一文了解交流調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)

隨著電力電子器件的發(fā)展，以及對(duì)效率的追求，交流調(diào)速得到快速發(fā)展，加上新技術(shù)、新理論不斷滲透到交流調(diào)速之中，使其不斷呈現(xiàn)新的面貌。本文主要介紹交流調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)，首先介紹了現(xiàn)代交流調(diào)速技術(shù)的發(fā)展，其次介紹了現(xiàn)代交流調(diào)速系統(tǒng)的類(lèi)型及交流調(diào)速系統(tǒng)之國(guó)內(nèi)外發(fā)展，最后闡述了交流調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)，具體的跟隨小編一起來(lái)了解一下。

一、現(xiàn)代交流調(diào)速技術(shù)的發(fā)展

現(xiàn)代交流調(diào)速的法陣可分為幾個(gè)階段20 世紀(jì)60 年代中期，德國(guó)的ASchonung 等人率先提出了脈寬調(diào)制變頻的思想，他們把通信系統(tǒng)中的調(diào)制技術(shù)推廣應(yīng)用于變頻調(diào)速中，為現(xiàn)代交流調(diào)速技術(shù)的發(fā)展和實(shí)用化開(kāi)辟了新的道路。從此，交流調(diào)速理論及應(yīng)用技術(shù)大致沿下述四個(gè)方面發(fā)展。

（1）電力電子器件的蓬勃發(fā)展

電力電子器件是現(xiàn)代交流調(diào)速裝置的支柱，其發(fā)展直接決定和影響交流調(diào)速技術(shù)的發(fā)展。迄今為止，電力電子器件的發(fā)展經(jīng)歷了分立換流關(guān)斷器件（第一代）→自關(guān)斷器件（第二代）→功率集成電路PIC （第三代）→智能模塊IPM （第四代）四個(gè)階段。

20 世紀(jì)80 年代中期以前，變頻裝置功率回路主要采用晶閘管元件。裝置的效率、可靠性、成本、體積均無(wú)法與同容量的直流調(diào)速裝置相比。

20 世紀(jì)80 年代中期以后用第二代電力電子器件GTR （Giant Transistor）、GTO （Gate TurnOff thyistor）、VDMOS-IGBT（Insulated GateBipolar Transis2 tor） 等創(chuàng)造的變頻裝置在性能與價(jià)格比上可以與直流調(diào)速裝置相媲美。隨著向大電流、高電壓、高頻化、集成化、模塊化方向繼續(xù)發(fā)展，第三代電力電子器件是20 世紀(jì)90 年代制造變頻器的主流產(chǎn)品，中、小功率的變頻調(diào)速裝置（1-100kw） 主要是采用IGBT，中、大功率的變頻調(diào)速裝置（1000-10000kw） 采用GTO 器件。

20 世紀(jì)90 年代至今，電力電子器件的發(fā)展進(jìn)入了第四代。主要實(shí)用的第四代器件為：

（1）高壓IGBT 器件

（2） IGCT （Insulated Gate Controlled。由于GTR、GTO 器件本身存在的不可克服的缺陷，功率器件進(jìn)入第三代以來(lái)，GTR 器件已被淘汰不再使用。

進(jìn)入第四代后，GTO 器件也將被逐步淘汰。第四代電力電子器件模塊化更為成熟。如智能化模塊IPM、專(zhuān)用功率器件模塊ASPM 等。模塊化功率器件將是21世紀(jì)主宰器件。需要指出的是，以上所述的全控型開(kāi)關(guān)功率器件主要應(yīng)用于異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)中，其原因眾所周知。但是目前同步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)中仍采用晶閘管，其原因也是眾所周知的。一代電力電子器件帶來(lái)一代變頻調(diào)速裝置，性?xún)r(jià)比一代高過(guò)一代。在人類(lèi)社會(huì)進(jìn)入信息化時(shí)代后，電力電子技術(shù)連同電力傳動(dòng)控制與計(jì)算機(jī)技術(shù)一起仍是21世紀(jì)最重要的兩大技術(shù)。電壓或電流中的諧波分量，從而降低或消除了變頻調(diào)速時(shí)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，提高了電機(jī)的工作效率，擴(kuò)大了調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速范圍。

