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1  我國變頻技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

    國內(nèi)變頻調(diào)速技術(shù)經(jīng)過十多年的應(yīng)用推廣，得到了飛速發(fā)展。變頻器己廣泛應(yīng)用于國民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)行業(yè)，促進(jìn)了節(jié)能改造，極大地提高了我國工業(yè)電氣傳動(dòng)水平，但推進(jìn)的力度還不夠，變頻器應(yīng)有的潛能還遠(yuǎn)沒有充分發(fā)揮出來。1997年統(tǒng)計(jì)全國需進(jìn)行調(diào)速改造的變頻器市場(chǎng)大約有1 500億元人民幣（不包括后來新增的需調(diào)速設(shè)備），但到2001年，改造不到10%（包括高效節(jié)能電機(jī)的使用在內(nèi)），與國家“電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能計(jì)劃”投資500億元進(jìn)行發(fā)展的要求相距甚遠(yuǎn)。這里有我國電網(wǎng)結(jié)構(gòu)問題，耗能大、浪費(fèi)多的電機(jī)設(shè)備多集中在大型企業(yè)，主要是那些高壓電風(fēng)機(jī)與水泵，據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計(jì)報(bào)道，我國風(fēng)機(jī)、水泵、空氣壓縮機(jī)總數(shù)大約4 200萬臺(tái)，裝機(jī)容量約1.1億萬千瓦，然而實(shí)際情況大多是大馬拉小車，無論輕載重載都以一種恒速的方式運(yùn)行，實(shí)際工作效率只有40%～60%，損耗電能占總發(fā)電量的40%。多數(shù)情況，設(shè)備不能跟隨工作狀況的變化及時(shí)調(diào)整運(yùn)行設(shè)備的速度，造成電能浪費(fèi)、生產(chǎn)成本提高、效益降低，甚至造成環(huán)境污染，原因包括技術(shù)、電網(wǎng)、資金和認(rèn)識(shí)等問題。
變頻調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用和推廣，在工業(yè)生產(chǎn)中無非是解決兩大問題：一是節(jié)能，二是改善生產(chǎn)過程。我國的產(chǎn)值能耗是世界上最高的國家之一。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前我國電機(jī)的總裝機(jī)容量己達(dá)4億千瓦，年耗電量約占全國用電量的60%，但我國電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的能源利用率卻非常低，基本上要比國外平均水平低20%，70%的電機(jī)只相當(dāng)于國際20世紀(jì)50年代的技術(shù)水平，電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)能效比國外低20%左右，電能浪費(fèi)十分嚴(yán)重。

    要解決生產(chǎn)過程中能耗高的問題，除其它相關(guān)的技術(shù)問題需要改進(jìn)外，變頻調(diào)速技術(shù)已成為節(jié)能及提高產(chǎn)品質(zhì)量的有效措施，其重要性日益得到了國家的重視，在國內(nèi)推廣變頻器調(diào)速技術(shù)有著非常重大的現(xiàn)實(shí)意義和巨大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值及社會(huì)價(jià)值。“十?五”期間，計(jì)劃通過“電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能”計(jì)劃的實(shí)施，實(shí)現(xiàn)年節(jié)電1 000億千瓦時(shí)，實(shí)施重點(diǎn)耗能行業(yè)節(jié)能示范工程，計(jì)劃在冶金、有色、建材、化工和石化等行業(yè)創(chuàng)辦節(jié)能示范工廠，通過對(duì)工藝、技術(shù)和設(shè)備的全面改造和大量使用節(jié)能材料，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)節(jié)能帶動(dòng)全國節(jié)能提效工作的進(jìn)一步發(fā)展。

    從20世紀(jì)90年代初，隨著國內(nèi)企業(yè)對(duì)變頻器認(rèn)識(shí)的逐步深入和大量外國產(chǎn)品的入境，我國變頻器市場(chǎng)得以快速啟動(dòng)。中國企業(yè)開始認(rèn)識(shí)到變頻器的作用并嘗試使用。經(jīng)過十余年的推廣和使用，變頻器己得到廣大企業(yè)用戶的認(rèn)可，在20世紀(jì)90年代里，變頻器大規(guī)模進(jìn)人中國市場(chǎng)，在空調(diào)、電梯、冶金、機(jī)械、電子、石化、造紙、紡織等行業(yè)有十分廣闊的應(yīng)用空間。目前在我國交流傳動(dòng)市場(chǎng)占有大份額的變頻器產(chǎn)品主要是國外品牌，如芬蘭的ABB公司，德國的SIEMENSE公司、倫茨公司，法國的施耐德公司，丹麥的丹佛斯，日本的富士、日立、安川、明電舍、春日等等，還有歐陸、CT、威肯、松下、歐姆龍、A-B、GE和摩托托尼、三星、ANSALDO等等，其中ABB公司、SIEMENSE公司等己在國內(nèi)建廠生產(chǎn)部分系列品牌變頻器。

