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1  我國變頻技術應用現狀

    國內變頻調速技術經過十多年的應用推廣，得到了飛速發展。變頻器己廣泛應用于國民經濟的各個行業，促進了節能改造，極大地提高了我國工業電氣傳動水平，但推進的力度還不夠，變頻器應有的潛能還遠沒有充分發揮出來。1997年統計全國需進行調速改造的變頻器市場大約有1 500億元人民幣（不包括后來新增的需調速設備），但到2001年，改造不到10%（包括高效節能電機的使用在內），與國家“電機系統節能計劃”投資500億元進行發展的要求相距甚遠。這里有我國電網結構問題，耗能大、浪費多的電機設備多集中在大型企業，主要是那些高壓電風機與水泵，據有關資料統計報道，我國風機、水泵、空氣壓縮機總數大約4 200萬臺，裝機容量約1.1億萬千瓦，然而實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行，實際工作效率只有40%～60%，損耗電能占總發電量的40%。多數情況，設備不能跟隨工作狀況的變化及時調整運行設備的速度，造成電能浪費、生產成本提高、效益降低，甚至造成環境污染，原因包括技術、電網、資金和認識等問題。
變頻調速技術的應用和推廣，在工業生產中無非是解決兩大問題：一是節能，二是改善生產過程。我國的產值能耗是世界上最高的國家之一。據統計，目前我國電機的總裝機容量己達4億千瓦，年耗電量約占全國用電量的60%，但我國電機驅動系統的能源利用率卻非常低，基本上要比國外平均水平低20%，70%的電機只相當于國際20世紀50年代的技術水平，電機驅動系統能效比國外低20%左右，電能浪費十分嚴重。

    要解決生產過程中能耗高的問題，除其它相關的技術問題需要改進外，變頻調速技術已成為節能及提高產品質量的有效措施，其重要性日益得到了國家的重視，在國內推廣變頻器調速技術有著非常重大的現實意義和巨大的經濟價值及社會價值。“十?五”期間，計劃通過“電機系統節能”計劃的實施，實現年節電1 000億千瓦時，實施重點耗能行業節能示范工程，計劃在冶金、有色、建材、化工和石化等行業創辦節能示范工廠，通過對工藝、技術和設備的全面改造和大量使用節能材料，實現系統節能帶動全國節能提效工作的進一步發展。

    從20世紀90年代初，隨著國內企業對變頻器認識的逐步深入和大量外國產品的入境，我國變頻器市場得以快速啟動。中國企業開始認識到變頻器的作用并嘗試使用。經過十余年的推廣和使用，變頻器己得到廣大企業用戶的認可，在20世紀90年代里，變頻器大規模進人中國市場，在空調、電梯、冶金、機械、電子、石化、造紙、紡織等行業有十分廣闊的應用空間。目前在我國交流傳動市場占有大份額的變頻器產品主要是國外品牌，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公司等己在國內建廠生產部分系列品牌變頻器。

    最先進入中國變頻器市場的是日本品牌，既有三墾、富士公司的產品，后來又有了東芝、三菱、安川公司等公司的產品。當時的變頻器多為以大功率晶體管為逆變元件的產品，屬于變頻器的第二代產品。不久，歐洲品牌以更新的技術進入中國，歐洲的品牌以更新的設計、更好的性能、更周到的服務，逐漸擴大了市場，經過十幾年的應用檢驗，成為用戶的首選品牌。
隨著變頻器技術在不斷發展，從控制策略到制造工藝都在飛快的提高，使得變頻器產品進入了第四代技術，其性能亦能和直流傳動技術相當，有相當一部分應用領域可以采用交流傳動，效果也相當理想。

2  交流傳動的應用

(1)  風機泵類的應用

    相當一部分工業企業使用大量的風機水泵。風機水泵按不同工況的需要，功率有大有小，電壓有高有低，由于在設計選型時都有功率裕量，因而它們都有很大的節能潛力。據有關部門的統計，泵與風機的耗電量約占全國電力消耗總量的50%左右。目前，泵與風機運行中還有很大的節能潛力，其潛力挖掘的主要方向是提高泵與風機的運行效率。據估計，提高泵系統和風機系統運行效率的節能潛力達200~400億千瓦小時，相當于4～8個裝機容量為1 000MW級的大型火力發電廠的發電總量。