（2）脈寬調(diào)制（PWM）技術(shù)

脈寬調(diào)制（PWM） 技術(shù)種類(lèi)很多，并且正在不斷發(fā)展之中?；旧峡煞譃樗念?lèi)，即等寬PWM 法、正弦PWM 法（SPWM）、磁鏈追蹤型PWM 法及電流跟蹤型PWM 法。PWM 技術(shù)的應(yīng)用克服了相控原理的所有弊端，使交流電動(dòng)機(jī)定子得到了接近正弦波形的電壓和電流，提高了電機(jī)的功率因數(shù)和輸出功率。現(xiàn)代PWM 生成電路大多采用具有高度輸出口HSO 的單片機(jī)（如80196） 及數(shù)字信號(hào)處理器DSP （DigitalSignal Processor），通過(guò)軟件編程生成PWM。近年來(lái)，新型全數(shù)字化專(zhuān)用PWM 生成芯片HEF4752 SLE4520 MA818 等達(dá)到實(shí)用化，并已實(shí)際應(yīng)用。

（3） 矢量變換控制技術(shù)及直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)

眾所周知，直流電動(dòng)機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)具有優(yōu)良的靜、動(dòng)態(tài)調(diào)速特性，其根本原因在于作為控制對(duì)象的他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩能夠容易而靈活地進(jìn)行控制。而交流電動(dòng)機(jī)是個(gè)多變量、非線性、強(qiáng)藕合的被控對(duì)象，作為變頻系統(tǒng)的控制對(duì)象一 它是否可以模仿直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩控制規(guī)律而加以控制呢。1975 年，德國(guó)學(xué)者F Blaschke 提出了矢量變換控制原理，成功地解決了交流電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩的有效控制，在定向于轉(zhuǎn)子磁通的基礎(chǔ)上，采用參數(shù)重構(gòu)和狀態(tài)重構(gòu)的現(xiàn)代控制理論概念實(shí)現(xiàn)了交流電動(dòng)機(jī)定子電流的勵(lì)磁分量和轉(zhuǎn)矩分量之間的解藕，實(shí)現(xiàn)了將交流電動(dòng)機(jī)的控制過(guò)程等效為直流電動(dòng)機(jī)的控制過(guò)程，在理論上實(shí)現(xiàn)了重大突破，從而使得交流調(diào)速的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)性能完全可能同直流傳動(dòng)系統(tǒng)相媲美。矢量控制的關(guān)鍵是靜止坐標(biāo)軸與旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)軸系之間的坐標(biāo)接轉(zhuǎn)矩控制也是一種很有前途的控制技術(shù)。目前，采用IG2 BT、IGCT 的直接轉(zhuǎn)矩控制方式的變頻調(diào)速裝置已廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)及交通運(yùn)輸部門(mén)中。

（4） 微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù)

隨著微機(jī)控制技術(shù)，特別是以單片微機(jī)及數(shù)字信號(hào)處理器DSP 為控制核心的微機(jī)控制技術(shù)的迅速發(fā)展，現(xiàn)代交流調(diào)速系統(tǒng)的控制回路由模擬控制迅速走向數(shù)字控制。當(dāng)今模擬控制器已被淘汰，全數(shù)字化的交流調(diào)速系統(tǒng)已普遍得到應(yīng)用。數(shù)字化使得控制器對(duì)信息處理能力大幅度提高，許多難以實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜控制，如矢量控制中的復(fù)雜坐標(biāo)變換運(yùn)算、解藕控制、滑模變結(jié)構(gòu)控制、參數(shù)辨識(shí)的自適應(yīng)控制等，采用微機(jī)控制器后便都解決了。高性能的矢量控制系統(tǒng)如果沒(méi)有微機(jī)的支持是不可能真正實(shí)現(xiàn)的。此外，微機(jī)控制技術(shù)又給交流調(diào)速系統(tǒng)增加了多方面的功能，特別是故障診斷技術(shù)得到了完全的實(shí)現(xiàn)。

