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摘 要：本文從開關(guān)元件、調(diào)制策略、操縱維護(hù)、主電路拓?fù)浼爸悄芑�五個(gè)方面，綜述了變頻器的現(xiàn)狀與發(fā)展動(dòng)向。

要害詞：變頻器；開關(guān)元件；操縱；發(fā)展

1 引言

由于變調(diào)速是電動(dòng)機(jī)最幻想的調(diào)速方法，國(guó)外上世紀(jì)70年代即得到較普遍的利用，國(guó)內(nèi)也于90年代得到敏捷推廣。作為變頻裝置的變頻器經(jīng)過不斷改良，日益完美，特殊是近十余年來(lái)在電力電子和微電子技能敏捷發(fā)展的根基上，發(fā)生了當(dāng)前新一代變頻器。這類變頻器具有高操縱質(zhì)量、高可靠性、高效力、寬適應(yīng)性、構(gòu)造緊湊、操作便利和外形雅觀等一系列長(zhǎng)處，為更普遍地利用變頻調(diào)速建立了極為有利的條件。

目前市場(chǎng)上新型變頻器品牌繁多，各有千秋。但通過綜合剖析可以發(fā)明，這類變頻器共同點(diǎn)很多，因此我們可以從綜合剖析中概括出變頻器的現(xiàn)狀和預(yù)測(cè)未來(lái)發(fā)展的動(dòng)向，現(xiàn)分五個(gè)方面進(jìn)行論述。

2 開關(guān)元件

開關(guān)元件是逆變器的實(shí)行元件，其首要性無(wú)須贅言。為適應(yīng)PWM策略，逆變器廣泛采納自關(guān)斷元件，可省去換流回路，減少損耗、簡(jiǎn)化線路、操縱便利。如大功率場(chǎng)效應(yīng)管MOSET、大功率晶體管GTR、可關(guān)斷晶閘管GTO等，其中GTR利用最為廣泛。但在調(diào)制策略發(fā)展和請(qǐng)求逆變器輸出諧波分量更小的情形下，必需進(jìn)步開關(guān)頻率，GTR便滿足不了這個(gè)請(qǐng)求，于是便為新開發(fā)的一種工關(guān)元件所代替，這種元件就是 IGBT。目前變頻器幾乎整個(gè)采納IGBT。

IGBT全稱是絕緣柵雙晶體管，是一種把MOSET與GTR奇妙聯(lián)合一起的電壓型雙極／MOS復(fù)合器件，可以說IGBT=MOS+GTR，而GTR又經(jīng)改革進(jìn)步。因此IGBT具有輸入阻抗高、開關(guān)速度快、元件損耗小、驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)略、驅(qū)動(dòng)功率小、極限溫度高、熱阻小、飽和壓降和電阻低、電流容量大、抗浪涌才能強(qiáng)、安全區(qū)寬、并聯(lián)容易、穩(wěn)固可靠及模塊化等一系列長(zhǎng)處，是一種極幻想的開關(guān)元件，故為變頻器設(shè)計(jì)及制作者所青睞。目前IGBT定額為2400A、電壓3300V、開關(guān)頻率40kHz，已在小、中、大功率范疇內(nèi)使用。IGBT不僅用于500V以下低壓變頻器，還可以用于1000V以上高壓變頻器以驅(qū)動(dòng)高壓電動(dòng)機(jī)。慈ナ類中壓、高壓變頻器采納多電平逆變器輸出高壓，也可用變壓器降壓→低壓變頻器→變壓器升壓的方法。由于IGBT具有性能特好的優(yōu)勢(shì)，預(yù)計(jì)十年內(nèi)不會(huì)為新開發(fā)的元件所代替。

3 調(diào)制策略

正弦波脈寬SPWM已為世人所熟知，但近年來(lái)受到一種新的調(diào)制策略電壓矢量操縱SVPWM的挑釁，現(xiàn)在SVPWM已經(jīng)得到普遍利用，有后來(lái)居上之勢(shì)。

