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    徐甫榮
（1946—）
男，1970年畢業(yè)于西安交通大學(xué)電機(jī)工程系發(fā)電廠電力網(wǎng)及電力系統(tǒng)專業(yè)，原為國(guó)家電力公司熱工研究院自動(dòng)化所教授級(jí)高工，主要從事火電廠熱工自動(dòng)化及交直流調(diào)速拖動(dòng)技術(shù)的研究工作，現(xiàn)為深圳市微能科技公司高級(jí)技術(shù)顧問(wèn)。

1 前言

    通常，我們把用來(lái)驅(qū)動(dòng)1kV以上交流電動(dòng)機(jī)的中、大容量變頻器稱為高壓變頻器。按照國(guó)際慣例和我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)供電電壓大于或等于10kV時(shí)稱高壓，小于10kV時(shí)稱中壓。因此，相應(yīng)額定電壓1～10kV的變頻器應(yīng)分別稱為中壓變頻器和高壓變頻器。但考慮到在這一電壓范圍內(nèi)的變頻器有著共同的特征，且我們習(xí)慣上也把額定電壓為3kV或6kV的電動(dòng)機(jī)稱為“高壓電機(jī)”，因此，為簡(jiǎn)化敘述起見(jiàn)，本文也稱之為“高壓變頻器”。

    截止2006年底，我國(guó)發(fā)電裝機(jī)總?cè)萘恳淹黄?億kW，為5.08億kW。其中火電裝機(jī)約占80%，為4億kW左右。全國(guó)年發(fā)電量已突破2萬(wàn)億kWh。而我國(guó)的能源利用率卻平均比發(fā)達(dá)國(guó)家低20%左右！

    全國(guó)電動(dòng)機(jī)裝機(jī)總?cè)萘恳堰_(dá)4億多kW，年耗電量達(dá)12000億kWh，占全國(guó)總用電量的60%，占工業(yè)用電量的80%；其中風(fēng)機(jī)、水泵、壓縮機(jī)的裝機(jī)總?cè)萘恳殉^(guò)2億kW，年耗電量達(dá)8000億kWh，占全國(guó)總用電量的40%左右。70%以上的風(fēng)機(jī)、水泵、壓縮機(jī)應(yīng)調(diào)速運(yùn)行，而至今僅有約5%左右調(diào)速運(yùn)行。

    若按風(fēng)機(jī)、水泵和壓縮機(jī)總裝機(jī)容量的50%進(jìn)行調(diào)速節(jié)能改造，則可改造容量達(dá)1億kW，其中40%為中高壓電機(jī)，容量占60%。若按電機(jī)平均出力為60%，年運(yùn)行4000小時(shí)，平均節(jié)電率為20～30%（平均25%）計(jì)算，則年節(jié)電潛力為600億kWh！整個(gè)電機(jī)系統(tǒng)的節(jié)電潛力約為1000億kWh，改造和更新預(yù)計(jì)需投入2000～3000億元人民幣。

    根據(jù)國(guó)家節(jié)能計(jì)劃，我國(guó)每年應(yīng)節(jié)約和少用能源7000萬(wàn)噸標(biāo)準(zhǔn)煤，通過(guò)基本建設(shè)項(xiàng)目及技術(shù)改造措施，每年可形成約3000萬(wàn)噸標(biāo)準(zhǔn)煤的節(jié)能能力，而每形成一噸標(biāo)準(zhǔn)煤的節(jié)能能力需投資2000元（約為開(kāi)發(fā)等量能源費(fèi)用的三分之一），則每年需節(jié)能投資600億元，“十五”期間共需3000億元人民幣，“十一五”期間將更多。

    由于我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，發(fā)電裝機(jī)仍以高速發(fā)展。但電力運(yùn)行的一些主要指標(biāo)和裝備指標(biāo)與發(fā)達(dá)國(guó)家相比仍有很大差距：我國(guó)火電機(jī)組的平均煤耗為400g/kWh，比發(fā)達(dá)國(guó)家高出約70～100 g/kWh；發(fā)達(dá)國(guó)家發(fā)電廠的廠用電率為3.7%～6%，而我國(guó)的廠用電率為4.7%～10.5%，加之線損，我國(guó)送到用戶的電能要比發(fā)達(dá)國(guó)家多耗電9.5%，相當(dāng)于22000MW裝機(jī)容量，即22個(gè)百萬(wàn)大廠的年發(fā)電量。因此，我國(guó)的節(jié)能形勢(shì)十分嚴(yán)峻！

2 變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展歷史及現(xiàn)狀

    變頻調(diào)速技術(shù)涉及到電力、電子、電工、信息與控制等多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域。隨著電力電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展，以變頻調(diào)速為代表的近代交流調(diào)速技術(shù)有了飛速的發(fā)展。交流變頻調(diào)速傳動(dòng)克服了直流電機(jī)的缺點(diǎn)，發(fā)揮了交流電機(jī)本身固有的優(yōu)點(diǎn)（結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、堅(jiān)固耐用、經(jīng)濟(jì)可靠、動(dòng)態(tài)響應(yīng)好等），并且很好地解決了交流電機(jī)調(diào)速性能先天不足的問(wèn)題。交流變頻調(diào)速技術(shù)以其卓越的調(diào)速性能、顯著的節(jié)電效果以及在國(guó)民經(jīng)濟(jì)各領(lǐng)域的廣泛適用性，而被公認(rèn)為是一種最有前途的交流調(diào)速方式，代表了電氣傳動(dòng)發(fā)展的主流方向。變頻調(diào)速技術(shù)為節(jié)能降耗、改善控制性能、提高產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量提供了至關(guān)重要的手段。變頻調(diào)速理論已形成較為完整的科學(xué)體系，成為一門(mén)相對(duì)獨(dú)立的學(xué)科。

