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變頻器的今天

變頻器，作為工控領(lǐng)域中的“老熟人”，已經(jīng)活躍在各種行業(yè)生產(chǎn)一線幾十年了，它承擔(dān)著電機(jī)調(diào)速的重任，無論是改善生產(chǎn)工藝還是節(jié)能，都扮演著不可缺少的角色。而從專業(yè)角度來講，它其實(shí)是一種應(yīng)用變頻技術(shù)與微電子技術(shù)：通過改變交流電機(jī)電源頻率的方式，來控制交流電動機(jī)轉(zhuǎn)速的電力控制設(shè)備。

那么，變頻器對于電機(jī)調(diào)速究竟有什么意義？交流電機(jī)調(diào)速為什么“非他不可”？關(guān)于變頻器的重要性，我們從以下幾個方面來了解一下它的誕生和發(fā)展過程。

工業(yè)生產(chǎn)中，使用電機(jī)對物體或部件的速度、位置進(jìn)行準(zhǔn)確的控制，是一個必要的過程，比如：起重設(shè)備，織機(jī)設(shè)備，物料傳送帶，收放卷...等各種不同類型的機(jī)器設(shè)備。

在電機(jī)調(diào)速技術(shù)還不成熟的時(shí)候，人們只能采用一些機(jī)械輔助件去解決物體運(yùn)動控制的問題，比如：齒輪箱、離合器...等復(fù)雜的機(jī)械傳動裝置，如果遇到一些無法自由調(diào)節(jié)電機(jī)的情況，為了達(dá)到某種運(yùn)動目的，就需要更換齒輪箱，改變傳動比，或者是切換離合器，這個過程不僅非常費(fèi)時(shí)，而且對機(jī)械的損耗也非常大。

另一類流體控制應(yīng)用場景中，電機(jī)通過帶動葉輪轉(zhuǎn)動，從而推動氣體、液體流動或使其產(chǎn)生相應(yīng)的氣壓，液壓，早期同樣是由于無法自由的控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，只能通過管道內(nèi)的閥門進(jìn)行開閉，來實(shí)現(xiàn)對流體流量和壓力的控制，這樣的控制模式非常浪費(fèi)電能。

在沒有變頻器的年代，由于無法自由的調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，為了達(dá)到某種運(yùn)動目的，傳統(tǒng)的機(jī)械不得不增加很多配件，這不僅增加了整體系統(tǒng)復(fù)雜性與成本，還限制了設(shè)備的性能和發(fā)展空間，為了解決這些問題，推出簡單而高效的電機(jī)調(diào)速技術(shù)，一直是工業(yè)傳動研究的熱點(diǎn)和痛點(diǎn)。

早期電機(jī)調(diào)速的重點(diǎn)一直是直流電機(jī)，其主要原因之一，就是人們首先掌握的是整流技術(shù)，而且直流電機(jī)的機(jī)械特性，也非常適宜某些場景需求，最簡單的調(diào)整電樞電壓的方法就是串入電阻，阻值越大，壓降越大，直流電機(jī)轉(zhuǎn)速越慢。

然而，直流電機(jī)的缺陷也是非常明顯的，例如：集電環(huán)及碳刷需要定期維護(hù)、直流電機(jī)制造工藝復(fù)雜，制造成本高等。這就意味著，在大范圍的電機(jī)應(yīng)用中，直流電機(jī)并不適合。

而交流電機(jī)與直流電機(jī)相比，內(nèi)部結(jié)構(gòu)就要簡單很多，沒有換向器等結(jié)構(gòu)，制造方便，牢靠穩(wěn)定，適合于高轉(zhuǎn)速，高電壓，大電流的應(yīng)用場合，唯一需要解決的便是交流電機(jī)的調(diào)速問題。

Nikola Tesla發(fā)明交流電機(jī)

早在 1888 年，交流電和交流電機(jī)就已經(jīng)問世，但在之后很長一段時(shí)間，交流電機(jī)都因?yàn)槠浣Y(jié)構(gòu)原因，只能以一個或多個固定的速度運(yùn)行，其轉(zhuǎn)速與頻率成正比，與極對數(shù)成反比：

n = 60 f（ 1 - s ）/ p

從以上公式可以看出，轉(zhuǎn)差率 s 和極對數(shù) p 都是電機(jī)的固有特性參數(shù)，在電機(jī)制造完成后就不能改變了，若想自由的調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，只有改變其動力電源的輸入頻率f；而在變頻器誕生之前，基本沒有什么手段能自由調(diào)整電網(wǎng)電壓的頻率。

到了20世紀(jì)80年代，隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，尤其是微處理器和晶閘管越來越成熟，已經(jīng)可以使用微處理器控制晶閘管的導(dǎo)通狀態(tài)了。這樣，使用微處理器控制上下橋開關(guān)元件的導(dǎo)通閉合，按照特定的時(shí)序連續(xù)完成動作，就能夠?qū)⒅绷麟娮儞Q為交流電，這也就是我們經(jīng)常說的逆變技術(shù)；同時(shí)，我們可以調(diào)整功率元件開閉的動作周期，即可以實(shí)現(xiàn)對逆變輸出頻率的調(diào)節(jié)。