電壓矢量操縱又稱空間矢量操縱或磁通軌跡操縱，其原理簡(jiǎn)述如下：如圖1所示，逆變器在180°方波運(yùn)行時(shí)，每隔60°切換一次，一周內(nèi)便有6種開關(guān)模式。按切換次序?yàn)門1T2T3→T2T3T4→T3T4T5→T4T5T6→T5T6T1→T6T1T2，周而復(fù)始，每一種開關(guān)模式三相合成輸出電壓可辨別記為V1-V6，Vl=V2=V3=V4=V5=V6=Ud，其空間散布如圖2所示。我們知道異步電動(dòng)機(jī)在市電正弦波作用下，定于三相合成電壓發(fā)生的磁通矢量軌跡為一個(gè)圓。因此，如果在一個(gè)周期內(nèi)，我們不斷地選用適宜的電壓矢量，使磁通矢量軌跡為圓形，則電機(jī)運(yùn)行就到達(dá)市電供電的后果。例如在圖2中圓上ab一段弧上，從a點(diǎn)開端選取電壓矢量V，，則磁通矢量和電壓矢量沿雷同方向向前移動(dòng)。當(dāng)磁通矢量達(dá)到離圓不遠(yuǎn)的c點(diǎn)時(shí)，改用電壓矢量奸（模式3切換到模式1），磁通矢量隨移動(dòng)超過弧外不遠(yuǎn)的d點(diǎn)，又改用電壓矢量守3（模式1又切換到模式3），使磁通矢量回到弧上b點(diǎn)，當(dāng)ab弧取得很短，開關(guān)光陰也很短，則磁通軌跡acdb就接近與弧重合，按此方式不斷選取適合的電壓矢量（不斷更換切換模式），便可使全體磁通軌跡逼近于圓（如圖2右上角），而獲得十分逼近市電后果，使輸出諧波分量最小。實(shí)踐證明，其諧波分量比SPWM小一個(gè)數(shù)量級(jí)，電壓應(yīng)用率高15％，可以三雷同時(shí)操縱，故此新型變頻器竟相采納這種調(diào)制策略。估量SVPWM不久會(huì)全面代替SPWM，且會(huì)堅(jiān)持一段很長(zhǎng)光陰而不被淘汰。

4操縱和維護(hù)

操縱和維護(hù)是變頻重視要的環(huán)節(jié)，新型變頻器包，括數(shù)一模混淆操縱和全數(shù)字操縱，清一色利用了盤算機(jī)（微機(jī)）。采納16位，12MHz單片機(jī)或多CPU體系，在大范圍集成電路LSI配合下，完成變頻器各種操縱和維護(hù)義務(wù)。

在操縱功效方面有：

（1）盤算判斷開關(guān)元件的開通和關(guān)斷時(shí)刻（開關(guān)角），使逆變器遵照調(diào)制策略，輸出請(qǐng)求的電壓；

（2）通過不同的編碼實(shí)現(xiàn)多種傳動(dòng)調(diào)速功效。如各種頻率的設(shè)定和實(shí)行、起動(dòng)、運(yùn)行方法選擇、轉(zhuǎn)矩操縱設(shè)定與運(yùn)行、加減速設(shè)計(jì)與運(yùn)行、制動(dòng)方法設(shè)定和實(shí)行等達(dá)數(shù)十種；（3）通過接口電路與外部傳感器、專用盤算機(jī)、體系操縱機(jī)或可編程序操縱器等聯(lián)接構(gòu)成各類調(diào)速傳動(dòng)體系。有的變頻器內(nèi)部設(shè)置了PID調(diào)節(jié)器，便于實(shí)現(xiàn)PID閉環(huán)主動(dòng)操縱。

在維護(hù)功效方面，在外部傳感器及I／O電路配合下，構(gòu)成完美的檢測(cè)維護(hù)體系，可完成多種自診斷維護(hù)計(jì)劃。維護(hù)功效包含：（1）主電路、操縱電路欠壓維護(hù)；（2）輸出電流過電流維護(hù)；（3）過電壓維護(hù)；（4）電動(dòng)機(jī)或逆變器過載維護(hù)；（5）制動(dòng)電阻過熱維護(hù)；（6）失速維護(hù)等十余種。在微機(jī)軟件中有各種故障維護(hù)動(dòng)作程度與光陰的設(shè)定，通過自診斷功效，當(dāng)呈現(xiàn)異常現(xiàn)象時(shí)，維護(hù)動(dòng)作，此時(shí)逆變器或結(jié)束輸出，或信號(hào)告警，同時(shí)顯示故障內(nèi)容，并將其存入存儲(chǔ)器備查。

由于變頻器利用了盤算機(jī)，因此得到了如此良好的操縱和維護(hù)后果，可以斷言，今后，變頻器永遠(yuǎn)離不開盤算機(jī)。

5 主電路拓?fù)錁?gòu)造

多數(shù)變頻器主電路和傳統(tǒng)變頻器雷同，網(wǎng)側(cè)仍是三相二極管整流橋，功率因數(shù)高。中間電容濾波，構(gòu)成直流側(cè)。逆變器為六臂逆變橋，六開關(guān)元件各并聯(lián)反饋二極管，按必定調(diào)制策略操縱，輸出三相交換。此種主電路拓?fù)湟丫媒?jīng)考驗(yàn)，性能可靠。但現(xiàn)在也有一些變頻器對(duì)此有所轉(zhuǎn)變，其中引人注目標(biāo)引入了軟開關(guān)型逆變器。