    20世紀(jì)是電力電子變頻技術(shù)由誕生到發(fā)展的一個(gè)全盛時(shí)代。最初的交流變頻調(diào)速理論誕生于20世紀(jì)20年代，直到60年代，由于電力電子器件的發(fā)展，才促進(jìn)了變頻調(diào)速技術(shù)向?qū)嵱梅较虬l(fā)展。70年代席卷工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家的石油危機(jī)，促使他們投入大量的人力、物力、財(cái)力去研究高效率的變頻器，使變頻調(diào)速技術(shù)有了很大發(fā)展并得到推廣應(yīng)用。80年代，變頻調(diào)速已產(chǎn)品化，性能也不斷提高，發(fā)揮了交流調(diào)速的優(yōu)越性，廣泛地應(yīng)用于工業(yè)各部門(mén)，并且部分取代了直流調(diào)速。進(jìn)入90年代，由于新型電力電子器件如IGBT（絕緣柵雙極型晶體管Insolated Gate Bipolar Transistor）、IGCT（集成門(mén)極換流型晶閘管Integrated Gate Commutated Thyristor）等的發(fā)展及性能的提高、計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，如由16位機(jī)發(fā)展到32位機(jī)以及DSP（數(shù)字信號(hào)處理器Digital　Signal Processor）的誕生和發(fā)展（如磁場(chǎng)定向矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制）等原因，極大地提高了變頻調(diào)速的技術(shù)性能，促進(jìn)了變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展，使變頻器在調(diào)速范圍、驅(qū)動(dòng)能力、調(diào)速精度、動(dòng)態(tài)響應(yīng)、輸出性能、功率因數(shù)、運(yùn)行效率及使用的方便性等方面大大超過(guò)了其它常規(guī)交流調(diào)速方式，其性能指標(biāo)亦已超過(guò)了直流調(diào)速系統(tǒng)，達(dá)到取代直流調(diào)速系統(tǒng)的地步。目前，交流變頻調(diào)速以其優(yōu)異的性能而深受各行業(yè)的普遍歡迎，在電力、軋鋼、造紙、化工、水泥、煤炭、紡織、鐵路、食品、船舶、機(jī)床等傳統(tǒng)工業(yè)的改造中和航天航空等高新技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用中無(wú)不看到變頻調(diào)速技術(shù)的蹤影，變頻調(diào)速技術(shù)取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

    變頻調(diào)速技術(shù)的現(xiàn)狀具有以下特點(diǎn)

    （1）在功率器件方面，近年來(lái)高電壓、大電流的SCR、GTO、IGBT、IGCT等器件的生產(chǎn)以及并聯(lián)、串聯(lián)技術(shù)的應(yīng)用，使高電壓、大功率變頻器產(chǎn)品的生產(chǎn)及應(yīng)用成為現(xiàn)實(shí)。

    （2）在微電子技術(shù)方面，16位、32位高速微處理器以及DSP和ASIC（專用集成電路Application Specific IC）技術(shù)的快速發(fā)展，為實(shí)現(xiàn)變頻器高精度、多功能化提供了硬件手段。

    （3）在控制理論方面，矢量控制、磁通控制、轉(zhuǎn)矩控制、智能控制等新的控制理論為研制高性能變頻器的發(fā)展提供了相關(guān)理論基礎(chǔ)。

    （4）在產(chǎn)品化生產(chǎn)方面，基礎(chǔ)工業(yè)和各種制造業(yè)的高速發(fā)展，促進(jìn)了變頻器相關(guān)配套件的社會(huì)化、專業(yè)化生產(chǎn)。

３ 國(guó)內(nèi)外高壓變頻器的分類、比較和應(yīng)用情況

    目前世界上的高壓變頻器不象低壓變頻器一樣具有成熟的一致性的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，而是限于功率器件的電壓耐量和高壓使用條件的矛盾，國(guó)內(nèi)外各變頻器生產(chǎn)廠商，采用不同的功率器件和不同的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以適應(yīng)不同的電壓等級(jí)和各種拖動(dòng)設(shè)備的要求，因而在各項(xiàng)性能指標(biāo)和適用范圍上也各有差異。

    一般來(lái)講，在高壓供電而功率器件耐壓能力有限的情況下，可采用將功率器件串聯(lián)的方法來(lái)解決。但是功率器件在串聯(lián)使用時(shí)，因?yàn)楦髌骷膭?dòng)態(tài)電阻和極間電容不同，而存在靜態(tài)均壓和動(dòng)態(tài)均壓?jiǎn)栴}。如果采用與器件并聯(lián)R和Rc的均壓措施，會(huì)使電路復(fù)雜，損耗增加；同時(shí)，器件的串聯(lián)對(duì)驅(qū)動(dòng)電路的要求也大大提高，要盡量做到串聯(lián)器件同時(shí)導(dǎo)通和關(guān)斷，否則由于各器件開(kāi)斷時(shí)間不一致，承受電壓不均，會(huì)導(dǎo)致器件損壞甚至整個(gè)裝置崩潰。

