PWM电机变频调速

在工艺调速中，正在发展的调速方式是直接转矩控制的变频调速。直接转矩控制避免了复杂矢量变换运算，直接由定子空间矢量分析三相电动机的数学模型，并决定其控制量。它强调的不是获得理想的正弦波形，而是转矩的直接控制效果。因此，它的PWM波形直接由转矩决定，其准确性和快速性比矢量控制更优越，必将获得广泛应用[3]。
交流电机的节能调速，应用量很大。我国目前发电总量的63%是用于电机，其中风机、水泵就占31%。若都采用节能调速可节电30%~40%[4]。其节电效果是很可观的。一般中小功率的风机、水泵直接用通用变频器。我国大多数大型风机水泵所用电动机都是3000~6000V的中压电机，变频调速难以用到这个电压段，只待IGCT变频器的发展。在这一电压段的节能调速多采用线饶式异步电机的串调或双馈调速[1]，因转子电压低容易与器件的电压匹配。但线饶式异步电机有滑环，维修麻烦，也不受欢迎。现在国外在开发一种无刷双馈电机，它有两套定子绕组，一套接中压电网，另一套为控制绕组，相当于线饶式异步电机的转子绕组，接串调或双馈装置实现调速，效果很好，可能成为理想的中压节能调速方案。
目前的变频器多数是在60Hz以下运行,最高不超过100Hz,远没有发挥变频器的作用。如果将电机的频率提高到250Hz，不仅发挥了变频器的作用，同时也扩大了电机最高转速，提高了调速范围，使电气传动技术获得很大进步。
4变频技术在电源中的应用
大家都知道用电设备的体积与它的电源频率成反比。过去的直流电源是通过市电整流滤波后得到，因此体积很大。但若利用变频技术，将直流变成高频交流，然后再整流成直流，即所谓DC-DC变换，这样就可极大地减小体积。以直流电焊机为例，一台300kg的电焊机，若用IGBT作成变频电焊机，效率可达85%，体积仅为30kg。
此外，变频技术在自动真空吸尘器、剃须刀、电饭锅、电磁灶、彩电等家电产品也获得了重要的应用。
7变频技术的发展方向
（1）交流变频向直流变频方向转化
直流变频是以数字转换电路代替交流变频中的交流转换电路，使负载电机始终处于最佳运行状态。它摒弃了交流变频技术的交流－直流－交流－变转速方式交流电机的循环工作方式，采用先进的交流－直流－变转速方式数字电机的控制技术，无逆变环节，因而减少电流在工作中转变次数，使电能转化效率大大提高，能够实现精确控制，平稳安静高效地运转。同时，避免了交流变频电机电磁噪声较大的缺点，噪声更加低。
据了解，日本作为变频空调的强国，从80年代初就开始将VVVF变频调速技术用于压缩机电机的控制，目前，变频空调已占其市场的90％左右。与此同时，变频空调在我国发展相当快，仅仅不到8年时间，就达到与日本先进水平同步。如我国的海尔集团从1993年开始生产变频空调，从最初的单转子变频压缩机技术发展到今天的运用直流变频加PAM技术，将我国的变频技术带到了一个更高的发展层次，带动了我国变频技术的全面提升。目前，海尔变频空调已经有了8个系列968种产品，是目前我国变频空调规模最大的生产基地。
电动机的调速分工艺调速和节能调速两大类。工艺调速指生产工艺要求的调速，例如，轧钢机、造纸机、矿井卷扬机、机床、电梯等。这类调速的指标较高，即要求有宽的调速范围，小的静差率，快的动态响应。目前这类调速多采用变频变压（VVVF）的矢量控制方式。市场上出售较高档次的变频器一般都具有这种功能。调速要求较低的场合，也可采用V/F等于常值的电压频率协调控制方式。不论采用何种方式，目前技术都很成熟。人们关注的是装置的小型化、智能化及免维修等功能。此外，设置网络通讯和多机协调运转功能，也是发展的方向。随着网络技术的发展，电机的调速将与企业的生产管理结合起来，国外已经实现以网络方式控制，国内正在研究、推广应用。
（2）变频空调