    以火力發電企業為例，泵與風機當然是最主要的耗電設備。據前幾年的統計資料表明，全國火力發電廠下列八種泵與風機：送風機、引風機、一次風機、排粉風機、鍋爐給水泵、循環水泵、凝結水泵、灰漿泵配套電動機的總容量為12 829MW，年總用電量為450.2億千瓦小時，占l994年全國火力發電量的5.8%。調查結果表明：火電廠上述泵與風機的節能潛力巨大，還有總容量約為3 913 MW的泵與風機需要進行節能改造，完成這些改造后，估計年節電量可達25.69億千瓦小時，需要改造的100MW以上機組的風機、水泵達2 469臺。

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

    我國是水泥工業大國，水泥工業作為我國基礎性原材料工業的支柱之一，在國民經濟可持續發展中具有舉足輕重的地位。目前水泥產量已達到7億噸以上，約占世界水泥總產量的1/3。國民經濟穩步高速發展需要保持一個較大的建設規模。大規模的房屋建筑、基礎設施和工程建設都要求建筑材料的支柱產品-水泥在未來有更大的發展。目前水泥的應用己滲透到國民經濟建設的每個角落：各種民用建筑與工業廠房建設、海洋與水工工程、機場與路橋建設、地下與海底隧道工程以及國防、航天、石油等特殊工程應用，因此，我國國民經濟的迅速發展帶動了建材和水泥工業的興旺發展，水泥生產過程同樣大量使用交流電機，有許多應用場合需要通過改變轉速達到節能和改善工藝的需求，比如原料礦石的破碎、堆取、研磨、均化，旋窯的驅動、窯尾風機、窯頭風機、蓖冷風機的調速，煤粉制備等等都可以通過合理的應用變頻調速達到節能的目的。

    與此類似的還有石油化工企業等，也都大量使用了風機和泵，還有大功率的擠壓機或壓縮機等等。

    在這些應用中，由于技術發展的原因，早期的電氣設備不具備對交流電機進行方便調速的功能，所以電機的速度是恒定的，對風量和水流量的調節采用機械的方法，電能的浪費特別大。另外電力部門從減小電機啟動對電網的沖擊和工作當中線損的角度出發，希望提高供電電壓，于是造成現在在某些行業中，大量使用著200kW及其以上功率的高壓供電電機，于是，高壓變頻技術及高壓變頻器裝置便出現了。經過十幾年的發展，特別是新型高壓電力電子器件的出現，使高壓變頻技術和高壓變頻裝置有了極大的提高。

    根據現在變頻技術水平，大功率電力電子器件水平，采用低壓供電方案，滿足3 000kW以內電機功率的供電是不成問題的。尤其是變頻調速控制方式實際上對電機起動過程來說是最好的軟啟動方式。采用變頻器調速后，起動電流被限制在額定值內，可以減小電網沖擊，免除電機的機械損傷，減小供電回路的開關容量，減輕設備維護量。

    在沒有變頻技術的年代里，由于電網直接供電的原因，電機功率以200kW為分界，區分出高壓供電電機和低壓供電電機。現在有了變頻技術及變頻器，保護供電電網已經不成問題了，高低壓供電的分界點也就隨之產生變化。經過對技術方案的研討，對設備投資的比較，分界點一般認為在800~1 000kW是合適的，即800kW以下的電機，采用低壓變頻器供電更合適，大于1 000kW的電機可以考慮使用高壓變頻器供電方案。當然在3 000kW以內，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公司等都有相應產品。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構成的高壓大功率逆變橋，應用ABB公司的獨家專利技術DTC對電機進行調速控制，使產品的性能和可靠性都達到了極高的水平。