    諧波問(wèn)題是所有變頻器的共同問(wèn)題，尤其在高壓大功率變頻調(diào)速中更為突出。諧波會(huì)污染電網(wǎng)，殃及同一電網(wǎng)上的其它用電設(shè)備，甚至影響電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行；諧波也會(huì)干擾通訊和控制系統(tǒng)，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使通訊中斷、系統(tǒng)癱瘓；諧波電流還會(huì)使電動(dòng)機(jī)損耗增加，因而發(fā)熱增加，效率及功率因數(shù)下降，以至不得不“降額”使用。

    還有效率問(wèn)題，變頻調(diào)速裝置的容量愈大，調(diào)速系統(tǒng)的效率問(wèn)題也就愈加重要。采用不同的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，使用的功率器件的種類和數(shù)量的多少，以及變壓器、濾波器等的使用，都會(huì)影響系統(tǒng)的效率。為了提高系統(tǒng)效率，必須設(shè)法盡量減少功率開(kāi)關(guān)器件和變頻調(diào)速裝置的損耗。

    可靠性和冗余設(shè)計(jì)問(wèn)題：一般的高壓大功率拖動(dòng)系統(tǒng)都要求很高的系統(tǒng)可靠性，尤其是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的重要部門(mén)如電力、能源、冶金、礦山和石化等行業(yè)，一旦設(shè)備出現(xiàn)故障，將會(huì)造成人民生命財(cái)產(chǎn)的巨大損失。因此高壓變頻裝置設(shè)計(jì)中是否便于采用冗余設(shè)計(jì)及旁路控制功能也是至關(guān)重要的。

    根據(jù)高壓變頻器有無(wú)直流環(huán)節(jié)，可以分為交—交變頻器和交—直—交變頻器；根據(jù)直流環(huán)節(jié)濾波元件的性質(zhì)又可以分為電流源型變頻器和電壓源型變頻器；電流源型變頻器又可以分為負(fù)載換流式晶閘管變頻器（LCI）和采用自關(guān)斷器件（GTO、SGCT）的電流源型變頻器；電壓源型變頻器則可以分為：a）功率器件串聯(lián)二電平直接高壓變頻器，b）采用HV—IGBT、IGCT的多電平電壓源變頻器,c）采用LV—IGBT的單元串聯(lián)多重化電壓源變頻器等，如圖1所示。

圖1   高壓變頻器分類

    上世紀(jì)未以前，高壓大功率變頻器都采用國(guó)外進(jìn)口品牌。如美國(guó)羅克韋爾公司的Power FlexTM7000高壓變頻器，是采用SGCT功率器件串聯(lián)的交一直一交電流源型變頻器，與電動(dòng)機(jī)的特性有關(guān)，調(diào)試比較困難；并且du/dt較大，對(duì)電機(jī)的絕緣影響較大。是進(jìn)入我國(guó)火電廠節(jié)能改造工程最早的產(chǎn)品。美國(guó)羅賓康（ROBICON）公司的單元串聯(lián)多電平變頻器，采用低壓IGBT功率器件，號(hào)稱完美無(wú)諧波變頻器。也是進(jìn)入我國(guó)較早，且使用最多的產(chǎn)品。它的優(yōu)點(diǎn)是電壓電流波形好，諧波含量小，對(duì)電動(dòng)機(jī)影響小。
歐洲ABB公司的ACS1000高壓變頻器，是采用IGCT器件的三電平變頻器，最高電壓到4.16kV。若用在我國(guó)6kV高壓電動(dòng)機(jī)上，要進(jìn)行星一三角改接，不利于進(jìn)行工頻旁路切換（切換前要先進(jìn)行三角一星形改接），所以限制了它在我國(guó)火電廠的使用。目前在我國(guó)發(fā)電廠使用量很少。

    德國(guó)西門(mén)子公司的SIMOVERT MV系列高壓變頻器，6kV電壓可做到2000kW。它實(shí)際上采用的是高一低一高方式。其核心的逆變器是采用高壓IGBT器件的三電平變頻器，輸出電壓為2.3kV，通過(guò)一個(gè)“集成升壓濾波器”將電壓升到6kV，并兼有濾波作用。也是進(jìn)入我國(guó)較早的產(chǎn)品，目前使用量已超過(guò)200臺(tái)套。

    法國(guó)阿爾斯通公司的ALSPA CDM6000系列高壓變頻器，是采用IGBT器件的飛跨電容四電平變頻器，可四象限運(yùn)行，輸出波形較好，諧波含量和du/dt較小（du/dt＜500V/us）。在冶金、礦山使用較多，在我國(guó)電廠使用很少。

    國(guó)外產(chǎn)品的共性是質(zhì)量好，可靠性高，但價(jià)格也很高，且對(duì)我國(guó)電網(wǎng)的適應(yīng)能力差，用戶界面差（未漢化），售后服務(wù)響應(yīng)差。備品備件供應(yīng)差且價(jià)格昂貴。以上因素給國(guó)內(nèi)用戶帶來(lái)很大的不便。

    進(jìn)入新世紀(jì)以來(lái)，國(guó)產(chǎn)高壓變頻器企業(yè)迅速崛起，并以驚人的速度占領(lǐng)市場(chǎng)。北京利德華福公司的高壓變頻器銷售業(yè)績(jī)，到2006年6月份已突破600臺(tái)套。還有成都東方日立（原東方凱奇）公司，北京合康億盛公司、山東新風(fēng)光公司、成都佳靈公司、中山明揚(yáng)公司、哈爾濱九洲公司、廣州智光公司、上?？七_(dá)公司、深圳的微能科技和康沃公司等也都先后進(jìn)入這個(gè)領(lǐng)域，并且必然會(huì)有更多的企業(yè)加入進(jìn)來(lái)。這將對(duì)我國(guó)高壓變頻器品牌占領(lǐng)國(guó)內(nèi)市場(chǎng)起到積極的作用。并為我國(guó)創(chuàng)建節(jié)約型社會(huì)送來(lái)強(qiáng)勁的東風(fēng)。

