第5章 变频器应用

5.1 变频器的产生和发展

一、交流变频调速的优势

在过去，直流调速一直优于交流调速，因为直流系统具有较为优良的静、动态性能指标，对一些调速要求较高的场合大都采用直流调速。因此，很长一个历史时期，调速传动领域基本被直流电动机调速系统垄断。

直流电机虽有较好的调速性，但也有一些难于克服的缺点，主要是机械式换向器带来的弊端，其缺点是：①维修工作量大，事故率高；②容量、电压、电流和转速都受到换向条件的制约。

进入20世纪80年代，由于电力电子器件和微电子技术的发展，尤其是电力电子器件的制造技术、基于电力电子的变换技术、交流电动机的矢量变换控制技术及脉宽调制（Pulse Wideth Modulation，PWM）技术以及数字化技术的突破性进展，变频调速技术得到了高速发展。

由于交流电动机具有固有的优点：①容量、电压、电流和转速上限不像直流电机那样受限制；②结构简单、造价低；③使用方便、容易维护。但其最大的缺点是调速困难。随着交流调速技术上的突破，变频器的性能得到改善，交流调速系统已经与直流调速系统相匹敌，甚至超过了直流调速系统。

近20年来，变频器的性能得到了飞速发展，使得交流调速达到了与直流调速一样的水平，并且在某些方面超过了直流调速，操作者通过设置必要的参数，变频器就能控制电动机按照人们预想的曲线运行，例如:电梯运行的“S”形曲线、恒压供水控制等。目前由于出现了高电压、大电流的电力电子器件，对10kV的电动机直接进行变频调速，可以到达节能的目的。

随着电力电子技术、计算机技术、自动控制技术的迅速发展，电气传动技术面临着一场历史革命，即交流变频调速取代直流调速和计算机数字控制技术取代模拟控制技术已成为发展趋势。

交流变频调速技术的原理是把工频50Hz的交流电转换成频率和电压可调的交流电，通过改变交流电动机定子绕组的供电频率，在改变频率的同时也改变电压，从而达到调节电动机转速的目的(即VVVF技术)。目前的变频调速系统还采用微机控制技术，它可根据电动机负载的变化实现自动、平滑地增速或减速。交流变频调速系统一般由三相交流异步电动机、变频器及控制器组成，它与直流调速系统相比具有以下显著优点： (1)交流调速装置的大容量化。异步电动机比直流电动机结构简单，重量轻，价格低，具有较高的容量和转速。直流电动机由于受换向器限制，单机容量、最高转速以及使用环境都受到限制。其电枢电压最高只能做到一千多伏，而交流电动机可做到6～lOkV。直流电动机的转速一般仅为每分钟数百转到一千多转，而交流电动机的速度可以达到每分钟数千转，以满足高速机械的运行要求。

1

(2)变频调速系统调速范围宽，能平滑调速，其调速静态精度及动态品质好。 (3)变频调速系统可以直接在线启动，启动转矩大，启动电流小，减小了对电网和设备的冲击，并具有转矩提升功能，节省软启动装置。

(4)变频器内置功能多，可满足不同工艺要求；保护功能完善，能自诊断显示故障所在，维护简便；具有通用的外部接口端子，可同计算机、PLC联机，便于实现自动控制。

(5)交流变频调速系统在节约能源方面有着很大的优势，是目前世界公认的交流电动机的最理想、最有前途的调速技术。一方面，在过去大量应用的所谓不变速传动系统中，有相当一部分是风机、水泵的传动系统，这类负载约占工工业电力传动总量的一半。其中有些并不是真的不需要调速，只是过去交流电动机都不调速，因而它们不得不依赖挡板和阀门来调节流量，同时也消耗掉大量电能。这类负载若采用变频调速，可以获得十分可观的节电效益；另一方面，许多变动负载电动机一般按最大需求来选择电动机的容量，故设计裕量偏大。而在实际运行中，轻载运行的时间所占比例却非常高。如采用变频调速，可大大提高轻载运行时的工作效率。以风机为例，根据流体力学原理，轴功率与转速的三次方成正比。当所需风量减少，风机转速降低时，其功率按转速的三次方下降。因此，精确调速的节电效果非常可观，节约电力达70％以上。 二、变频调速技术的发展

