变频调速技术的现状与发展(王经纬)

变频调速技术的现状与发展

王经纬

（山东大学控制科学与工程学院，山东济南 250002）

摘要：变频调速以其优异的调速和启制动性能，高效率、高功率因数和节能效果，广泛的适用范围及其他许多优点，已成为高性能交流调速领域中世界各国备受关注和重点发展的技术之一。本文概述了其行业现状和未来发展趋势，重点论述了其优势及其发展历史、国内外现状、控制方式、未来发展方向及今后应做的工作。

关键字：变频调速系统；矢量控制；PWM技术

0引言

20世纪70年代以来，随着电力电子技术和控制理论的高速发展，交流电机变频调速技术取得了突破性的进展。变频调速以其优异的调速和启制动性能，高效率、高功率因数和节能效果，广泛的适用范围及其他许多优点而被国内外公认为最有发展前途的调速方式，是当今节能、改善工艺流程以提高产品质量和改善环境，推动技术进步的一种主要手段。目前，国内变频调速系统的研究非常活跃，但是在产业化方面还不是很理想，市场的大部分份额还是被国外公司所占据。因此，加快国内变频调速系统的发展以及如何站在高起点上结合我国国情开发我国自己的产品都具有十分积极的意义，这就需要对国际变频调速技术的现状和发展趋势有一个全面、深入的了解。

1变频调速技术的优势及其发展历史

1.1变频调速技术的优势

电气传动控制系统通常由电动机、控制装置和信息装置3部分组成。它分成不调速和调速两大类，调速又分交流调速和直流调速两种方式。不调速电动机直接由电网供电，但随着电力电子技术的发展这类原本不调速的机械越来越多地改用调速传动以节约电能（节约15%～20%或更多），改善产品质量，提高产量。近年来交流调速中最活跃、发展最快的就是变频调速技术。变频调速是交流调速的基础和主干内容。变频调速主要有如下一些优点：①调速范围宽，可以使普通异步电动机实现无级调速；②启动电流小，而启动转矩大；③启动平滑，消除机械的冲击力，保护机械设备；④对电机具有保护功能，降低电机的维修费用；⑤具有显著的节电效果；⑥通过调节电压和频率的关系方便地实现恒转矩或者恒功率调速。

1.2变频调速技术发展历史

交流变频调速理论最初诞生20世纪20年代，直到60年代，由于电力电子器件技术的进步，才促进了变频调速技术向实用方向发展。70年代席卷工业发达国家的石油危机，促使其投入大量的人力、物力、财力去研究高效率的变频器，使变频技术有了很大发展并得到推广应用。80年代，变频器已经产品化，性能也不断提高，并开始被应用于工业各部门。进入9 0年代，由于新型电力电子器件如I G B T 、I G C T等的发展及性能的提高、微型计算机技术（DSP）的发展，

以及先进控制理论的发展和完善（如磁场定向矢量控制、直接转矩控制）等原因，极大地提高了变频调速技术的技术性能，促进了变频调速技术的发展，使变频器在调速范围、驱动能力、调速精度、动态响应、输出性能、功率因数、运行效率及使用的方便性等方面大大超过了其他常规交流调速方式，其性能指标亦已超过直流调速系统，达到取代直流调速系统的地步。目前，交流变频调速以其优异的性能而深受各行业的普遍欢迎，在电力、轧钢、造纸、化工、水泥、煤炭、纺织、铁路、食品、船舶、机床等传统工业的改造中和航天航空等高新技术的发展应用中无不看到变频调速技术的踪影，变频调速技术取得了显著的经济效益。

2国内外技术现状对比

2.1国外现状

在大功率交-交变频调速技术方面，法国阿尔斯通已能提供单机容量达3万千瓦的电气传动设备用于船舶推进系统。在大功率无换向器电机变频调速技术方面，意大利ABB公司提供了单机容量为6万千瓦的设备用于抽水蓄能电站。在中功率变频调速技术方面，德国西门子公司Simovert A电流型晶闸管变频调速设备单机容量为10～2600kVA，Simovert P GTO PWM 变频调速设备单机容量为100～900 kVA，其控制系统已实现全数字化，用于电力机车、风机、水泵传动。

国外变频调速技术有以下特点：①功率器件的发展。近年来高电压、大电流的SCR、GTO、IGBT、IGCT等器件的生产以及串、并联技术的发展应用，使高抵押、大功率变频器的生产及应用成为现实；②控制理论和微电子技术的发展。矢量控制、磁通控制、转矩控制等新的控制理论为高性能的变频器提供了理论基础；16/32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；③市场的大量需求。随着工业自动化程度的不断提高和全球性能源短缺，变频器越来越广泛地应用在机械、纺织、化工、造纸、冶金等各个行业，取得显著的经济效益。