    國(guó)產(chǎn)品牌在可靠性和生產(chǎn)工藝上正在迎頭趕上，其最大的優(yōu)勢(shì)是適合中國(guó)國(guó)情和用戶的需要，可以進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)，用戶界面友好，操作方便，價(jià)格便宜。最主要的是良好的售前售后服務(wù)和備品備件的提供，以及操作維護(hù)人員的培訓(xùn)工作，更是國(guó)外品牌的產(chǎn)品所無(wú)法比擬的。

    在上世紀(jì)未，用戶是唯進(jìn)口品牌是論，根本不考慮國(guó)產(chǎn)品牌，而現(xiàn)在情況正好反過(guò)來(lái)了，許多用戶主動(dòng)要求選用國(guó)產(chǎn)品牌，而不要進(jìn)口品牌。國(guó)外的高壓變頻器生產(chǎn)公司為了占領(lǐng)中國(guó)市場(chǎng)，也都紛紛在國(guó)內(nèi)設(shè)立組裝廠，象進(jìn)線變壓器等也由國(guó)內(nèi)配套廠提供，產(chǎn)品的設(shè)計(jì)也越來(lái)越適應(yīng)中國(guó)用戶的要求，價(jià)格也有所下降。國(guó)內(nèi)的產(chǎn)品大多數(shù)采用單元串聯(lián)多電平電路，也有少數(shù)采用三電平電路和功率器件直接串聯(lián)二電平電路的。對(duì)于我國(guó)目前以節(jié)能為目的的用戶來(lái)說(shuō)，單元串聯(lián)多電平電路，在性能上還是占有一定優(yōu)勢(shì)的。隨著使用領(lǐng)域的擴(kuò)大，還有待于開(kāi)發(fā)出性能更好的產(chǎn)品來(lái)。

    成都佳靈電氣公司經(jīng)過(guò)多年研制，解決了功率器件IGBT的直接串聯(lián)技術(shù)問(wèn)題，使真正無(wú)輸入、輸出變壓器的直接高壓變頻器成為現(xiàn)實(shí)。這不但大大提高了變頻器的效率，并大大減小了變頻器的體積和重量。采用抗共模電壓技術(shù)以取消輸入變壓器，采用了輸出濾波器和優(yōu)化的PWM波形，大大降低了諧波含量，可使總諧波含量（THD）降低到2%以下。采用二電平逆變，使電路結(jié)構(gòu)和控制簡(jiǎn)單，縮小了體積，降低了成本。

    廣東明陽(yáng)龍?jiān)措娏﹄娮佑邢薰鹃_(kāi)發(fā)的三電平電壓源型高壓變頻裝置主要應(yīng)用于電廠、水廠、鋼廠、礦山、冶金、化工、石油等工業(yè)領(lǐng)域的高壓電動(dòng)機(jī)節(jié)能驅(qū)動(dòng)，控制風(fēng)機(jī)、水泵、軋鋼機(jī)等設(shè)備的節(jié)能運(yùn)行，應(yīng)用效果顯著。該公司生產(chǎn)的ML－VERT－S系列高壓變頻器采用二極管中點(diǎn)鉗位三電平電壓源逆變器構(gòu)成主電路，開(kāi)關(guān)器件在國(guó)內(nèi)最先使用ABB公司先進(jìn)的大功率集成門(mén)極換相晶體閘流管（IGCT）串聯(lián)技術(shù)，滿足國(guó)內(nèi)6kV 電動(dòng)機(jī)直接“高－高”方式驅(qū)動(dòng)的要求。  

    目前國(guó)內(nèi)投運(yùn)的高壓變頻器已接近3000套，分別為：
 
    （1）羅賓康公司 450套
 
    （2）西門(mén)子公司 300套

    （3）羅克韋爾（AB）公司 200套

    （4）ABB公司 160套

    （5）利德華福公司　 650套

    （6）東方日立公司 480套

    （7）中山明陽(yáng)龍?jiān)垂?nbsp;180套

    （8）哈爾濱九洲公司 120套

    （9）成都佳靈公司 80套

    （10）山東新風(fēng)光 60套

    （11）上?？七_(dá)公司 50套

    （12）廣州智光公司 40套　

    （13）湖北三環(huán)公司 16套

    （14）其他公司品牌  約200套左右

4 高壓變頻調(diào)速中的關(guān)鍵控制技術(shù)及其發(fā)展

    （1）矢量控制技術(shù)

    1971年西門(mén)子公司提出的矢量變換控制是一種新的控制思想和控制理論。其基本思想是把交流電機(jī)模擬成直流電機(jī)進(jìn)行控制。它是以轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向，采用矢量變換的方法實(shí)現(xiàn)交流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和磁鏈控制的完全解耦。迄今為止，矢量控制技術(shù)已經(jīng)獲得了長(zhǎng)足的發(fā)展。

    （2）無(wú)速度傳感器矢量控制技術(shù)

    近年來(lái)高性能異步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)得到廣泛的應(yīng)用，而速度傳感器的安裝、維護(hù)以及低速性能等方面的問(wèn)題，影響了異步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的簡(jiǎn)便性、廉價(jià)性和可靠性。無(wú)速度傳感器異步電機(jī)的控制已越來(lái)越受到人們的關(guān)注和重視。

