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变频技术的研究发展动向
2005年10月14日 13:55  来源:上海大学自动化学院  作者:陈国呈 周勤利  

    【摘要】介绍变频技术的发展过程:VVVF、矢量控制、直接转矩控制和矩阵式交—交变频。变频技术的发展促进了家用电器的变频化,变频家用电器具有高速高出力、控制性能好、小型轻量大容量化、高舒适感、长寿命、安全可靠、静音化、省电等优点。变频技术的应用也带来了谐波、电磁干扰和电源系统功率因数下降等问题。抑制谐波可采用补偿装置和单位功率因数变流器;抑制电磁干扰可采用软开关技术;提高电源系统功率因数可采用同步调相机、带饱和电杭器的静止无功补偿装置或静止无功发生器。

    关键词:变频调速 电动机 谐波 电磁兼容性 功率因数 家用电器

    变频技术的发展过程

    变频技术是应交流电机无级调速的需要而诞生的。20世纪60年代后半期开始,电力电子器件从SCR(晶闸管)、GTO(门极可关断晶闸管)、BJT(双极型功率晶体管)、MOSFET(金属氧化物场效应管)、SIT(静电感应晶体管)、SITH(静电感应晶闸管)、MGT(MOS控制晶体管)、MCT(MOS控制品闸管)发展到今天的IGBT(绝缘栅双极型晶体管)、HVIGBT(耐高压绝缘栅双极型晶闸管),器件的更新促使电力变换技术的不断发展。20世纪70年代开始,脉宽调制变压变频(PWM—VVVF)调速研究引起了人们的高度重视。20世纪80年代,作为变频技术核心的PWM模式优化问题吸引着人们的浓厚兴趣,并得出诸多优化模式,其中以鞍形波PWM模式效果最佳。20世纪80年代后半期开始,美、日、德、英等发达国家的VVVF变频器已投入市场并广泛应用。

    VVVF变频器的控制相对简单,机械特性硬度也较好,能够满足一般传动的平滑调速要求,已在产业的各个领域得到广泛应用。但是,这种控制方式在低频时,由于输出电压较小,受定子电阻压降的影响比较显著,故造成输出最大转矩减小。另外,其机械特性终究没有直流电动机硬,动态转矩能力和静态调速性能都还不尽如人意,因此人们又研究出矢量控制变频调速。

    矢量控制变频调速的做法是:将异步电动机在三相坐标系下的定子交流电流Ia、Ib、Ic、通过三相—二相变换,等效成两相静止坐标系下的交流电流Ia1Ib1,再通过按转子磁场定向旋转变换,等效成同步旋转坐标系下的直流电流Im1、It1(Im1相当于直流电动机的励磁电流;It1相当于与转矩成正比的电枢电流),然后模仿直流电动机的控制方法,求得直流电动机的控制量,经过相应的坐标反变换,实现对异步电动机的控制。 矢量控制方法的提出具有划时代的意义。然而在实际应用中,由于转子磁链难以准确观测,系统特性受电动机参数的影响较大,且在等效直流电动机控制过程中所用矢量旋转变换较复杂,使得实际的控制效果难以达到理想分析的结果。

    1985年,德国鲁尔大学的DePenbrock教授首次提出了直接转矩控制变频技术。该技术在很大程度上解决了上述矢量控制的不足,并以新颖的控制思想、简洁明了的系统结构、优良的动静态性能得到了迅速发展。目前,该技术已成功地应用在电力机车牵引的大功率交流传动上。直接转矩控制直接在定子坐标系下分析交流电动机的数学模型,控制电动机的磁链和转矩。它 不需要将交流电动机化成等效直流电动机,因而省去了矢量旋转变换中的许多复杂计算;它不需要模仿直流电动机的控制,也不需要为解耦而简化交流电动机的数学模型。

    VVVF变频、矢量控制变频、直接转矩控制变频都是交—直—交变频中的一种。

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