    最先進(jìn)入中國變頻器市場(chǎng)的是日本品牌，既有三墾、富士公司的產(chǎn)品，后來又有了東芝、三菱、安川公司等公司的產(chǎn)品。當(dāng)時(shí)的變頻器多為以大功率晶體管為逆變?cè)漠a(chǎn)品，屬于變頻器的第二代產(chǎn)品。不久，歐洲品牌以更新的技術(shù)進(jìn)入中國，歐洲的品牌以更新的設(shè)計(jì)、更好的性能、更周到的服務(wù)，逐漸擴(kuò)大了市場(chǎng)，經(jīng)過十幾年的應(yīng)用檢驗(yàn)，成為用戶的首選品牌。
隨著變頻器技術(shù)在不斷發(fā)展，從控制策略到制造工藝都在飛快的提高，使得變頻器產(chǎn)品進(jìn)入了第四代技術(shù)，其性能亦能和直流傳動(dòng)技術(shù)相當(dāng)，有相當(dāng)一部分應(yīng)用領(lǐng)域可以采用交流傳動(dòng)，效果也相當(dāng)理想。

2  交流傳動(dòng)的應(yīng)用

(1)  風(fēng)機(jī)泵類的應(yīng)用

    相當(dāng)一部分工業(yè)企業(yè)使用大量的風(fēng)機(jī)水泵。風(fēng)機(jī)水泵按不同工況的需要，功率有大有小，電壓有高有低，由于在設(shè)計(jì)選型時(shí)都有功率裕量，因而它們都有很大的節(jié)能潛力。據(jù)有關(guān)部門的統(tǒng)計(jì)，泵與風(fēng)機(jī)的耗電量約占全國電力消耗總量的50%左右。目前，泵與風(fēng)機(jī)運(yùn)行中還有很大的節(jié)能潛力，其潛力挖掘的主要方向是提高泵與風(fēng)機(jī)的運(yùn)行效率。據(jù)估計(jì)，提高泵系統(tǒng)和風(fēng)機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行效率的節(jié)能潛力達(dá)200~400億千瓦小時(shí)，相當(dāng)于4～8個(gè)裝機(jī)容量為1 000MW級(jí)的大型火力發(fā)電廠的發(fā)電總量。

    以火力發(fā)電企業(yè)為例，泵與風(fēng)機(jī)當(dāng)然是最主要的耗電設(shè)備。據(jù)前幾年的統(tǒng)計(jì)資料表明，全國火力發(fā)電廠下列八種泵與風(fēng)機(jī)：送風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)、一次風(fēng)機(jī)、排粉風(fēng)機(jī)、鍋爐給水泵、循環(huán)水泵、凝結(jié)水泵、灰漿泵配套電動(dòng)機(jī)的總?cè)萘繛?2 829MW，年總用電量為450.2億千瓦小時(shí)，占l994年全國火力發(fā)電量的5.8%。調(diào)查結(jié)果表明：火電廠上述泵與風(fēng)機(jī)的節(jié)能潛力巨大，還有總?cè)萘考s為3 913 MW的泵與風(fēng)機(jī)需要進(jìn)行節(jié)能改造，完成這些改造后，估計(jì)年節(jié)電量可達(dá)25.69億千瓦小時(shí)，需要改造的100MW以上機(jī)組的風(fēng)機(jī)、水泵達(dá)2 469臺(tái)。

    冶金企業(yè)是我國的能耗大戶，單位產(chǎn)品能耗高出日本3倍，法國4.9倍，印度1.9倍。冶金企業(yè)使用的風(fēng)機(jī)泵類非常多，僅就軋鋼均熱爐為例，其基本的生產(chǎn)過程可分為四個(gè)部分：裝入、加熱、保溫、出鋼。加熱升溫期一般將熱負(fù)荷給定最大，這時(shí)熱風(fēng)以最大量供給爐膛；保溫期間，風(fēng)量減少約為加熱期的60%；出鋼期間風(fēng)量約為加熱期的30%；裝入鋼坯期間風(fēng)量為零。根據(jù)均熱爐這一工況，可見對(duì)其風(fēng)機(jī)實(shí)施變頻改造，可以大幅度的節(jié)約電能。不僅如此，改造前均熱爐調(diào)節(jié)風(fēng)量是通過調(diào)節(jié)預(yù)熱器出口位置的熱風(fēng)放散閥，爐膛需要減少風(fēng)量時(shí)，熱風(fēng)放散閥開啟，熱風(fēng)直接放散到預(yù)熱器外，帶走大量熱量，造成熱量損耗，采用變頻改造后，不存在多余風(fēng)量問題，可使裝鋼后預(yù)熱器保證足夠的溫度，從而還節(jié)約了1%～7%煤氣燃料，減少了氧化燒損，改善了鋼錠均熱質(zhì)量。

