變頻調速及控制技術的發展趨勢

能源需求正極大地影響著全球經濟發展。我國同樣也面臨著經濟增長對能源需求的壓力。九十年代我國高耗能產品的耗能量比發達國家高12-55%，能源綜合利用效率僅為32%。 

　　我國迫切需要提高能源利用效率。電機是能源消耗大戶之一。我國電機總裝機容量已達4億千瓦，年耗電量達6000億千瓦時，占工業耗電量的80%，然而直到目前，我國各類在用電機80%以上還是中小型異步電動機，可見我國在電機節能領域有非常大的潛力。電機節能技術最受矚目的就是變頻調速技術。但是，我國變頻調速技術研究雖然非常活躍，然而產業化仍很不理想，外國產品幾乎占據了我國變頻調速技術市場的60%。 

　　 
　　以下將著重介紹變頻調速技術的最新發展概況。 

　　變頻調速技術的現狀 

　　20世紀是變頻調速技術由誕生到發展的時代。特別是20世紀90年代以后，IGBT、IGCT（集成門極換向性晶閘管）等新型電力電子器件的發展、DSP（數字信號處理器）和ASIC（專用集成電路）的快速發展以及新穎控制理論和技術（如磁場定向矢量控制、直接轉矩控制等）的完善，使變頻調速系統在調速范圍、調速精度、動態響應、功率因數、運行效率和使用方便等性能指標超過了直流調速系統，達到取代直流調速的地步，受到各行業的歡迎并取得顯著的經濟效益。 

　　變頻調速及控制技術的發展趨勢 

　　1．高壓大功率的變頻調速系統 

　　在我國低壓變頻調速裝置已得到用戶的認可，市場總量已達2000年的約40億人民幣，并顯示出其節能效果。據統計，我國低壓（690V以下）電機數量是高壓電機的幾十倍，但耗能僅為高壓電機的八分之一。近來國際上高壓大電流功率器件的出現以及并、串聯技術的發展，使高壓大功率的變頻調速得以實現，其使用效果平均節能可達30%，有著十分明顯的節能效果。但我國尚在啟動期，許多技術如多電平電壓型逆變器。變壓器耦合多脈沖逆變器等技術還須迅速跟上。無論是新建項目如西氣東調、南水北調等重大工程或是技術改造項目都是高壓大功率變頻調速系統巨大的潛在市場。 

　　2．永磁同步電動機及其控制系統的發展 

　　具有快速電流跟蹤系統的變頻裝置、DSP信號處理器以及高性能釹鐵硼永磁材料的發展，為各類永磁同步電動機及其控制系統的發展帶來生機。 
　　永磁同步無齡輪電動機及控制系統，是新一代的綠色電梯驅動裝置。國外該類電梯專用變頻裝置有十分完善的軟件支持，可接受任意位置傳感器的反饋信號，具有自學習功能，自動識別電動機參數，在實現磁場定向伺服時，自動進行初始定位，具有和直流電動機一樣優良的線性轉矩控制特性。其體積小、效率高、功率因數高、振動小、噪聲低，平層精度好，在高層建筑、無機房電梯和家庭小梯中都有很大的市場。但電動機需直接輸出大轉矩，并減小低速轉矩波動，有一定設計難度。 

　　電動汽車、混合型電動汽車以及電動船舶的驅動裝置亦首選永磁同步電動機。在這種應用場合特別需要關注的是磁路結構，尋求大的Xp/Xd值，以獲得大的恒功率調速范圍和大的動態轉矩。 

　　具有快速動態響應、硬機械特性、極寬調速范圍。良好的低速平穩性以及位置和軌跡精確控制的全數字化永磁同步伺服系統，是現代自動化裝備中最重要的執行部件，可廣泛應用于高精度數控機床、機器人等，目前國內市場仍是進口產品的一統天下。 

　　3．變頻調速系統中PWM技術的發展 

　　PWM控制是變頻調速系統的核心，任何控制算法幾乎都是以各種PWM控制方式實現。九十年代以來的產品，正弦形PWM（SPWM）調制方法已逐步為以下方式取代： 

　　快速電流跟蹤PWM技術 

　　快速電流跟蹤型PWM逆變器為電流控制型的電壓源逆變器，一般采用滯環電流控制，使三相電流快速跟蹤指令電流。該逆變器硬件簡單，電流控制響應快，兼有電壓和電流控制型逆變器的優點，普遍用于PMSM伺服系統和異步電動機矢量變換控制系統。 

　　磁鏈跟蹤控制PWM技術 

　　這種方法把逆變器和電動機視為一體，以三相對稱正弦波電壓供電時交流電動機理想的圓形磁場為基準，用逆變器不同開關模式所產生的實際磁鏈矢量來跟蹤基準磁鏈園，由跟蹤結果決定逆變器的開關模式，形成PWM波。由于磁鏈的軌跡是靠空間矢量的選擇來實現，因此又稱電壓空間矢量法。
 
　　直接轉矩的智能控制PWM技術 

　　常規的直接轉矩PWM技術無法區別轉矩、磁鏈的非常大的偏差和相對小的偏差，這將造成電機啟動期間系統的停滯。而采用智能控制中的模糊控制，可以通過定子磁鏈的空間位置，由一系列偏差的正大，正小等模糊語言，根據模糊規則推出逆變器的開關模式，使系統性能改善。 

　　雙PWM控制技術 

　　交一直一交電壓型逆變器是目前最廣泛使用的型式，但常對電網構成諧波污染。目前雙PWM控制技術的研究非常活躍，即由PWM整流器和PWM逆變器組成的雙PWM變頻器無須任何附加電路就可使電網側的輸入電流接近正弦波，使系統的功率因數約為1，徹底消除網側的諧波污染，并實現了四象限運行。 

　　4．矢量控制技術和直接轉矩控制技術的發展 

　　矢量變換控制技術 

　　自1971年矢量變換技術控制理論建立以來，以轉子磁場定向，采用矢量變換的方法，實現異步電動機轉速和磁鏈控制的完全介耦。從而使異步電動機具有和直流電動機一樣優良的控制性能。該技術得到了廣泛地應用。
 
　　無速度傳感器矢量變換控制技術 

　　矢量變換控制系統在低速尤其是在零轉速時的性能以及速度傳感器的安裝和維護影響了控制系統的性能、可靠性、價格和簡便性。因而無速度傳感器矢量變換技術成為研究的熱點，受到學術界和產業界的高度重視。該技術的關鍵是如何獲取速度信號，常用的方法有：從電機的基本議程式導出速度方程式進行計算：根據自適應控制理論，選擇合適的參考模型，利用自適應法識別速度；轉子空間信息法——利用高頻注入電流，辯識出轉子的位置和速度，國外已有相關產品，調速范圍可達1：75。 

　　直接轉矩控制的低速模型的建立 

　　本模型的建立，還存在許多困難，尤其是定子電阻的識別。
 
　　還需要進一步研究和完善的課題有： 

　　磁鏈的準確估計和觀測 

　　無速度傳感器的實現 

　　電機參數的在線識別 

　　低轉速、零轉速下轉矩的控制 

　　多電平逆變器高性能控制的策略