(2)  改善工藝水平的應用

    上述應用場合要求傳動裝置功率大，電壓高，但對速度和力矩控制的精度和響應并無特殊要求。與此相對應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機泵類，還有許多行業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。比如金屬加工行業中的帶材軋制過程、線材軋機、拉絲機械、銑面、縱剪、復合加工、連鑄連軋、酸洗、矯直、剪切等。這些工藝過去常常要求多臺電機之間要有精確的速度配合，或是要求力矩能快速的跟隨負載的變化而變化。這些特性同時也是造紙、紡織印染、化纖、橡塑、印刷、包裝、膠片制備和涂布等行業所需要的。上述各類加工過程，其產品的質量和產量除了和加工機械有關外，還依賴于電氣傳動設備以及電氣系統的構成水平。
還有一些對控制要求特殊的應用，比如提升機應用。提升機廣泛的用于沿海沿江的港口碼頭、集裝箱集散地、工礦企業、電站航天造船等大型設備的安裝場合。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快慢是衡量電氣傳動技術的重要指標。因為這一類純位勢負載的特性是被提升物一旦離開地面便沒有了依托，物體在懸空狀態下的升降或停住完全靠電氣傳動進行控制，起安全保護作用的抱閘的開閉必須精確控制，而且傳動必須能記憶提升力矩，以配合抱閘的開閉實現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用場合還有電梯、立體倉庫的物料運輸機、高爐的卷揚機等設備使用場合。滿足這類應用場合要求的傳動設備就不是簡單的通用變頻器能完成的了，除要求電氣設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、監視、岸機的穩定性監視和限制。在這類應用中，ABB公司具有標準的產品系列和專用軟件，在世界各國的海港、集裝箱碼頭應用極其普遍。小容量的應用場合也有其他品牌在使用，比如安川公司的產品。

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

    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：連續薄膜類產品如錄像帶、錄音帶、電影膠片、膠卷及其涂布過程，塑料包裝用薄膜、農用膜、塑料帶、塑料管線，各種紙張，化纖生產用的拉絲筒（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，拉絲廠的較細的銅線，合金絲，電熱鴿絲，細的漆色線，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，細鋼絲，鐵絲，普通電線電纜，各類傳動皮帶，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。對速度控制精度、力矩快速響應的程度，雖然各自有各自的要求，但這方面的特性是一個公共的要求，需要電氣傳動設備必須保證的。
在ABB的交流傳動系列中，有專門的卷取控制軟件，通過參數設定，可以選擇不同類型的張力控制方式。比如卷取、開卷設定、直接張力控制或間接張力控制，電流電勢復合控制或最大力矩控制方式，張力恒定是采用速度補償還是力矩補償方式等等。軟件內部自動完成卷徑的高精度計算，自動進行動態補償和靜態補償，自動完成線速度對卷取機的速度給定的轉換和張力給定對電機的力矩給定轉換。此外還有自動投張、靜張保持、斷帶保護、自動環卷等諸多功能，充分發揮了現代交流傳動的應用能力。因為在卷取過程中，恒張力控制是相當復雜的，除去要求傳動裝置的硬件性能優良外，還必須有專用的軟件，才能支持機器應用，所以能完成恒張力控制的傳動品牌必須要仔細的進行選擇。

3  交流變頻調速器的類型

    采用變頻的方法，作為交流異步機的供電電源，實現對電機的轉速控制，達到節能或改善工藝的目的，大約已有40年的歷史了。隨著電力電子技術和微電子技術的發展，變頻器的理論和產品水平也在飛快的發展。從60年代末到90年代，變頻器的控制方法經歷了幾次大的發展變化。大概經歷了三個階段，每一個階段技術上都有一個突破性的進展，推出一個更先進的控制原理。每一類都有很大的應用市場，延續至今，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的變頻調速。它可以做成轉速開環變頻調速方式，也可以做成轉速閉環調速方式。轉速開環變頻調速系統在恒壓頻比控制的基礎上，為了改善電機的低速力矩特性，增加了變頻器低頻段的電壓補償的協調控制，為了改善電機的速度特性的硬度，增加了轉差補償控制；雖然其結構簡單，成本較低，但調速系統靜、動態性能不高。為了改善性能，在開環系統的基礎上，軟件里加入了PI型轉速調節器，力圖使轉速無靜差，改善穩態性能。在動態過程中，轉速調節器飽和，系統能以最大轉矩Tm加減速，保證了在允許條件下快速性、加減速的平滑性，系統也容易穩定。然而這類基本型轉差頻率控制是從異步電機穩態等值電路和穩態轉矩公式出發的，“保持磁通恒定”的結論只在穩態情況下成立。電流調節器只控制了定子電流的幅值，并未控制其相位，其動態性與理想的閉環控制指標仍存在一定的差距。這類變頻器常用于風機、水泵類節能型調速系統或對速度的動態指標要求不高的簡單機械傳動上。