    我國是水泥工業(yè)大國，水泥工業(yè)作為我國基礎(chǔ)性原材料工業(yè)的支柱之一，在國民經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展中具有舉足輕重的地位。目前水泥產(chǎn)量已達(dá)到7億噸以上，約占世界水泥總產(chǎn)量的1/3。國民經(jīng)濟(jì)穩(wěn)步高速發(fā)展需要保持一個(gè)較大的建設(shè)規(guī)模。大規(guī)模的房屋建筑、基礎(chǔ)設(shè)施和工程建設(shè)都要求建筑材料的支柱產(chǎn)品-水泥在未來有更大的發(fā)展。目前水泥的應(yīng)用己滲透到國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)的每個(gè)角落：各種民用建筑與工業(yè)廠房建設(shè)、海洋與水工工程、機(jī)場(chǎng)與路橋建設(shè)、地下與海底隧道工程以及國防、航天、石油等特殊工程應(yīng)用，因此，我國國民經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展帶動(dòng)了建材和水泥工業(yè)的興旺發(fā)展，水泥生產(chǎn)過程同樣大量使用交流電機(jī)，有許多應(yīng)用場(chǎng)合需要通過改變轉(zhuǎn)速達(dá)到節(jié)能和改善工藝的需求，比如原料礦石的破碎、堆取、研磨、均化，旋窯的驅(qū)動(dòng)、窯尾風(fēng)機(jī)、窯頭風(fēng)機(jī)、蓖冷風(fēng)機(jī)的調(diào)速，煤粉制備等等都可以通過合理的應(yīng)用變頻調(diào)速達(dá)到節(jié)能的目的。

    與此類似的還有石油化工企業(yè)等，也都大量使用了風(fēng)機(jī)和泵，還有大功率的擠壓機(jī)或壓縮機(jī)等等。

    在這些應(yīng)用中，由于技術(shù)發(fā)展的原因，早期的電氣設(shè)備不具備對(duì)交流電機(jī)進(jìn)行方便調(diào)速的功能，所以電機(jī)的速度是恒定的，對(duì)風(fēng)量和水流量的調(diào)節(jié)采用機(jī)械的方法，電能的浪費(fèi)特別大。另外電力部門從減小電機(jī)啟動(dòng)對(duì)電網(wǎng)的沖擊和工作當(dāng)中線損的角度出發(fā)，希望提高供電電壓，于是造成現(xiàn)在在某些行業(yè)中，大量使用著200kW及其以上功率的高壓供電電機(jī)，于是，高壓變頻技術(shù)及高壓變頻器裝置便出現(xiàn)了。經(jīng)過十幾年的發(fā)展，特別是新型高壓電力電子器件的出現(xiàn)，使高壓變頻技術(shù)和高壓變頻裝置有了極大的提高。

    根據(jù)現(xiàn)在變頻技術(shù)水平，大功率電力電子器件水平，采用低壓供電方案，滿足3 000kW以內(nèi)電機(jī)功率的供電是不成問題的。尤其是變頻調(diào)速控制方式實(shí)際上對(duì)電機(jī)起動(dòng)過程來說是最好的軟啟動(dòng)方式。采用變頻器調(diào)速后，起動(dòng)電流被限制在額定值內(nèi)，可以減小電網(wǎng)沖擊，免除電機(jī)的機(jī)械損傷，減小供電回路的開關(guān)容量，減輕設(shè)備維護(hù)量。