由异步电动机的转速公式，n?60f(1?s)?n0(1?s)可知，只要改变定子侧的电源p频率，就可以改变异步电动机的转速，这是由异步电动机的原理所决定的，也是和异步电动机“与生俱来”的。然而，异步电动机诞生于l9世纪80年代，而变频调速技术发展到迅速普及的实用阶段，却是在20世纪80年代，整整经历了一个世纪。从目前迅速普及的“交一直一交”变频器的基本结构来看，“交一直”(由交流变直流)的技术很早就解决了，而“直一交”的逆变过程实际是不同组合的开关交替地接通和关断的过程，它必须依赖于满足一定条件的开关器件，而逆变器对开关器件的依赖性制约了变频器的发展。因此变频技术的发展主要取决于以下两个方面的技术。

1．功率器件

变频技术是建立在电力电子技术基础之上的。在变频器中，功率器件必须要满足一定的条件，这些条件是：

(1)能承受足够大的电压和电流。 (2)允许长时间频繁地接通和关断。 (3)接通和关断的控制十分方便。

20世纪50年代出现了晶闸管(SCR)，60年代出现了门极可关断晶闸管(GTO)，直到20世纪70年代，电力晶体管(GTR)的开发成功，才比较满意地满足了上述条件，从而为变频技术的开发、发展和普及奠定了物质基础。

20世纪80年代中期，又进一步开发成功了绝缘栅双极性晶体管(IGBT)，其工作频率比GTR提高了一个数量级，90年代出现了智能功率模块IPM(Itelligent Power Module)。器件的更新促使电力电子变流技术不断发展，只要电力电子器件有了新的飞跃，变频器就一定有一个新的飞跃，从而使变频调速技术又向前迈进了一步。目前，变频器上应用最多的开关功率器件有GT0、GTR、IGBT以及智能模块IPM。后面两种集GTR的低

2

饱和电压特性和MOSFET的高频开关特性于一体，是目前通用变频器中最广泛使用的主流功率器件。IGBT的发展经历了四代，1992年前后开始在通用变频器中得到广泛应用。而IPM的投入应用比IGBT约晚两年，由于IPM包含了IGBT芯片及外围的驱动和保护电路，甚至有的还把光耦也集成于一体，因此是一种更为好用用的集成型功率器件，目前，在模块额定电流l0～600A范围内，通用变频器均有采用IPM的趋向，其优点是： (1)开关速度快，驱动电流小，控制驱动更为简单。

(2)内含电流传感器，可以高效迅速地检测出过电流和短路电流，能对功率芯片给予足够的保护，故障率大大降低。

(3)由于在器件内部电源电路和驱动电路的配线设计上做到优化，所以浪涌电压、门极振荡、噪声引起的干扰等问题能有效地得到控制。

(4)保护功能较为丰富，如电流保护、电压保护、温度保护一应俱全，随着技术的进步，保护功能将日臻完善。

(5)IPM的售价已逐渐接近IGBT。采用IPM后，变频器的开关电源容量、驱动功率容量的减小和器件的节省以及综合性能提高等因素使得在许多场合其性价比已超过IGBT，有很好的经济性。 2．控制方式

早期通用变频器大多数为开环恒压频比(U／f=常数)的控制方式。最大优点是系统结构简单，成本低，可以满足一般平滑调速的要求。缺点是系统的静态及动态性能不高。对变频器U／f控制系统的改造主要经历了三个阶段。

第一阶段：20世纪80年代初日本学者提出了基本磁通轨迹的电压空间矢量(或称磁通轨迹法)，这种方法被称为电压空间矢量控制。典型机种如l989年前后进人中国市场的FUJI(富士)FRN5000G5／P5、SANKEN(三垦)MF系列等。三菱、日立、东芝也都有类似的产品。然而，由于未引入转矩调节，系统性能没有得到根本性的改善。

第二阶段：矢量控制。它是20世纪70年代初由西德F．Blasschke等人首先提出的。其原理是仿照直流电动机的控制方式，利用坐标变换的手段，把交流电动机定子电流分解为磁场分量电流(相当于励磁电流)和转矩分量电流(相当于负载电流)分别加以控制，并同时控制两分量间的幅值和相位，即控制定子电流矢量。由此开创了交流电动机等效直流电动机控制的先河。它使人们看到交流电动机尽管控制复杂，但同样可以实现转矩、磁场独立控制的内在本质。矢量控制技术在努力融入通用型变频器中，从l992年开始，德国西门子开发了6SE70通用型系列，可以实现频率控制、矢量控制、伺服控制。1994年将该系列扩展至315kw以上。目前，6SE70系列除了200kW以下价格较高，在200kW以上有很高的性价比。