    (2)  第二類矢量控制型變頻器出現于80年代。它是基于“感應電機磁場定向控制原理”，和矢量系的“坐標變換”原理，經過不斷改進和完善形成的一類高性能的矢量控制變頻調速系統。其基本思想是通過矢量變換和磁場定向，實現定子電流轉矩分量與勵磁分量的解耦，得到類似直流電機的動態數學模型，然后模擬直流電機進行控制，獲得良好的靜、動態性能。繼而出現的轉差型矢量控制，進一步簡化系統結構，使之進一步實用化。雖然理論上采用直接轉子磁鏈定向最為理想，但是由于轉子磁鏈直接檢測相當困難，只能利用轉子磁鏈模型進行磁場定向，而電機運行狀態的變化以及參數的變化勢必會影響轉子磁鏈模型的精確性，進而影響系統的靜、動態性能。為了使磁場定向準確且對電機參數變化不敏感，可以通過參數辨識、參數自適應等方法，提高系統的魯棒性。

    由于這類變頻器采用了矢量控制技術，依靠計算機的快速數據處理能力，將一個連續的電流量經過坐標變換分解成無數對離散的、空間上互相垂直的兩個電流分量，按照磁場和其正交的電流乘積就是轉矩這一原理，將定子電流分解成建立磁場的勵磁分量和與磁場正交的產生轉矩的轉矩分量，然后分別進行各自的閉環控制，就象直流電動機可以分別對勵磁和電樞電流進行控制一樣，從而使得普通的交流電動機得到如同直流電動機的控制規律和動態性能。矢量控制變頻器已廣泛的應用到工業領域的各個行業中了。

    從控制角度看，矢量控制的變換機理需要用測速元件，以測量轉子的瞬時狀態來確定轉子磁鏈的位置。從應用角度看，要提高傳動系統的控制精度，就需要精確測量轉子的轉速，構成速度閉環控制。但速度傳感器安裝要求高，機械調試工作量大，由于場地及空間的限制，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速系統，它正能彌補這些不足之處。無速度傳感器的初始方法是實時檢測定子電壓和電流，再依據電機模型對轉速直接進行估算，用估算的值作為內部速度反饋量，完成高精度的速度控制。因此提高轉速估算精度是該系統的關鍵。

    ABB公司在上世紀70年代已有型號為“SAMISTAR”和“ACV700”的矢量控制型變頻器系列，隨著更先進的直接轉矩控制DTC型變頻器問世，矢量控制型變頻器曾淡出過ABB交流傳動家族，為了補充交流傳動在標準應用領域的需要，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。該系列以更新的結構和更強大的功能服務于容量小、要求高的傳動市場。

    (3)  第三類是采用目前最先進的變頻控制理論DTC構成的交流傳動。DTC變頻器由ABB公司于上世紀90年代推出。它的控制思路簡單明了、控制性能卓越，幾乎達到了交流異步電機調速的完美程度，很快深入到工業應用的各個領域。它摒棄了大量的矢量控制中坐標系變換的計算，直接以電機的磁場和力矩為目標進行控制，系統原理簡單明確。理論和實踐都證明了異步電動機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的正弦電流，且三相正弦電流在三相定子繞組中會產生圓形的旋轉磁場，從而產生恒定的電磁轉矩。反過來，如果用跟蹤圓形旋轉磁場的方法來控制定子繞組輸入端的脈寬調制電壓，形成反饋、閉環控制，那么效果會比輸入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控制著眼于定子側的磁鏈為被控對象，極大的簡化了矢量控制中的坐標變換計算。某一時刻的電壓空間矢量決定了該時刻的磁鏈空間矢量，每一個磁鏈空間矢量都要根據前一個矢量的位置單獨計算，由此形成的PWM輸出，就時時刻刻反映著電機的實際力矩。因為數據從采集到運算完輸出，僅經過25微妙，所以變頻器的力矩可以快速的跟隨負載的變化而變化，始終保持轉速為給定值。PWM脈沖經過優化后在取控制逆變橋，進一步改善了速度控制過程中的指標。精確的電機模型直接輸出電機速度值，作為反饋量，使交流異步機調速系統也具有象直流機一樣的雙閉環調節過程，使交流調速達到了目前的最高控制水平。