微機(jī)控制技術(shù)的應(yīng)用提高了交流調(diào)速系統(tǒng)的可靠性和操作、設(shè)置的多樣性和靈活性，降低了變頻調(diào)速裝置的成本和體積。以微處理器為核心的數(shù)字控制已成為現(xiàn)代交流調(diào)速系統(tǒng)的主要特征之一。用于交流調(diào)速系統(tǒng)的微處理器的發(fā)展經(jīng)歷了單片機(jī)（MCS）一數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）-精簡(jiǎn)指令集計(jì)算機(jī)（ReducedInstruction Set ComputerRISC） 三個(gè)階段。

二、現(xiàn)代交流調(diào)速系統(tǒng)的類(lèi)型

現(xiàn)代交流調(diào)速系統(tǒng)由交流電動(dòng)機(jī)，電力電子功率交換器，控制器和檢測(cè)器等四大部分組成。電力電子功率變換器，控制器，電量檢測(cè)器集中于一體，稱(chēng)為變頻器（變頻調(diào)速裝置）。交流電機(jī)的不同，繁衍出不同的交流調(diào)速系統(tǒng)。因此現(xiàn)代交流調(diào)速系統(tǒng)可分為異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)和同步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)。目前較為常用的三種方案，他們是異步電動(dòng)機(jī)交流調(diào)速系統(tǒng)：

（1）異步電動(dòng)機(jī)交流調(diào)速系統(tǒng)。

（2）開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的交流調(diào)速系統(tǒng)

（3）同步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)。

三、交流調(diào)速系統(tǒng)之國(guó)內(nèi)外發(fā)展

長(zhǎng)期以來(lái)，我國(guó)的傳動(dòng)技術(shù)特別是交流調(diào)速技術(shù)與國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家存在著較大的差距，但自改革開(kāi)發(fā)以來(lái)，這一技術(shù)得到了迅速的發(fā)展，并以極快的速度趕了上來(lái)。

我國(guó)在應(yīng)用變頻調(diào)速技術(shù)上目前雖說(shuō)尚處于初級(jí)階段，但其發(fā)展速度逐年增長(zhǎng)較快，國(guó)家已將該項(xiàng)技術(shù)列為“八五”重點(diǎn)攻關(guān)和推廣項(xiàng)目。這將加快交流調(diào)速在我國(guó)的普及應(yīng)用。目前國(guó)內(nèi)變頻調(diào)速技術(shù)產(chǎn)業(yè)狀況如下：

（1）變頻器的控制策略的基礎(chǔ)研究與國(guó)外差距不大;

（2）變頻器的整體技術(shù)落后，國(guó)內(nèi)雖有很多單位投入了一定的人力、物力、但由于力量分散， 并沒(méi)有形成一定的技術(shù)和生產(chǎn)規(guī)模;

（3）變頻器產(chǎn)品所用的半導(dǎo)體功率器件的制造業(yè)幾乎是空白;

（4）相關(guān)配套產(chǎn)業(yè)及行業(yè)落后;