变频空调是空调发展的大趋势，与普通空调相比，变频空调在舒适性、静音、恒温以及高效运转、延长使用寿命等方面有显著优势。当提高频率时，压缩机便高速旋转，输出功率增大。反之，降低频率时，压缩机的输出功率减少。因此，变频空调可根据不同的室内环境状况，以最合适的输出功率进行运转。而传统的定速机种，则依靠其不断地“开、停”来调整室内湿度，其一开一停之间容易造成室温或冷或热，并消耗较多能量。变频空调则依靠压缩机转速的快慢达到控制室温的目的，因而室温波动小，电能消耗少，其舒适度大大提高。而运用变频控制技术的变频空调，可根据环境温度自动选择制热、制冷和除湿运转方式，使居室在短时间内迅速达到所需要的温度并在低转速、低能耗下以较小的温差波动，实现快速、节能和舒适的控温效果。
各种新能源(例如太阳能、风能和潮汐能等)都离不开变频技术。总之,变频技术应用十分广泛，它促进了其他技术的进步，其他技术的进步也带动了变频技术的发展。
5变频调速原理
前已所述，异步电机的变频调速原理主要是通过改变电源频率来进行的。这一功能通常是通过变频器来实现的，变频器一般由整流器、滤波器、驱动电路、保护电路以及控制器（MCU／DSP）等部分组成。首先是将单相或三相交流电源通过整流器并经电容滤波后形成幅值基本固定的直流电压加在逆变器上，利用逆变器功率元件的通断控制，使逆变器输出端获得一定形状的矩形脉冲波形。在这里，通过改变矩形脉冲的宽度控制其电压幅值；通过改变调制周期控制其输出频率，从而在逆变器上同时进行输出电压和频率的控制，而满足变频调速对U/f的协调控制的要求。PWM的优点是能消除与抑制低次谐波，使负载电机在近似正弦波的交变电压下运行，转矩脉冲小，调速范围宽。近年来带驱动和保护电路的智能功率模块（IPM）相继面市。IPM是将三相逆变IGBT、驱动电路以及保护电路集成在一块芯片上，它的出现推动了变频家电市场的启动和发展。新型IPM模块甚至将开关电源也设计在模块内，更加方便用户使用，用户只需要了解接口电路和定义，很快可以组成运行系统
用于开关电源和电焊机电源的变频技术，主要追求高的开关频率。中功率段多用IGBT;小功率要用MOSFET，频率可达100MHz以上。高的开关频率带来高的开关损耗，为此，必须采用软开关技术。目前用软开关技术开发的开关电源频率达10MHz，功率密度达7.32W/cm3，效率达90%。
3变频技术在交流调速中的应用
（3）功率器件向高集成智能功率模块发展
虽然单个功率器件的效率越来越高，控制简化，但电的复杂性给生产和测试带来不便。智能功率模块（IPM）是将功率器件的配置、散热乃至驱动问题在模块中解决，因而易于使用，可靠性高。以变频空调为例，我国的变频空调几乎100％采用IPM方式。
（2）控制技术由PWM（脉宽调制）向PAM（脉幅调制）方向发展
采用PWM控制方式的电机转速受到上限转速的限制。如对压缩机来讲，一般不超过7000r/min。而采用PAM控制方式的压缩机转速可提高1.5倍左右，这样大大提高了快速制冷和制热能力。同时，由于PAM在调整电压时具有对电流波形的整形作用，因而可以获得比PWM更高的效率。此外，在抗干扰方面也有着PWM无法比拟的优越性，可抑制高次谐波的生成，减小对电网的污染。
2 变频调速的类型及发展现状
所谓变频就是利用大功率电子器件(如功率晶体管GTR、绝缘栅双极型功率晶体管IGBT)将380V、50Hz的市电变换为用户所要求的交流电源或其他电源。它分为直接变频（或交-交变频），即把市电直接变成比它频率低的交流电，大量用在大功率的交流调速中；间接变频（或交-直-交变频），即先将市电整流成直流，再变频为要求频率的交流，它又分为谐振变频和方波变频。前者主要用于中频加热。方波变频又分为等幅等宽和SPWM变频。变频电焊机和开关电源采用等幅等宽变频。交流调速要求变频器的输出尽可能接近正弦波，所以多采用SPWM变频，目前这方面的技术已很成熟。常用的方法有正弦波（调制波）与三角波（载波）比较的SPWM法、磁场跟踪式SPWM法、消除特定谐波的SPWM法、电流（电压）跟踪型SPWM法和等面积SPWM法等。在控制上都用16位或32位微机。8X196MC单片机是专为变频调速开发的，目前应用很广泛。电力电子器件多用IGBT，最大视在功率可达540kVA，能驱动485kW的电机，但一般是用在300kW以下的中、小功率段。IGBT允许的开关频率可达几十千赫兹，在通用变频器中，一般不追求过高的开关频率，常用8kHz以下。对一般工业用变频器3kHz较好[1]。对于2000kW以上变频器，要么采用器件串并联，要么采用多重化技术，但技术难度大。在这一功率段多用交-交变频器。近来开发了一种IGCT（集成门极换相晶闸管），它的电流、电压和通态压降与GTO相同，而开关频率和触发功率与IGBT相当，是开发大功率、中电压的理想变频器件[2]。目前在开发中、小功率,频率400Hz以上的单、三相正弦波电源上，还存在技术难题，有待进一步研究。