    在沒有變頻技術(shù)的年代里，由于電網(wǎng)直接供電的原因，電機(jī)功率以200kW為分界，區(qū)分出高壓供電電機(jī)和低壓供電電機(jī)。現(xiàn)在有了變頻技術(shù)及變頻器，保護(hù)供電電網(wǎng)已經(jīng)不成問題了，高低壓供電的分界點(diǎn)也就隨之產(chǎn)生變化。經(jīng)過對(duì)技術(shù)方案的研討，對(duì)設(shè)備投資的比較，分界點(diǎn)一般認(rèn)為在800~1 000kW是合適的，即800kW以下的電機(jī)，采用低壓變頻器供電更合適，大于1 000kW的電機(jī)可以考慮使用高壓變頻器供電方案。當(dāng)然在3 000kW以內(nèi)，使用低壓變頻器供電方案也是可以的。在這方面，ABB公司、SIEMENSE公司、Robincon公司等都有相應(yīng)產(chǎn)品。特別是ABB公司的直接高壓供電變頻裝置，采用了新一代電力電子器件IGCT構(gòu)成的高壓大功率逆變橋，應(yīng)用ABB公司的獨(dú)家專利技術(shù)DTC對(duì)電機(jī)進(jìn)行調(diào)速控制，使產(chǎn)品的性能和可靠性都達(dá)到了極高的水平。

(2)  改善工藝水平的應(yīng)用

    上述應(yīng)用場(chǎng)合要求傳動(dòng)裝置功率大，電壓高，但對(duì)速度和力矩控制的精度和響應(yīng)并無特殊要求。與此相對(duì)應(yīng)的更多的是低壓供電變頻器的需求。除去低壓供電的小功率風(fēng)機(jī)泵類，還有許多行業(yè)要求變頻器不僅具有很好的速度控制精度，還要有快速的、精確的力矩控制性能。比如金屬加工行業(yè)中的帶材軋制過程、線材軋機(jī)、拉絲機(jī)械、銑面、縱剪、復(fù)合加工、連鑄連軋、酸洗、矯直、剪切等。這些工藝過去常常要求多臺(tái)電機(jī)之間要有精確的速度配合，或是要求力矩能快速的跟隨負(fù)載的變化而變化。這些特性同時(shí)也是造紙、紡織印染、化纖、橡塑、印刷、包裝、膠片制備和涂布等行業(yè)所需要的。上述各類加工過程，其產(chǎn)品的質(zhì)量和產(chǎn)量除了和加工機(jī)械有關(guān)外，還依賴于電氣傳動(dòng)設(shè)備以及電氣系統(tǒng)的構(gòu)成水平。
還有一些對(duì)控制要求特殊的應(yīng)用，比如提升機(jī)應(yīng)用。提升機(jī)廣泛的用于沿海沿江的港口碼頭、集裝箱集散地、工礦企業(yè)、電站航天造船等大型設(shè)備的安裝場(chǎng)合。它不僅要有精確的速度控制特性，還要有極好的力矩控制特性。力矩控制的精確度和響應(yīng)快慢是衡量電氣傳動(dòng)技術(shù)的重要指標(biāo)。因?yàn)檫@一類純位勢(shì)負(fù)載的特性是被提升物一旦離開地面便沒有了依托，物體在懸空狀態(tài)下的升降或停住完全靠電氣傳動(dòng)進(jìn)行控制，起安全保護(hù)作用的抱閘的開閉必須精確控制，而且傳動(dòng)必須能記憶提升力矩，以配合抱閘的開閉實(shí)現(xiàn)無跳變的速度控制過程，避免溜車造成的損害。有與此類似要求的應(yīng)用場(chǎng)合還有電梯、立體倉庫的物料運(yùn)輸機(jī)、高爐的卷揚(yáng)機(jī)等設(shè)備使用場(chǎng)合。滿足這類應(yīng)用場(chǎng)合要求的傳動(dòng)設(shè)備就不是簡(jiǎn)單的通用變頻器能完成的了，除要求電氣設(shè)備的硬件有過硬的可靠性外，還要有特殊的專用軟件，專門適合這類負(fù)載的全部控制需要：提升過程中的速度力矩控制要求、力矩記憶、抱閘控制、全程的速度力矩跟蹤、校驗(yàn)、監(jiān)視、岸機(jī)的穩(wěn)定性監(jiān)視和限制。在這類應(yīng)用中，ABB公司具有標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品系列和專用軟件，在世界各國的海港、集裝箱碼頭應(yīng)用極其普遍。小容量的應(yīng)用場(chǎng)合也有其他品牌在使用，比如安川公司的產(chǎn)品。