第三阶段：1985年德国鲁尔大学Depenbrock教授首先提出直接转矩控制理论(Direct Torque Control简称DTC)。直接转矩控制与矢量控制不同，它不是通过控制电流、磁链等量来间接控制转矩，而是把转矩直接作为被控量来控制。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公司首先推出的ACS600直接转矩控制系列变频器精度可以达到±0.01％。

控制技术的发展完全得益于微处理机技术的发展，自从1991年Intel公首推出8X196MC系列以来，专门用于电动机控制的芯片在品种、速度、功能、性价比等方面都

3

有很大的发展。如日本三菱电机开发用于电动机控制的M37705、M7906单片机和美国德州仪器的TMS320C240DSP等都是颇具代表性的产品。 三、我国变频调速技术的发展概况

我国从1965年就开始研究可控硅变频器，20世纪80年代初，当天津电气传动所(电压型)、西安电力电子技术所(电流型)还在专心研制SCR变频器并探求市场时，日本东芝已把GTR变频器的生产技术卖给了大连电机厂，接着1986年我国传统电机厂开始引进日本的变频设计和制造技术，1988年日本三垦公司的第一台低压变频器进入中国，使我国的电动机调速打破了直流调速的垄断局面，进入了交流电动机变频调速时代。 变频器作为一种新兴的高技术产品，从一开始国外品牌就占据了绝大部分市场，就在国外变频器产品占据我国变频器市场的同时，国内变频器的研制和生产也在艰难中向前发展。l996年年底到l997年年初，国家四部委对全国所有的变频器生产厂家进行调研，最后推荐了江苏的耐特、康豪、山东的惠丰、陕西西普、成都佳灵、北京比莱恩、深圳华为等29个厂家生产的33种规格的变频器。“适者生存”，20世纪90年代，只有深圳华为、成都佳灵、烟台惠丰等为数不多的几家发展了，而更多企业却选择了转产。华为电气更是投入巨资，专门研究矢量控制技术，并率先开发出高性能矢量变频器，为国产变频器提升产品竞争力做出了巨大贡献。

进入21世纪，国产变频器得到了前所未有的发展。象征高性能技术的无速度控制技术已广泛应用在国产主流变频器中，深圳市汇川技术有限公司的电梯控制驱动一体化技术，代表了未来电梯发展方向，目前只有少数世界品牌电梯(三菱、OTIS等)拥有这项技术。深圳市蓝海华腾技术有限公司拥有与国际最领先技术水准同步的矢量控制技术和转矩控制技术，而实现开环转矩控制(无编码器反馈)更是开中国之先河。被称为“高门槛”的高压变频器也取得了突破性进展。例如，上海艾帕电力电子公司开发出无速度传感器控制的高性能级联式高压变频器，合康亿盛研发了我国矢量控制四象限能量反馈型高压变频器等。2001年，世界首创的电压源型IGBT直接串联高压变频器，在成都佳灵电气制造有限公司问世，解决了IGBT直接串联的难题，代表了高压变频器的一个发展方向。

1．国外交流变频调速技术发展的特点

(1)市场的大量需求。随着工业自动化程度的不断提高和能源全球性短缺，变频器越来越广泛地应用在机械、纺织、化工、造纸、冶金、食品等各个行业以及风机、水泵等节能场合，并取得显著的经济效益。

(2)功率器件的发展。近年来高电压、大电流的SCR、GT0、IGBT、IGCT等器件的生产以及并联、串联技术的发展应用，使高低压、大功率变频器产品的生产及应用成为现实。 (3)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、模糊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位、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。

(4)基础工业和各种制造业的高速发展促使变频器相关配套产品社会化、专业化生产。 2．国内交流变频调速技术发展的状况

我国变频技术虽然取得了一定进步，但和国外相比还存在一定差距，从总体上看我国变频调速技术的技术水平较国际先进水平差距10～15年。在大功率交一交、无换向器

4