正文
第一章、变频技术及其应用
1 引言
变频技术是电力电子技术的主要组成部分，它主要应用在交流电机的调速和供电电源两个领域。因为交流电机特别是鼠笼式异步电机具有结构简单、牢固、制造容易、运行环境不受限制、免维修等使用上的优点，加之转速快、电压高、功率大、转动惯量小等性能上的优点，倍受用户青睐。变频技术的产生与发展为交流调速开拓了广阔的天地，国外交流调速在电气传动行业内已占绝对优势，国内虽然直流调速还在大量使用，但进年来凡新建来自百度文库电气传动系统均采用交流调速，其发展势头是迅速的。变频技术主要表现在两个方面:①将过去用发电机、变压器产生交流电源的地方(如中频电源、不停电电源等)用变频电源取代;②将计算机、电焊机、电子装置等用直流电源的地方改为以变频技术为核心的开关电源。变频技术在电源中的应用，极大地减小了电源装置的体积，提高了效率，产生了巨大的经济效益。
提高频率的结果会增加开关损耗，因而必须发展各种软开关技术，即电压或电流过零开断技术。国外已有产品出售，国内正在研究。此外，频率提高，磁性材料又是大家关注的问题，要求高频损耗小，磁通密度高的磁性材料。由于软开关技术的成功，目前电子装置的电源体积已很小。为了满足1.5V供电的新一代计算机的需要，国内外正在开发1.5V、200A开关电源模块，将它直接放在主板上。这为减小计算机的体积，提供了技术支持。在高频电源方面，国外用功率MOSFET制造出了1000kW/15~600kHz（比利时）、用SIT（静电感应晶闸管）制造出了1000kW/200kHz和400kW/400kHz(日本)的高频电源。
与变频调速有两个相关的问题是大家非常重视的。一是谐波治理，二是将变频器与电机结合开发机电一体化产品。由于大量应用变频器给电网带来严重的谐波污染，必须设法解决。用变频技术产生与谐波频率、幅值相同而方向相反的电压波，去抵消谐波是解决该问题较好方法。变频器与传统的电机结合使用存在很多问题，一是低速的出力问题，传统的电机未考虑调速，其温升是按额定速度设计的，当电机在低速下运行时，出力就不够。因此，当选用通用电机调速时，容量要选大一点，或者加强电机的冷却。第二个问题是谐波影响和高dv/dt易使电机的端部过电压。通用电机是按正弦波设计的,而变频器的输出必然含有很多高次谐波，对电机的运行不利。解决的办法是开发方波型电机，也就是将变频器与电机结合，开发机电一体化产品，是变频调速的一个发展方向[5]。
6变频家电
（1）变频洗衣机
变频波轮式洗衣机于90年代初最先由日本三菱公司推出，随后新西兰公司也推出了变频搅拌式洗衣机。目前欧洲和日本正在研制变频滚筒式洗衣机。变频洗衣机具有三大特点：一是提高洗衣效果。由于采用直接驱动式变频电机，其洗涤、脱水速度可调，可以针对不同衣物的质地确定不同的洗涤脱水速度。同时，在洗涤桶和波轮低速转动时也能产生大转矩。采用电磁制动器，可实现反向高速转动。同时可根据洗涤物的种类、数量、脏污程度，选择水流，使衣物的洗净率和磨损率达到最佳效果。二是节能。变频洗衣机效率高，过去的洗衣机电机的效率仅为40％－50％，而直流变频洗衣机的效率可达到80％以上，从而实现节约能源。三是噪声低、振动小。这是因为直流变频电机的电磁噪声要小于单相感应电机，同时改机械传动为直接传动，使齿轮、皮带、电磁噪声还脱水振动得到有效控制。如日本夏普公司开发的ES－A80E型变频洗衣机。其洗涤噪声为28dB。脱水噪声为40dB，脱水振动减少一半，与8年前该公司的ES－B55机型相比，现在的ES－A80E机型的耗电约为老机型的三分之一。