    特殊應(yīng)用中的另一大類是張力控制。張力控制的主要應(yīng)用對(duì)象是卷取機(jī)，卷取機(jī)是卷取各種成品或半成品的生產(chǎn)機(jī)械設(shè)備，一般都是處于生產(chǎn)線最后一道工序，卷取設(shè)備的機(jī)械和電氣性能，直接影響著成品或半成品的質(zhì)量，因此是關(guān)鍵性設(shè)備之一。同時(shí)卷取的過程還與前幾道工序之間有密切的聯(lián)系，例如速度的同步性、精度、穩(wěn)定性等。而卷取的工藝過程又有它的特殊性，為此無論機(jī)械設(shè)備、電氣控制、傳動(dòng)系統(tǒng)等都是比較復(fù)雜的。卷取如果失誤，在最后一道工序中產(chǎn)生廢品，肯定會(huì)造成前功盡棄的局面，所以它也是關(guān)鍵性設(shè)備，卷取設(shè)備投資較高的是電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)，它必須結(jié)合被卷取的物料特性、厚薄程度、物料強(qiáng)度、延伸率彈性變形量、物料的允許公差，卷取物料的直徑變動(dòng)量、重量、卷取速度等諸多因素綜合考慮。對(duì)不同行業(yè)、不同物料的卷取有各種不同的控制方法和手段，既要保證卷取的質(zhì)量又要盡可能減少設(shè)備的投資。

    按照被卷取的成品或半成品物料的不同大致有下列幾類：

    需要高精度卷取控制的：連續(xù)薄膜類產(chǎn)品如錄像帶、錄音帶、電影膠片、膠卷及其涂布過程，塑料包裝用薄膜、農(nóng)用膜、塑料帶、塑料管線，各種紙張，化纖生產(chǎn)用的拉絲筒（晴侖、丙侖、維尼龍、化纖物等），冶金廠的冷熱閘薄板、鋼帶，銅帶、鋁帶，特殊稀有帶材，拉絲廠的較細(xì)的銅線，合金絲，電熱鴿絲，細(xì)的漆色線，簾子布的制造、壓膠、疊層等。

    控制精度稍低的卷取有：直徑較粗的漆包線，細(xì)鋼絲，鐵絲，普通電線電纜，各類傳動(dòng)皮帶，橡膠帶，粗紗卷繞，印染清洗、漂白、染色、印花、烘干，整燙。

    以上情況僅按卷取物料和成品的不同大致分類不可一概而論。對(duì)速度控制精度、力矩快速響應(yīng)的程度，雖然各自有各自的要求，但這方面的特性是一個(gè)公共的要求，需要電氣傳動(dòng)設(shè)備必須保證的。
在ABB的交流傳動(dòng)系列中，有專門的卷取控制軟件，通過參數(shù)設(shè)定，可以選擇不同類型的張力控制方式。比如卷取、開卷設(shè)定、直接張力控制或間接張力控制，電流電勢(shì)復(fù)合控制或最大力矩控制方式，張力恒定是采用速度補(bǔ)償還是力矩補(bǔ)償方式等等。軟件內(nèi)部自動(dòng)完成卷徑的高精度計(jì)算，自動(dòng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)補(bǔ)償和靜態(tài)補(bǔ)償，自動(dòng)完成線速度對(duì)卷取機(jī)的速度給定的轉(zhuǎn)換和張力給定對(duì)電機(jī)的力矩給定轉(zhuǎn)換。此外還有自動(dòng)投張、靜張保持、斷帶保護(hù)、自動(dòng)環(huán)卷等諸多功能，充分發(fā)揮了現(xiàn)代交流傳動(dòng)的應(yīng)用能力。因?yàn)樵诰砣∵^程中，恒張力控制是相當(dāng)復(fù)雜的，除去要求傳動(dòng)裝置的硬件性能優(yōu)良外，還必須有專用的軟件，才能支持機(jī)器應(yīng)用，所以能完成恒張力控制的傳動(dòng)品牌必須要仔細(xì)的進(jìn)行選擇。

3  交流變頻調(diào)速器的類型

    采用變頻的方法，作為交流異步機(jī)的供電電源，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制，達(dá)到節(jié)能或改善工藝的目的，大約已有40年的歷史了。隨著電力電子技術(shù)和微電子技術(shù)的發(fā)展，變頻器的理論和產(chǎn)品水平也在飛快的發(fā)展。從60年代末到90年代，變頻器的控制方法經(jīng)歷了幾次大的發(fā)展變化。大概經(jīng)歷了三個(gè)階段，每一個(gè)階段技術(shù)上都有一個(gè)突破性的進(jìn)展，推出一個(gè)更先進(jìn)的控制原理。每一類都有很大的應(yīng)用市場(chǎng)，延續(xù)至今，形成三類控制原理并存的局面。