2.2国内现状

从总体上看，我国电气传动的技术水平落后国际先进水平10～20年。在大功率交-交、无换向器电机等变频技术方面，国内只有少数科研单位有能力制造，但在数字化及系统可靠性方面与国外还有相当差距。在中小功率变频技术方面，国内几乎所有的产品都是普通的v/f 控制，仅有少量的样机采用矢量控制，品种与质量还不能满足市场需要，每年大量进口。

国内变频调速技术产业状况如下：①变频器的整体技术落后，国内虽有很多单位投入了一定的人力、物力，但由于力量分散，并没有形成一定的技术和生产规模；②变频器产品所用半导体功率器件的制造业几乎是空白；③产销量少，可靠性及工艺水平不高。

3变频调速中的控制技术

3.1矢量控制技术

1969年德国Darmstadt技术大学的K.Hasse博士在他的博士论文中提出了矢量控制的基本思想，后又于1971年由德国西门子公司的F.Blaschke工程师将这种一般化的概念形成系统理论，并以磁场定向控制（Field Orientation Control）的名称发表，由此开创了交流电机等效直流电机控制的先河。矢量控制的基本点

是控制转子磁链，以转子磁通定向，然后分解定子电流，使之成为转矩和磁场两个分量，经过坐标变换实现正交或解耦控制。迄今为止，矢量控制无论是在理论和技术方面，还是在产品化方面已经获得了长足的发展和优良的业绩。但是，由于转子磁链难以准确观测，以及矢量变换的复杂性，使得实际控制效果往往难以达到理论分析的效果。此外，它必须直接或间接地得到转子磁链在空间上的位置才能实现定子电流解耦控制，在这种矢量控制系统中需要配留转子位置或速度传感器，这给许多应用场合带来不便。尽管如此，矢量控制技术仍然在努力融入通用型变频器中，1992年，西门子开发了6SE70通用型系列，通过FC、VC、SC 板可以分别实现频率控制、矢量控制、伺服控制。1994年将该系列扩展至315kW 以上。其后，随着现代控制理论、微电子技术和电力电子技术的不断发展和应用，经过20年的努力，矢量控制的交流传动系统已经进入了高精度的伺服控制领域。

3.2无速度传感器矢量控制技术

无速度传感器矢量控制策略从1983年被提出以来，一直受到学术界和产业界的高度重视，日立、安川电机等公司于1987年分别发表了研究成果，并相继推出了产品。无速度传感器矢量控制变频器既具有矢量控制高性能的优点，又具有通用变频器没有速度传感器的长处。在进行矢量控制时如何获得速度信号是无速度传感器矢量控制技术的技术关键。无速度传感器控制系统获得速度信号的方法是用直接计算、参数辨识、状态估计、间接测量等手段，根据电动机定子较易测量的定子电压、电流计算出与速度有关的量，从而得到转子速度，并将其用于速度反馈系统之中。常用的方法有：利用电动机的基本方程式（静态和动态）导出速度的方程式进行计算；根据模型参考自适应控制的理论，选择合适的参考模型和可调整模型，利用自适应算法辨识出速度；利用电动机的齿谐波电动势计算速度等。目前，无速度传感器矢量控制变频器的调速范围为1:120左右，个别厂商有1:200甚至更高的产品。

3.3直接转矩控制技术

直接转矩控制( DTC，Direct Torque Control) 系统，是继矢量控制系统之后发展起来的另一种高动态性能的交流电动机变压变频调速系统。1985年由德国鲁尔大学Depenbrock教授提出。直接转矩控制是基于在定子坐标系下（αβ坐标系）建立的交流电动机数学模型，直接控制电动机的磁链和转矩，并用定子磁链定向代替转子磁链定向。直接转矩控制强调的是转矩的直接控制效果，因此它并不强调获得理想的正弦波波形，而是采用电压空间矢量和近似圆形磁链轨迹的概念。控制上对除定子电阻外的所有电机参数变化鲁棒性良好。所引入的定子磁链观测器能很容易估算出同步速度信息，因而能方便地实现无速度传感器化，即无速度传感器直接转矩控制。但这种控制依赖于精确的电机数学模型和对电机参数的自动识别。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ACS600直接转矩控制系列，已达到<2ms 的转矩响应速度和±0.01%（带PG），±0.1%（无PG）的速度控制精度。安川公司推出的VS-676H5高性能无速度传感器矢量控制系列，虽与直接转矩控制还有差别，但也已做到了100ms的转矩响应和±0.2%（无PG），±0.01%（带PG）的速度控制精度。日本富士电机推出的FRN 5000G9/P9以及最新的FRN

5000Gll/P11系列，都采取了类似无速度传感器控制的设计，性能有了进一步提高，然而变频器的价格并不比以前的机型昂贵多少。

3.4PWM控制技术

PWM技术是变频技术的核心技术。1964年由A Schonung和H stemmler 首