傳統(tǒng)逆變器開關(guān)元件基礎(chǔ)上是在電壓或電流不過零切換，稱為硬開關(guān)型逆變器。反之在電壓或電流過零時(shí)切換，則稱為軟開關(guān)型逆變器。此時(shí)開關(guān)元件沒有通、斷損耗，只有通態(tài)損耗，因此逆器效力和開關(guān)頻率可以進(jìn)步，為實(shí)現(xiàn)過零切換，在逆變器直流側(cè)，設(shè)置一個(gè)諧振環(huán)節(jié)，使直流電壓發(fā)生諧振，加于逆變器開關(guān)元件，使應(yīng)切換的元件在諧振過零時(shí)通斷，到達(dá)減少損耗的目標(biāo)。這種帶有諧振環(huán)節(jié)的逆變器稱為DC環(huán)節(jié)諧振型逆變器，即軟開關(guān)逆變器。

圖3（a）示出DC環(huán)節(jié)諧振型逆變器主電路最基礎(chǔ)的拓?fù)錁?gòu)造。Va為直流電源，L、R為諧振線圈電感和電阻，C為諧振電容，S為起動(dòng)開關(guān)，UL、iL為諧振電壓、電流。諧振周期開端時(shí)，開關(guān)S導(dǎo)通，電容C被短路，諧振電路被鼓勵(lì)。當(dāng)IL達(dá)到請(qǐng)求的初值IF時(shí)使S關(guān)斷，LC便構(gòu)成串聯(lián)諧振，諧振電壓Uc及電流讓如圖3（b）所示。當(dāng)U。過零變負(fù)時(shí)，二極管D箝位使之為零。再次導(dǎo)通S，下一拍開端，如此反復(fù)下去便得到持續(xù)的諧振電壓，逆變器開關(guān)元件應(yīng)用過零時(shí)刻切換（零電壓導(dǎo)通，零電流關(guān)斷），便得到軟開關(guān)逆變器減小損耗的后果。

上述電路拓?fù)錁?gòu)造有兩個(gè)顯明問題，一個(gè)是諧振電壓高達(dá)2Ua以上，使開關(guān)元件耐壓值增高，從而增添成本。一個(gè)是開關(guān)元件按調(diào)制策略請(qǐng)求的開關(guān)時(shí)刻難于與諧振零同拍，但是經(jīng)過不斷完美，已用于某些變頻器，是否有很大推廣價(jià)值，可能還要經(jīng)過實(shí)踐考驗(yàn)。

6 智能化問題

人工智能已普遍用于各個(gè)范疇，收到良好的后果。在變頻器范疇，呈現(xiàn)了智能IBGT模塊、智能傳感器等，有些變頻器還推出了智能故障診斷體系，后果很好，進(jìn)步了可靠性，有推廣價(jià)值。

這種智能故障診斷體系以微機(jī)為主體，不僅在故障產(chǎn)生后能正確指出故障性質(zhì)、部位。在故障產(chǎn)生前也能預(yù)測(cè)產(chǎn)生故障的可能性，因此大大地進(jìn)步變頻器的快速性、及時(shí)性、正確性和可靠性。

典范的智能故障診斷體系由監(jiān)控、檢測(cè)、知識(shí)庫(kù) （故障模式知識(shí)庫(kù)或故障診斷專家體系知識(shí)庫(kù)）、推理機(jī)構(gòu)、人機(jī)對(duì)話接口和數(shù)據(jù)庫(kù)組成。診斷一般分為預(yù)診和在線診斷斷兩部分：

（1）預(yù)診 是指在變頻器起動(dòng)前對(duì)診斷體系本身及變頻器主電路（包含電源）、操縱體系等進(jìn)行一次診斷清查隱患，一般是在主電路不通電、操縱體系通電情形下進(jìn)行。若發(fā)明故障現(xiàn)象則調(diào)用知識(shí)庫(kù)推理、斷定故障原因并顯示不能開機(jī)，如無(wú)故障則顯示可以開機(jī)。

（2）在線診斷 是指開機(jī)以后運(yùn)行中的實(shí)時(shí)檢測(cè)診斷。工作時(shí)對(duì)各檢測(cè)點(diǎn)進(jìn)行循環(huán)查詢，存儲(chǔ)數(shù)據(jù)并不斷刷新。若發(fā)明數(shù)據(jù)越限，則覺得可能產(chǎn)生故障，立即定向追蹤。若幾次反省成果雷同，闡明確鑿出了故障，于是調(diào)用知識(shí)庫(kù)進(jìn)行剖析推理，判斷是何種故障及其部位，時(shí)顯示出來(lái)，嚴(yán)重時(shí)則發(fā)出停機(jī)指令。人機(jī)對(duì)話用于人機(jī)共同剖析故障，施展人的作用。

參考文獻(xiàn)

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