    (1)  第一類是70年代以恒壓頻比控制方式為理論基礎(chǔ)的變頻調(diào)速。它可以做成轉(zhuǎn)速開環(huán)變頻調(diào)速方式，也可以做成轉(zhuǎn)速閉環(huán)調(diào)速方式。轉(zhuǎn)速開環(huán)變頻調(diào)速系統(tǒng)在恒壓頻比控制的基礎(chǔ)上，為了改善電機(jī)的低速力矩特性，增加了變頻器低頻段的電壓補(bǔ)償?shù)膮f(xié)調(diào)控制，為了改善電機(jī)的速度特性的硬度，增加了轉(zhuǎn)差補(bǔ)償控制；雖然其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本較低，但調(diào)速系統(tǒng)靜、動(dòng)態(tài)性能不高。為了改善性能，在開環(huán)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，軟件里加入了PI型轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器，力圖使轉(zhuǎn)速無靜差，改善穩(wěn)態(tài)性能。在動(dòng)態(tài)過程中，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和，系統(tǒng)能以最大轉(zhuǎn)矩Tm加減速，保證了在允許條件下快速性、加減速的平滑性，系統(tǒng)也容易穩(wěn)定。然而這類基本型轉(zhuǎn)差頻率控制是從異步電機(jī)穩(wěn)態(tài)等值電路和穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)矩公式出發(fā)的，“保持磁通恒定”的結(jié)論只在穩(wěn)態(tài)情況下成立。電流調(diào)節(jié)器只控制了定子電流的幅值，并未控制其相位，其動(dòng)態(tài)性與理想的閉環(huán)控制指標(biāo)仍存在一定的差距。這類變頻器常用于風(fēng)機(jī)、水泵類節(jié)能型調(diào)速系統(tǒng)或?qū)λ俣鹊膭?dòng)態(tài)指標(biāo)要求不高的簡(jiǎn)單機(jī)械傳動(dòng)上。

    (2)  第二類矢量控制型變頻器出現(xiàn)于80年代。它是基于“感應(yīng)電機(jī)磁場(chǎng)定向控制原理”，和矢量系的“坐標(biāo)變換”原理，經(jīng)過不斷改進(jìn)和完善形成的一類高性能的矢量控制變頻調(diào)速系統(tǒng)。其基本思想是通過矢量變換和磁場(chǎng)定向，實(shí)現(xiàn)定子電流轉(zhuǎn)矩分量與勵(lì)磁分量的解耦，得到類似直流電機(jī)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型，然后模擬直流電機(jī)進(jìn)行控制，獲得良好的靜、動(dòng)態(tài)性能。繼而出現(xiàn)的轉(zhuǎn)差型矢量控制，進(jìn)一步簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，使之進(jìn)一步實(shí)用化。雖然理論上采用直接轉(zhuǎn)子磁鏈定向最為理想，但是由于轉(zhuǎn)子磁鏈直接檢測(cè)相當(dāng)困難，只能利用轉(zhuǎn)子磁鏈模型進(jìn)行磁場(chǎng)定向，而電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的變化以及參數(shù)的變化勢(shì)必會(huì)影響轉(zhuǎn)子磁鏈模型的精確性，進(jìn)而影響系統(tǒng)的靜、動(dòng)態(tài)性能。為了使磁場(chǎng)定向準(zhǔn)確且對(duì)電機(jī)參數(shù)變化不敏感，可以通過參數(shù)辨識(shí)、參數(shù)自適應(yīng)等方法，提高系統(tǒng)的魯棒性。

    由于這類變頻器采用了矢量控制技術(shù)，依靠計(jì)算機(jī)的快速數(shù)據(jù)處理能力，將一個(gè)連續(xù)的電流量經(jīng)過坐標(biāo)變換分解成無數(shù)對(duì)離散的、空間上互相垂直的兩個(gè)電流分量，按照磁場(chǎng)和其正交的電流乘積就是轉(zhuǎn)矩這一原理，將定子電流分解成建立磁場(chǎng)的勵(lì)磁分量和與磁場(chǎng)正交的產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)矩分量，然后分別進(jìn)行各自的閉環(huán)控制，就象直流電動(dòng)機(jī)可以分別對(duì)勵(lì)磁和電樞電流進(jìn)行控制一樣，從而使得普通的交流電動(dòng)機(jī)得到如同直流電動(dòng)機(jī)的控制規(guī)律和動(dòng)態(tài)性能。矢量控制變頻器已廣泛的應(yīng)用到工業(yè)領(lǐng)域的各個(gè)行業(yè)中了。