最后，再結(jié)合整流技術(shù)，我們就能依據(jù)所需電源的幅值和頻率，把電網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)頻率，快速轉(zhuǎn)換成相應(yīng)頻率，相應(yīng)電壓的交流電，從而改變電機(jī)的輸入頻率，實(shí)現(xiàn)對交流電機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)控制；經(jīng)過漫長的技術(shù)發(fā)展和科學(xué)家不懈努力，變頻器在一次次應(yīng)用中升級和演化，慢慢變成了今天我們所看到的樣子。

了解完變頻器的從無到有，接下來介紹一下變頻技術(shù)的發(fā)展，總結(jié)起來基本上可以分為以下三個階段：

隨著半導(dǎo)體器件的不斷發(fā)展，我們采用全控型器件代替半控型晶閘管（SCR），把輸出的波形變化為脈寬調(diào)制的PWM波形，大大減小了諧波分量，增加了異步電機(jī)調(diào)速范圍，減小了轉(zhuǎn)矩的波動。

IGBT的工作頻率一般可以達(dá)到10～20kHz之間，與三極管BJT的2kHz以下相比，工作頻率高出一個數(shù)量級，尤其是在一些電壓和電流指標(biāo)方面，均已超過了使用BJT，例如電流浪涌耐量、電壓阻斷峰值等。由于使用IGBT，可以提高載波頻率，甚至可以形成所需的PWM波形，這樣可以大大降低諧波噪聲，因此在目前變頻器應(yīng)用中，IGBT已經(jīng)基本替代了BJT。

而IPM，即智能功率模塊，以IGBT為開關(guān)器件，不僅把功率開關(guān)器件和驅(qū)動電路集成在一起。而且還內(nèi)部集成有過電壓，過電流和過熱等故障檢測電路，并可將檢測信號送到CPU。即使發(fā)生負(fù)載事故或使用不當(dāng)，也可以保證IPM自身不受損壞。

早先的變頻器控制方式采用的是恒壓頻比，即V/f控制。V是指電壓的有效值，改變V/f只能調(diào)節(jié)電機(jī)的穩(wěn)態(tài)磁通和轉(zhuǎn)矩。為了提高低頻情況下的轉(zhuǎn)矩，都需要進(jìn)行轉(zhuǎn)矩提升，通常采用補(bǔ)償電壓的方式，有的還可以隨負(fù)載變化補(bǔ)償定子繞組電壓降。

后來變頻器出現(xiàn)了一種新的控制方式—矢量控制，它的基本原理就是建立等效直流電機(jī)的模型，將異步機(jī)的定子電流分解為勵磁分量和轉(zhuǎn)矩分量分開控制?？刂苿畲攀噶渴亲钪饕模杂职咽噶靠刂品Q為磁場定向控制，而轉(zhuǎn)矩的控制則是間接的。

矢量控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

矢量控制需要坐標(biāo)變換運(yùn)算以及需要檢測實(shí)際的轉(zhuǎn)速信號，所以都需要速度傳感器進(jìn)行反饋，也就是閉環(huán)矢量控制。而之后，提出了一種無速度傳感器矢量控制的方案，它是根據(jù)電機(jī)實(shí)際運(yùn)行的相電壓和相電流以及定轉(zhuǎn)子繞組參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，進(jìn)而計(jì)算出轉(zhuǎn)子磁鏈和轉(zhuǎn)矩電流的觀測值，從而實(shí)現(xiàn)磁場定向的矢量控制。

與矢量控制并行發(fā)展的還有一種方式稱為直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC），它強(qiáng)調(diào)對于轉(zhuǎn)矩的直接控制。其做法是依據(jù)測量到的電機(jī)電壓及電流，去計(jì)算電機(jī)磁通和轉(zhuǎn)矩的估測值，而在控制轉(zhuǎn)矩后，也可以控制電機(jī)的速度。

直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

目前的變頻器憑借功能很強(qiáng)的微處理器，除了能完成電動機(jī)變頻調(diào)速的基本任務(wù)以外，還內(nèi)置有多種功能。例如：

(1)自動加減速。

(2)程序運(yùn)行。

(3)自動節(jié)能運(yùn)行。

(4)電機(jī)參數(shù)自學(xué)習(xí)。

(5)PID控制運(yùn)行。

(6)通信和反饋功能。

上世紀(jì)70年代西門子工程師首先提出異步電機(jī)矢量控制理論，來解決交流電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制問題， 而對于直接轉(zhuǎn)矩控制來說，一般文獻(xiàn)認(rèn)為它由德國魯爾大學(xué)的M.Depenbrock教授和日本的I.Takahashi于1985年分別提出的?？梢?，國外對于電機(jī)控制的研究成果是早于我國，其變頻器產(chǎn)品也是早于我們國內(nèi)品牌進(jìn)入到大眾視野的。