运行性能得到很大的提高；转差补偿功能使异步电动机的机械特性n=f（T）的硬度甚至大于工频电网供电时的硬度，额定转矩下的转速降比无补偿时减小1/3～2/3，提高了稳态下的转速稳定度（应该指出，这是用简单的开环控制达到的指标，并不需要闭环控制）；瞬时停电、短时过载情况下的平稳恢复功能防止了不必要的跳闸，保证了运行的连续性，这对某些不允许停车的生产工艺十分有意义；控制指令和控制参数的设定，可由触摸屏实现，不但灵活方便，而且实现了模拟控制方式所无法实现的功能，比如多步转速设定，S形加速、减速和自动加减速控制等；故障显示和记忆功能，使故障的分析和设备的维修变得既准确又快速；灵活的通信功能，方便了与可编程序控制器或上位计算机的接口，很容易实现闭环控制等，这里不再一一列举。可以这样说，通用变频器的多功能化和高性能化为用户提供了一种可能，即可以把原有生产机械的工艺水平“升级”，达到以往无法达到的境界，使其变成一种具有高度软件控制功能的新机种。

8位CPU、16位CPU奠定了通用变频器全数字控制的基础。32位数字信号处理器DSP（Digital Signal Processer）的应用将通用变频器的性能提高了一大步，实现了转矩控制，推出了“无跳闸”功能。目前，最新型变频器开始采用新的精简指令集计算机RISC（Reduced Instruc-tion Set Computer）将指令执行时间缩短到纳秒级。它是一种矢量（超标量）微处理器，其性能着重放在常用基本指令的执行效率上，舍弃了某些运算复杂且使用率不高的指令，省下它们所占用的硬件资源用于提高基本指令的运算速度，达到了以“每秒百万条指令”（Million Instruction Per Second，MIPS）为单位来衡量运算速度的程度。有文献报道，RISC的运算速度可达1000MIPS，即10亿次/s，相当于巨型计算机的水平。指令计算时间为1ns量级，是一般微处理器所无法比拟的。有的变频器厂家声称，以RISC为核心的数字控制，可以支持无速度传感器矢量控制变频器的矢量控制算法、转速估计运算、PID调节器的在线实时运算。

正是由于全数字控制技术的实现，并且运算速度不断提高，使得通用变频器的性能不断提高，功能不断增加。目前出现了一类“多控制方式”通用变频器，例如安川公司的VS616—G5变频器就有：①无PG（速度传感器）U/f控制；②有PGU/f控制；③无PG矢量控制；④有PG矢量控制等4种控制方式。通过控制面板，可以设定（即选择）上述4种控制方式中的一种，以满足用户的需要。还有一种所谓的“工程型”高性能变频器，完善的软件功能和规范的通信协议，使它对自身可实现灵活的“系统组态”，对上级控制系统可实现“现场总线控制”，它特别适合在现代计算机控制系统中作为传动执行机构。

4.向大容量化和高压化发展

对一些大型生产机械的主传动，直流电动机在容量等级方面已接近极限值，采用直流调速方案无论在设计和制造上都已十分困难。某些大容量高速传动，过去只能采用增速齿轮或是直接以汽轮机传动，噪声大、效率低、占地面积大。特大容量交流传动装置的发展，填补了这方面的空白。

例如，用于传动裂化气体压缩机的21000kW、5900r/min的交-直-交电流型无换向器电动机已于1984年投入运行。这是法国AL STHOM公司制造的，该公司提供的功率在5000kW以下的无换向器电动机，转速可达10000r/min；功率在75000kW以下的，转速可达4000r/min。日本也能提供类似设备。又如德国西门子公司，1984年生产的一台低速大容量交-交变频器，是2×10920kW同步电动机交-交矢量控制系统，用于厚板轧钢机，其技术指标已优于直流传动。

大容量交流电动机通常是高电压的。为了适应高电压电动机，大容量交-直-交电压型PWM变频器大致有两种类型：直接高压型和高-低-高型，其中直接高压型发展较迅速。

5.向小型化发展

小型化技术在通用变频器产品上已取得很大成绩，现进一步要在伺服控制型变频器上推进，具体的做法如下。

1）逆变器和伺服电路的小型化技术：实现小型化的关键是冷却技术，冷却风扇原来一直是用铝铸造，从冷却效率的观点来看，采用铆焊和压接较好。此外，部件的集成技术和高密度贴装技术对小型化有很大贡献，支架等部件的贴装技术和系统的LSI化是未来研究的重要课题。

2）电动机的微型化：伺服电动机达到无损耗并微型化是研究的重要课题。为使伺服电动机实现微型化需解决如下技术问题：①采用稀土类永久磁铁；②线圈下线工艺的改进；③用高热传导树脂进行浇注的冷却技术。若解决了上述技术问题，电动机的体积将减小为原来的1/3，从而实现微型化。

6.向系统化发展

在实现了通用变频器的多功能和伺服型变频器的高速响应后，要求进一步考虑变频器与系统或网络的连接，例如要求变频器和上位控制的PLC通过串行通信连接的系统化课题。

一般通用变频器装备有带RS-485的标准功能，此外还通过专用的开放总线方式运行。开放总线可适用于不同行业和地区，连接和使用非常简便。

由于伺服型变频器的信号高速响应能力强，故它与PLC可进行高速的串行通信。该总线由25MHz、3V系统进行驱动，故耐噪声能力强，非常有利于伺服系统的高速控制。