    從控制角度看，矢量控制的變換機(jī)理需要用測(cè)速元件，以測(cè)量轉(zhuǎn)子的瞬時(shí)狀態(tài)來確定轉(zhuǎn)子磁鏈的位置。從應(yīng)用角度看，要提高傳動(dòng)系統(tǒng)的控制精度，就需要精確測(cè)量轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，構(gòu)成速度閉環(huán)控制。但速度傳感器安裝要求高，機(jī)械調(diào)試工作量大，由于場(chǎng)地及空間的限制，有些裝置不允許安裝速度傳感器，于是近些年，許多公司紛紛推出無速度傳感器的高性能交流調(diào)速系統(tǒng)，它正能彌補(bǔ)這些不足之處。無速度傳感器的初始方法是實(shí)時(shí)檢測(cè)定子電壓和電流，再依據(jù)電機(jī)模型對(duì)轉(zhuǎn)速直接進(jìn)行估算，用估算的值作為內(nèi)部速度反饋量，完成高精度的速度控制。因此提高轉(zhuǎn)速估算精度是該系統(tǒng)的關(guān)鍵。

    ABB公司在上世紀(jì)70年代已有型號(hào)為“SAMISTAR”和“ACV700”的矢量控制型變頻器系列，隨著更先進(jìn)的直接轉(zhuǎn)矩控制DTC型變頻器問世，矢量控制型變頻器曾淡出過ABB交流傳動(dòng)家族，為了補(bǔ)充交流傳動(dòng)在標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用領(lǐng)域的需要，最近ABB公司再次推出更新了的矢量控制變頻器系列-ACS550系列。該系列以更新的結(jié)構(gòu)和更強(qiáng)大的功能服務(wù)于容量小、要求高的傳動(dòng)市場(chǎng)。

    (3)  第三類是采用目前最先進(jìn)的變頻控制理論DTC構(gòu)成的交流傳動(dòng)。DTC變頻器由ABB公司于上世紀(jì)90年代推出。它的控制思路簡(jiǎn)單明了、控制性能卓越，幾乎達(dá)到了交流異步電機(jī)調(diào)速的完美程度，很快深入到工業(yè)應(yīng)用的各個(gè)領(lǐng)域。它摒棄了大量的矢量控制中坐標(biāo)系變換的計(jì)算，直接以電機(jī)的磁場(chǎng)和力矩為目標(biāo)進(jìn)行控制，系統(tǒng)原理簡(jiǎn)單明確。理論和實(shí)踐都證明了異步電動(dòng)機(jī)接受了變頻器饋入的SPWM電壓后，在定子繞組中得到的是連續(xù)的正弦電流，且三相正弦電流在三相定子繞組中會(huì)產(chǎn)生圓形的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，從而產(chǎn)生恒定的電磁轉(zhuǎn)矩。反過來，如果用跟蹤圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的方法來控制定子繞組輸入端的脈寬調(diào)制電壓，形成反饋、閉環(huán)控制，那么效果會(huì)比輸入SPWM電壓更好。這就是“電壓空間矢量控制”思想，亦稱“磁鏈跟蹤控制”。DTC控制著眼于定子側(cè)的磁鏈為被控對(duì)象，極大的簡(jiǎn)化了矢量控制中的坐標(biāo)變換計(jì)算。某一時(shí)刻的電壓空間矢量決定了該時(shí)刻的磁鏈空間矢量，每一個(gè)磁鏈空間矢量都要根據(jù)前一個(gè)矢量的位置單獨(dú)計(jì)算，由此形成的PWM輸出，就時(shí)時(shí)刻刻反映著電機(jī)的實(shí)際力矩。因?yàn)閿?shù)據(jù)從采集到運(yùn)算完輸出，僅經(jīng)過25微妙，所以變頻器的力矩可以快速的跟隨負(fù)載的變化而變化，始終保持轉(zhuǎn)速為給定值。PWM脈沖經(jīng)過優(yōu)化后在取控制逆變橋，進(jìn)一步改善了速度控制過程中的指標(biāo)。精確的電機(jī)模型直接輸出電機(jī)速度值，作為反饋量，使交流異步機(jī)調(diào)速系統(tǒng)也具有象直流機(jī)一樣的雙閉環(huán)調(diào)節(jié)過程，使交流調(diào)速達(dá)到了目前的最高控制水平。

    現(xiàn)在各廠商為了適應(yīng)市場(chǎng)的需求，都在不斷完善產(chǎn)品的控制性能和規(guī)格容量。其中ABB公司的變頻調(diào)速產(chǎn)品在控制原理方面涵蓋了上面提到的三個(gè)類別。有性能最好的DTC控制的，有現(xiàn)在市場(chǎng)大量存在的無傳感器磁通矢量控制的，還有恒壓頻比控制的，它們被分別定義為工業(yè)應(yīng)用級(jí)、標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用級(jí)、OEM應(yīng)用級(jí)和一般機(jī)械配套級(jí)。根據(jù)不同的系列，功率可以從0.12kW到2.7MW。電壓可以從220V三相到4 160V三相。其性能可以滿足當(dāng)前工業(yè)應(yīng)用中絕大多數(shù)的需求。