    無(wú)速度傳感器矢量控制變頻器既具有矢量控制高性能的優(yōu)點(diǎn)，又具有通用變頻器沒(méi)有速度傳感器的長(zhǎng)處，但是，在進(jìn)行矢量控制時(shí)如何獲得速度信號(hào)是無(wú)速度傳感器矢量控制的技術(shù)關(guān)鍵。無(wú)速度傳感器控制系統(tǒng)獲得速度信號(hào)的方法是直接計(jì)算、參數(shù)辯識(shí)、狀態(tài)估計(jì)、間接測(cè)量等手段，根據(jù)電機(jī)定子較易測(cè)量的定子電壓、電流計(jì)算出與速度有關(guān)的量，從而得到轉(zhuǎn)子速度，并將其用于速度反饋系統(tǒng)之中。常用的方法有：利用電機(jī)的基本方程式（靜態(tài)和動(dòng)態(tài)）導(dǎo)出速度的方程式進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)模型參考自適應(yīng)控制的理論，選擇合適的參考模型和可調(diào)整模型，利用自適應(yīng)算法辯識(shí)出速度，利用電機(jī)的齒諧波電勢(shì)計(jì)算速度等。

    從1983年提出無(wú)速度傳感器矢量控制策略以來(lái)，一直受到學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的高度重視，日立、安川電機(jī)等公司于1987年分別發(fā)表了研究成果，并相繼推出了產(chǎn)品。目前，無(wú)速度傳感器矢量控制變頻器的調(diào)速范圍為1∶50左右，個(gè)別廠商有1∶75甚至更高的產(chǎn)品。

    （3）直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)

    直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)（簡(jiǎn)稱DTC），是近10年繼矢量控制技術(shù)之后發(fā)展起來(lái)的又一種新型的高性能交流變頻調(diào)速技術(shù)。實(shí)際上，由于轉(zhuǎn)子磁鏈難以準(zhǔn)確觀測(cè)，系統(tǒng)特性受電機(jī)參數(shù)的影響比較大，而且矢量變換比較復(fù)雜，存在著某些理論與實(shí)踐不符的情形。

    1985年，德國(guó)的M.Depenblock首次提出DTC的理論。它直接在定子坐標(biāo)系下分析交流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，采用定子磁場(chǎng)定向而無(wú)需解耦電流，直接控制電動(dòng)機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩，著眼于轉(zhuǎn)矩的速度響應(yīng)，以獲得高效的控制性能。這種控制技術(shù)與矢量控制技術(shù)相比，對(duì)電機(jī)參數(shù)不敏感，不受轉(zhuǎn)子參數(shù)的影響，簡(jiǎn)單易行，在很大程度上克服了矢量控制技術(shù)的缺點(diǎn)，具有廣闊的發(fā)展和應(yīng)用前景。

    （4）PWM控制技術(shù)

    隨著電壓型逆變器在高性能電力電子裝置，如交流傳動(dòng)，不間斷電源和有源濾波器的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，PWM控制技術(shù)作為這些系統(tǒng)的共用及核心技術(shù)，引起人們的高度重視，并得到深入研究。所謂PWM技術(shù)就是利用半導(dǎo)體器件的開(kāi)通和關(guān)斷把直流電壓變成一定形狀的電壓脈沖序列。來(lái)實(shí)現(xiàn)頻率、電壓控制和消除諧波的一門(mén)技術(shù)。自關(guān)斷器件的發(fā)展為PWM技術(shù)鋪平了道路，目前幾乎所有的變頻調(diào)速裝置都采用這一技術(shù)。PWM技術(shù)用于變頻器的控制，可以明顯改善變頻器輸出波形，降低電動(dòng)機(jī)的諧波損耗，并減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，同時(shí)還簡(jiǎn)化了逆變器的結(jié)構(gòu)，加快了調(diào)節(jié)速度，提高了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能。
PWM技術(shù)除了用于逆變器的控制，還用于整流器的控制，PWM整流器現(xiàn)在已開(kāi)發(fā)成功，利用它可以實(shí)現(xiàn)輸入電流正弦和電網(wǎng)功率因數(shù)為。人們稱PWM整流器是對(duì)電網(wǎng)無(wú)污染的“綠色”變流器。

    目前已經(jīng)提出并得到應(yīng)用的PWM控制方案就不下數(shù)十種，尤其是微處理器應(yīng)用于PWM技術(shù)數(shù)字化以后，花樣更是不斷翻新，從最初追求電壓波形的正弦，到電流波形的正弦，再到磁通的正弦；從效率最優(yōu)，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)最少，再到消除噪音等，PWM控制技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了一個(gè)不斷創(chuàng)新和不斷完善的過(guò)程。目前仍有新的方案不斷提出，這說(shuō)明該項(xiàng)技術(shù)的研究方興未艾。不少方法已趨成熟，并有許多已在實(shí)際中得到應(yīng)用。

    PWM控制技術(shù)一般可分為三大類，即正弦PWM、優(yōu)化PWM及隨機(jī)PWM，從實(shí)現(xiàn)方法上來(lái)看，大致有模擬式和數(shù)字式兩種，而數(shù)字式中又包括硬件、軟件或查表等幾種實(shí)現(xiàn)方式，從控制特性來(lái)看主要可分為兩種：開(kāi)環(huán)式（電壓或磁通控制型）和閉環(huán)式（電流或磁控制型）。

    隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷進(jìn)步，數(shù)字化PWM已逐步取代模擬式PWM，成為電力電子裝置共用的核心技術(shù)。交流電機(jī)調(diào)速性能的不斷提高在很大程度上是由于PWM技術(shù)的不斷進(jìn)步。目前廣泛應(yīng)用的是在規(guī)則采樣PWM的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的準(zhǔn)優(yōu)化PWM法，即三次諧波疊加法和電壓空間矢量PWM法，這兩種方法具有計(jì)算簡(jiǎn)單、實(shí)時(shí)控制容易的特點(diǎn)。

    （5）數(shù)字化控制技術(shù)

    控制技術(shù)的數(shù)字化是靜止變頻裝置的核心技術(shù)，是今后的發(fā)展趨勢(shì)。目前市場(chǎng)上的變頻裝置幾乎全面實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化控制，由于元件的高性能和小型化，使變頻裝置實(shí)現(xiàn)了控制的高精度，采用DSP和ASIC實(shí)現(xiàn)了快速運(yùn)算和高精度控制，可以得到良好的電流波形使變頻器的噪音大幅度降低。由于應(yīng)用微電子技術(shù)和ASIC技術(shù)，裝置的元器件數(shù)量得以大幅度減少，從而使變頻裝置的可靠性大幅度提高。早期由于受CPU處理速度限制和離散化延遲時(shí)間的影響，電流控制響應(yīng)為數(shù)毫秒，速度控制響應(yīng)為十毫秒左右。近年來(lái)CPU處理速度的提高和應(yīng)用DSP、ASIC控制使掃描時(shí)間大幅度縮短，目前電流響應(yīng)為0.1~0.7ms，速度響應(yīng)為2~4ms，足以滿足傳動(dòng)領(lǐng)域的控制要求。

    （6）自整定技術(shù)

    在變頻調(diào)速系統(tǒng)中自整定技術(shù)的應(yīng)用日益廣泛，它可以根據(jù)速度和負(fù)載的變化自動(dòng)調(diào)速控制系統(tǒng)的參數(shù)，使得系統(tǒng)具有快速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。自整定技術(shù)分為離線式和在線式兩種。離線式的研究成果已經(jīng)在相當(dāng)多的產(chǎn)品中應(yīng)用，它是在運(yùn)行系統(tǒng)程序之前通過(guò)運(yùn)行一段自整定程序，辯識(shí)相關(guān)數(shù)據(jù)，并修改系統(tǒng)程序的相關(guān)參數(shù)，以期獲得良好的系統(tǒng)控制性能。離線式自整定的缺點(diǎn)是當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行后，不能實(shí)時(shí)修改系統(tǒng)參數(shù)，因而系統(tǒng)不能獲得最佳控制性能。在線式自整定可以實(shí)時(shí)修改控制器的參數(shù)，因而可以獲得最佳控制性能。自整定技術(shù)的研究課題包括：擴(kuò)大應(yīng)用范圍、提高精度、在線自整定等。同時(shí)，改進(jìn)控制技術(shù)，提高系統(tǒng)魯棒性也和自整定技術(shù)緊密相聯(lián)系。

    （7）交流傳動(dòng)系統(tǒng)的智能控制

    現(xiàn)代控制理論和智能控制理論在交流傳動(dòng)領(lǐng)域應(yīng)用十分活躍，在控制量（如磁鏈、速度、轉(zhuǎn)矩、磁極位置）的檢測(cè)、估計(jì)中已有相當(dāng)成熟的研究成果，部分成果在產(chǎn)品中得到應(yīng)用。尤其是應(yīng)用觀測(cè)器的理論構(gòu)造系統(tǒng)狀態(tài)觀測(cè)器，估算系統(tǒng)中難以用傳感器檢測(cè)到的物理量，改善系統(tǒng)控制性能，取得了良好的效果。模糊邏輯、神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)、變結(jié)構(gòu)控制相結(jié)合的智能控制理論在交流傳動(dòng)系統(tǒng)中具有良好的應(yīng)用前景。

    智能控制是從解決工程和技術(shù)問(wèn)題的實(shí)踐中產(chǎn)生和發(fā)展起來(lái)的，隨著自動(dòng)化程度的提高和普及，受控對(duì)象日趨復(fù)雜，對(duì)于許多難以獲得數(shù)學(xué)模型或模型復(fù)雜的過(guò)程，應(yīng)用經(jīng)典和現(xiàn)代控制理論往往不能取得令人滿意的控制效果，甚至完全無(wú)能為力，可是在手動(dòng)控制中，熟練的操作人員卻可以駕馭自如。由此，人們很自然地產(chǎn)生了在自動(dòng)控制技術(shù)中借鑒熟練人員經(jīng)驗(yàn)的想法。計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展為實(shí)現(xiàn)這一愿望提供了可能，計(jì)算機(jī)在邏輯推理、判斷、識(shí)別、決策、學(xué)習(xí)等方面的功能可以承擔(dān)按照熟練操作人員和專家的經(jīng)驗(yàn)與方法進(jìn)行控制的工作。另一方面，許多探索如何實(shí)現(xiàn)人腦思維功能的學(xué)術(shù)領(lǐng)域，如人工智能、專家系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊邏輯等的研究也取得了可喜的進(jìn)展，這些研究成果從不同的角度提出了各種仿照人的知識(shí)、思維進(jìn)行控制的方法，統(tǒng)稱為智能控制。它的發(fā)展也給交流調(diào)速系統(tǒng)的控制策略帶來(lái)了新思想、新方法，使交流傳動(dòng)系統(tǒng)的智能控制已成為當(dāng)前的一個(gè)研究熱點(diǎn)。