（5）產(chǎn)銷(xiāo)量少，可靠性及工藝水平不高。

交流變頻調(diào)速技術(shù)在工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)已得到廣泛應(yīng)用。美國(guó)有60%- 65%的發(fā)電量用于電機(jī)驅(qū)動(dòng)，由于有效地利用了變頻調(diào)速技術(shù)，僅工業(yè)傳動(dòng)用電就節(jié)約了15%一20%的電量。國(guó)外在高性能大容量交流電機(jī)傳動(dòng)技術(shù)的研究和應(yīng)用上遠(yuǎn)遠(yuǎn)走在我們前面，已有更高級(jí)別的高壓逆變器產(chǎn)品大量投入市場(chǎng)，并應(yīng)用于電力機(jī)車(chē)、船艦電力推進(jìn)、軋鋼、造紙及供水等系統(tǒng)中，交流電機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)及其產(chǎn)品已成為一些工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家的先導(dǎo)產(chǎn)業(yè)。目前，國(guó)外先進(jìn)的工業(yè)國(guó)家生產(chǎn)直流傳動(dòng)的裝置基本呈下降趨勢(shì)，而交流變頻調(diào)速裝置的生產(chǎn)大幅度上升。以日本為例，1975 年在調(diào)速領(lǐng)域，直流占80%，交流占20%; 1985 年交流占80%，直流占20%。到目前為止，日本除了個(gè)別的地方還繼續(xù)采用直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)外，幾乎所有的調(diào)速系統(tǒng)都采用交流變頻裝置。發(fā)達(dá)國(guó)家依靠他們強(qiáng)大的科技實(shí)力把變頻技術(shù)推向小型化、高可靠性、 抗公害、多功能、高性能等方向發(fā)展。

四、交流調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)

1、高性能化。產(chǎn)品將普遍采用矢量控制技術(shù)，提高調(diào)速性能，達(dá)到和超過(guò)直流調(diào)速系統(tǒng)水平。矢量變換控制是一種新的控制理論和控制技術(shù)，他的想法是設(shè)法模擬直流電動(dòng)機(jī)的控制特點(diǎn)來(lái)進(jìn)行交流電動(dòng)機(jī)的控制。

2、全控型大功率快速電力電子器件的發(fā)展為現(xiàn)代化的變頻裝置提供物質(zhì)保證。

交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速技術(shù)的發(fā)展是和電力電子技術(shù)的發(fā)展是分不開(kāi)的，1957 年世界上出現(xiàn)了電力半導(dǎo)體器件的晶閘管，為交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展開(kāi)辟了道路。

3、脈寬調(diào)制技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用使變頻裝置性能優(yōu)化，可以適用于各類(lèi)交流電機(jī)。

1964 年德國(guó)的 A.Schonung 等率先提出了脈寬調(diào)制變頻的思想，即把通訊系統(tǒng)的脈寬調(diào)制技術(shù)（簡(jiǎn)稱(chēng)PWM 技術(shù)） 應(yīng)用于交流電氣傳動(dòng).PWM 型逆變器具有輸入功率因數(shù)高和輸出波形好的特點(diǎn)。

正炫波脈寬調(diào)制（SPWM）是最常用的一種調(diào)制方法，共調(diào)制脈沖的特點(diǎn)是在半周期內(nèi)等距、等幅、不等寬，并且是中間寬兩邊窄，各脈沖面積之和與正弦波的下的面積成比例。新的脈寬調(diào)制（CNPWM）上把半個(gè)周期分成三等份，前60脈沖P與后60脈沖判斷調(diào)制方法同SPWM，但中間60 脈沖等于前面及后面脈沖之和，即Pz=P1+P，這樣變提高了開(kāi)關(guān)頻率，成份也隨之降低。

4、控制系統(tǒng)硬件由模擬技術(shù)轉(zhuǎn)向數(shù)字技術(shù)，微型計(jì)算機(jī)在性能、速度、降格、體積等方面的發(fā)展為交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速理論的現(xiàn)實(shí)化提供了最重要的保證。

五、結(jié)語(yǔ)

交流調(diào)速技術(shù)的發(fā)展過(guò)程表明，現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)及社會(huì)發(fā)展的需要推動(dòng)了交流調(diào)速的飛速發(fā)展?，F(xiàn)代控制理論的發(fā)展和應(yīng)用、電力電子技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用、微機(jī)控制技術(shù)及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，為交流調(diào)速的飛速發(fā)展創(chuàng)造了技術(shù)和物質(zhì)條件。交流調(diào)速系統(tǒng)在人類(lèi)追求節(jié)約能源的道路上將發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。