    此外，還有一些國外知名品牌，雖然沒有DTC變頻器，但矢量控制型變頻器應(yīng)用的范圍也是很大的。

4  不斷發(fā)展的新技術(shù)

(1)  智能控制

    代自動(dòng)化控制領(lǐng)域中，以現(xiàn)代控制論為基礎(chǔ)，融入模糊控制、專家控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制，以形成高智能化的自動(dòng)控制系統(tǒng)為最新動(dòng)向。

(2)  模糊控制

    模糊數(shù)學(xué)的模糊控制理論具有自學(xué)功能。它靠模糊控制器在執(zhí)行控制的過程中不斷獲取現(xiàn)場(chǎng)的信息，及時(shí)調(diào)整模糊控制規(guī)律，改善系統(tǒng)性能。模糊控制不嚴(yán)格依賴控制過程或?qū)ο竽Ｐ停哂休^強(qiáng)的魯棒性和不敏感性。因此控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性會(huì)有很大的改善。為了進(jìn)一步提高控制精度，抑制振蕩等現(xiàn)象，人們提出了各種改進(jìn)方案，設(shè)計(jì)出各種模糊控制器。如帶有積分作用的模糊控制器，自學(xué)及自調(diào)整模糊控制器。現(xiàn)在，模糊控制理論已開始逐步應(yīng)用于電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)了。

(3)  專家系統(tǒng)

    系統(tǒng)是上世紀(jì)中期發(fā)展起來的人工智能應(yīng)用領(lǐng)域的一個(gè)重要研究方法，上世紀(jì)末期被引入實(shí)時(shí)控制領(lǐng)域。專家控制器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，以知識(shí)庫與推理機(jī)為主要部分，知識(shí)庫用于存放大量的規(guī)律與經(jīng)驗(yàn)，由數(shù)據(jù)庫和學(xué)習(xí)適應(yīng)器組成。推理機(jī)利用知識(shí)庫中的知識(shí)進(jìn)行推理決策，尋找理想的控制作用。專家控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、造價(jià)高，除了具有專家控制器的基本功能外，還具備實(shí)時(shí)識(shí)別、性能評(píng)價(jià)、獲取更高級(jí)專家知識(shí)等功能。專家系統(tǒng)和專家控制器在提高控制系統(tǒng)的靈活性及智能化方面，顯示出極大的優(yōu)越性，但由于知識(shí)獲取、實(shí)時(shí)控制和魯棒性等問題，能真正用于電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)還需要專家進(jìn)一步研究。

(4)  神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

    網(wǎng)絡(luò)以其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)引起人們極大的關(guān)注，從仿生學(xué)的角度出發(fā)，對(duì)人腦神經(jīng)系統(tǒng)進(jìn)行模擬，使機(jī)器具有人腦那樣的感知、學(xué)習(xí)和推理能力。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能充分逼近任意復(fù)雜的非線性關(guān)系，能學(xué)習(xí)與適應(yīng)非常不確定的系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，所有信息都等勢(shì)分布貯存于網(wǎng)絡(luò)內(nèi)各神經(jīng)元，故有極強(qiáng)的魯棒性和容錯(cuò)性，這些特點(diǎn)顯示了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在解決高度非線性和嚴(yán)重不確定系統(tǒng)的控制方面有著巨大的潛力。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用研究尚屬起步階段，尤其是其自學(xué)功能與實(shí)時(shí)控制快速性的矛盾，有待于進(jìn)一步研究解決。智能控制系統(tǒng)在提高系統(tǒng)的魯棒性、系統(tǒng)的自學(xué)及決策能力方面有其獨(dú)到之處。但對(duì)解決電氣傳動(dòng)系統(tǒng)中調(diào)速精度或定位精度等問題的能力尚嫌不足，而傳統(tǒng)的PI調(diào)節(jié)則正能彌補(bǔ)這個(gè)缺陷。行之有效的方法是將傳統(tǒng)的PI調(diào)節(jié)與智能控制結(jié)合起來，取長(zhǎng)補(bǔ)短，既保證了系統(tǒng)的控制精度，又提高系統(tǒng)的魯棒性。例如帶有積分作用的模糊控制器，能最終消除負(fù)載引起的轉(zhuǎn)速變化，實(shí)現(xiàn)無靜差控制。利用智能控制系統(tǒng)的自學(xué)及決策能力，及時(shí)修改PI調(diào)節(jié)器參數(shù)，形成智能型PI調(diào)節(jié)器。