5 高壓變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

    20世紀(jì)末，交流電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)以電力電子功率變換技術(shù)、微電子控制技術(shù)為核心得到了驚人的發(fā)展，展望21世紀(jì)，變頻調(diào)速技術(shù)將會(huì)有更大發(fā)展。

    ●  功率變換器的高頻低損耗化、自關(guān)斷化、模塊化、高耐壓、大容量化；

    ●  矩陣變頻器的出現(xiàn)的推廣

    ●  變頻器在同步電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用

    ●  控制技術(shù)的數(shù)字化、矢量控制化、直接轉(zhuǎn)矩控制化

    ●  無(wú)速度傳感器矢量控制

    ● 操作系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化

    ●  硬件通用化、調(diào)試維護(hù)軟件化

    ●  變頻裝置無(wú)諧波化，采用多電平、多重化、帶就地補(bǔ)償

    ●  工作負(fù)荷參數(shù)的模型化

    ●  新理論新機(jī)理新材料的出現(xiàn)將會(huì)出現(xiàn)新概念功率變換器件、新概念變頻裝置

    下面分別加以下介紹：

    （1）在開(kāi)關(guān)器件方面：IGBT變頻器已成為20世紀(jì)90年代變頻調(diào)速技術(shù)的主流，在21世紀(jì)初相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)仍將是電氣傳動(dòng)領(lǐng)域的主導(dǎo)變頻器。在21世紀(jì)，IPM及智能化變頻器將會(huì)有很大的發(fā)展。功率變換、驅(qū)動(dòng)、檢測(cè)、控制、保護(hù)等功能的集成化促成了功率器件及變頻器的智能化，實(shí)現(xiàn)高效節(jié)能、多功能、高性能、高附加值，同時(shí)將研究開(kāi)發(fā)新電力電子器件IGCT、IEGT（集成發(fā)射式門(mén)極晶閘管Integrated Emit Gate Thyristor）、GaAs（砷化鎵）、SiC（碳化硅復(fù)合器件）、光控IGBT及超導(dǎo)功率器件等新功能變頻器。

    （2）在變頻電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)方面：基于雙PWM能量回饋的綠色變頻電路是變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，即整流部分也采用電力電子自關(guān)斷器件構(gòu)成，并對(duì)其進(jìn)行PWM控制。一方面使交流輸入電流波形為正弦，且功率因數(shù)為1；另一方面實(shí)現(xiàn)能量向電網(wǎng)回饋，保證變頻器四象限運(yùn)行。除此之外，PWM整流電路還有助于減小直流環(huán)節(jié)濾波電容的容量，隨著電力半導(dǎo)體器件性能的不斷提高和價(jià)格的不斷下降，這種結(jié)構(gòu)會(huì)得到廣泛地推廣和應(yīng)用。

    （3）在變頻控制電路方面：現(xiàn)在變頻裝置幾乎已實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化控制，但控制技術(shù)的微電子數(shù)字化仍是今后的發(fā)展趨勢(shì)。變頻裝置的數(shù)字化技術(shù)是從20世紀(jì)80年代中期開(kāi)始逐步發(fā)展到16位、32位微處理器，目前普遍采用DSP。

    （4）矢量控制技術(shù)及直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)：矢量控制依然是高性能交流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的主流控制策略。它所包涵的關(guān)鍵技術(shù)有：控制理論和方法，如PWM技術(shù)，磁通的觀測(cè)，速度辯識(shí)，無(wú)速度傳感器控制；電機(jī)鐵損補(bǔ)償，參數(shù)辯識(shí)，參數(shù)變化的補(bǔ)償；主電路使用新型電力半導(dǎo)體器件，提高開(kāi)關(guān)頻率，改善電壓或電流波形，同時(shí)使用微電子技術(shù)所提供的DSP、CPU、ASIC等。

    直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)在低速范圍還存在著很多難題，尤其是定子電阻的辯識(shí)問(wèn)題，已經(jīng)成為它進(jìn)一步發(fā)展的障礙，困擾著各國(guó)的學(xué)者。對(duì)于矢量控制低速范圍已有了相應(yīng)的解決方法，這些對(duì)于直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的低速性能，具有重大的和現(xiàn)實(shí)的指導(dǎo)意義。實(shí)踐證明，已經(jīng)不可能從電機(jī)本身來(lái)完善直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)，必須另辟途徑?，F(xiàn)代控制理論的發(fā)展為交流調(diào)速電氣傳動(dòng)系統(tǒng)的控制提供了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)，各國(guó)學(xué)者也越來(lái)越多地把現(xiàn)代控制技術(shù)應(yīng)用于交流電機(jī)的調(diào)速控制中。直接轉(zhuǎn)矩控制作為一種新興的、更為先進(jìn)的技術(shù)，需要各種先進(jìn)的輔助技術(shù)作為支撐，各種新技術(shù)的推廣應(yīng)用給直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)注入新的活力，促進(jìn)它的不斷完善和發(fā)展。最近，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)已開(kāi)始應(yīng)用于直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)中，這是一個(gè)有益的嘗試，也是一個(gè)良好的開(kāi)端。將現(xiàn)代控制理論應(yīng)用于直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)的研究，無(wú)疑是這種新技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，也是當(dāng)前值得深入研究的課題。直接轉(zhuǎn)矩控制變頻器的商品化進(jìn)程將取得重大進(jìn)展。