    現在各廠商為了適應市場的需求，都在不斷完善產品的控制性能和規格容量。其中ABB公司的變頻調速產品在控制原理方面涵蓋了上面提到的三個類別。有性能最好的DTC控制的，有現在市場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應用級、標準應用級、OEM應用級和一般機械配套級。根據不同的系列，功率可以從0.12kW到2.7MW。電壓可以從220V三相到4 160V三相。其性能可以滿足當前工業應用中絕大多數的需求。

    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用的范圍也是很大的。

4  不斷發展的新技術

(1)  智能控制

    代自動化控制領域中，以現代控制論為基礎，融入模糊控制、專家控制、神經網絡控制，以形成高智能化的自動控制系統為最新動向。

(2)  模糊控制

    模糊數學的模糊控制理論具有自學功能。它靠模糊控制器在執行控制的過程中不斷獲取現場的信息，及時調整模糊控制規律，改善系統性能。模糊控制不嚴格依賴控制過程或對象模型，具有較強的魯棒性和不敏感性。因此控制系統的穩定性會有很大的改善。為了進一步提高控制精度，抑制振蕩等現象，人們提出了各種改進方案，設計出各種模糊控制器。如帶有積分作用的模糊控制器，自學及自調整模糊控制器。現在，模糊控制理論已開始逐步應用于電氣傳動控制系統了。

(3)  專家系統

    系統是上世紀中期發展起來的人工智能應用領域的一個重要研究方法，上世紀末期被引入實時控制領域。專家控制器結構簡單，以知識庫與推理機為主要部分，知識庫用于存放大量的規律與經驗，由數據庫和學習適應器組成。推理機利用知識庫中的知識進行推理決策，尋找理想的控制作用。專家控制系統結構復雜、造價高，除了具有專家控制器的基本功能外，還具備實時識別、性能評價、獲取更高級專家知識等功能。專家系統和專家控制器在提高控制系統的靈活性及智能化方面，顯示出極大的優越性，但由于知識獲取、實時控制和魯棒性等問題，能真正用于電氣傳動控制系統還需要專家進一步研究。

(4)  神經網絡

    網絡以其獨特的優點引起人們極大的關注，從仿生學的角度出發，對人腦神經系統進行模擬，使機器具有人腦那樣的感知、學習和推理能力。神經網絡能充分逼近任意復雜的非線性關系，能學習與適應非常不確定的系統的動態性能，所有信息都等勢分布貯存于網絡內各神經元，故有極強的魯棒性和容錯性，這些特點顯示了神經網絡在解決高度非線性和嚴重不確定系統的控制方面有著巨大的潛力。神經網絡在電氣傳動控制系統中的應用研究尚屬起步階段，尤其是其自學功能與實時控制快速性的矛盾，有待于進一步研究解決。智能控制系統在提高系統的魯棒性、系統的自學及決策能力方面有其獨到之處。但對解決電氣傳動系統中調速精度或定位精度等問題的能力尚嫌不足，而傳統的PI調節則正能彌補這個缺陷。行之有效的方法是將傳統的PI調節與智能控制結合起來，取長補短，既保證了系統的控制精度，又提高系統的魯棒性。例如帶有積分作用的模糊控制器，能最終消除負載引起的轉速變化，實現無靜差控制。利用智能控制系統的自學及決策能力，及時修改PI調節器參數，形成智能型PI調節器。