    （5）PWM及多電平技術(shù)：消除機(jī)械和電磁噪音的最佳方法并不是盲目地提高工作頻率，隨機(jī)PWM技術(shù)可以提供一種新途徑。由于PWM逆變器的開(kāi)關(guān)損耗隨著功率和頻率的增加而迅速增加，因此，在高頻化和大功率方面還有大量工作。目前提高開(kāi)關(guān)頻率的一個(gè)方法是采用諧波技術(shù)及在此基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的軟開(kāi)關(guān)技術(shù)。在大功率裝置方面，除盡量采用優(yōu)化PWM模式外，多電平逆變器也越來(lái)越受人們的重視，此時(shí)開(kāi)關(guān)損耗問(wèn)題轉(zhuǎn)化為多管串聯(lián)的均壓?jiǎn)栴}。

    （6）以網(wǎng)絡(luò)配置為主的系統(tǒng)化

    變頻器的網(wǎng)絡(luò)化配置主要基于3個(gè)層面：設(shè)備層，控制層和信息層。其中變頻器作為執(zhí)行器，可以配接最基本的RS232/RS485串行通迅協(xié)議、Profibus等的現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議以及Internet局域網(wǎng)協(xié)議。針對(duì)不同的控制系統(tǒng)和不同的用戶要求，配置和選用不同的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。

    網(wǎng)絡(luò)化配置的變頻器具有以下顯著的特點(diǎn)：

    ●  高精度的頻率設(shè)定；

    ●  遠(yuǎn)程控制與工廠信息化的基本要素；

    ●  遠(yuǎn)程診斷系統(tǒng)。

    通過(guò)網(wǎng)絡(luò)設(shè)定頻率是一種高精度的頻率設(shè)定，其具有通迅速率高，穩(wěn)定可靠，接線簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，而且在模擬量控制時(shí)，輸出端經(jīng)過(guò)一個(gè)數(shù)模轉(zhuǎn)換器，經(jīng)過(guò)導(dǎo)線，進(jìn)入輸入端（變頻器）又經(jīng)過(guò)一個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器才能參與控制，兩個(gè)轉(zhuǎn)換器位數(shù)不同和導(dǎo)線損耗都可能造成一定誤差，而通迅?jìng)鬟f直接是數(shù)字量不需要轉(zhuǎn)換，沒(méi)有誤差，在傳輸過(guò)程中不會(huì)造成損耗，而且響應(yīng)速度也會(huì)很高。

    變頻器經(jīng)常被用于系統(tǒng)復(fù)雜、工作環(huán)境惡劣、高負(fù)荷、長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行的工況中，如無(wú)人值守泵站、油田磕頭機(jī)等。變頻器故障率在這種環(huán)境中自然比較高，一般都采取事后維修的方式進(jìn)行，隨著電子技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的維修方式將變?yōu)楣收项A(yù)報(bào)和整機(jī)在線維修。有必要對(duì)其實(shí)現(xiàn)在線工作狀態(tài)的監(jiān)測(cè)以及常規(guī)故障機(jī)理的綜合分析研究，以便對(duì)其故障的事先診斷分析。目前大功率變頻器的故障診斷、遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)及智能控制方面取得了較大的進(jìn)展，并已經(jīng)投入實(shí)際運(yùn)行。

    在網(wǎng)絡(luò)化日益普及的今天，與普通的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)硬線連接方式而言，通過(guò)高速通迅連接的變頻器系統(tǒng)可以最大程度上降低系統(tǒng)維護(hù)時(shí)間、提高生產(chǎn)效率、減少運(yùn)行成本。目前安裝的現(xiàn)場(chǎng)總線模塊有Profibus  DP、Interbus、DeviceNet、CAN Open和Modbus Plus等。用戶可以有更大的自由根據(jù)生產(chǎn)過(guò)程來(lái)選擇PLC型號(hào)和品牌，并非常簡(jiǎn)單地集成到現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)中去。而且通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線模塊，可以不考慮變頻器的型號(hào)，而以同一種語(yǔ)言來(lái)與不同功率段、不同型號(hào)的變頻器進(jìn)行組構(gòu)，如功率、速度、轉(zhuǎn)矩、電流、設(shè)定值等。

    由于采用了通迅方式，可以通過(guò)PC機(jī)來(lái)方便地進(jìn)行組態(tài)和系統(tǒng)維護(hù)，包括上傳、下載、復(fù)制、監(jiān)控、參數(shù)讀寫(xiě)等。

    （7）與同步電機(jī)的配合應(yīng)用

    交流同步電動(dòng)機(jī)已成為交流可調(diào)速傳動(dòng)中的一顆新星，特別是永磁同步電動(dòng)機(jī)。電機(jī)是無(wú)刷結(jié)構(gòu)，功率因數(shù)高、效率也高，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速嚴(yán)格與電源頻率保持同步。同步電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)有他控變頻和自控變頻兩大類，自控變頻同步電機(jī)在原理上和直流電機(jī)極為相似，用電力電子變流器取代了直流電機(jī)的機(jī)械換向器，如采用交-直-交變壓變頻器時(shí)叫做“直流無(wú)換向器電機(jī)”或稱“無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)”。傳統(tǒng)的自控變頻同步機(jī)調(diào)速系統(tǒng)有轉(zhuǎn)子位置傳感器，現(xiàn)正開(kāi)發(fā)無(wú)轉(zhuǎn)子位置傳感器的系統(tǒng)，且已經(jīng)取得重大進(jìn)步和在市場(chǎng)的成功應(yīng)用。同步電機(jī)的他控變頻方式也可采用矢量控制，其按轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向的矢量控制比異步電機(jī)更為簡(jiǎn)單。

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作者信息：

    徐甫榮   國(guó)家電力公司熱工研究院   

    陳輝明   深圳市微能科技有限公司