發(fā)布時間：2022-11-04 09:42:19
序言：寫作是分享個人見解和探索未知領(lǐng)域的橋梁，我們?yōu)槟x了8篇的變頻器論文樣本，期待這些樣本能夠為您提供豐富的參考和啟發(fā)，請盡情閱讀。
關(guān)鍵詞:變頻器干擾抑制
Abstract:Theapplicationoftheinvertersintheindustrialproductionisbecomingmoreand
moreuniversal，anditsinterfaceisbeingpaidmuchattention.Thesourceandspreadingrouteinthe
applicationsystemoftheinverterareintroducedinthispaper，somepracticalresolventsareputforward，andtheconcretemeasuresinthesystemdesignandinstallmentareexpounded.
Keywords：InverterInterfaceRestrain
[中圖分類號]TN973[文獻標(biāo)識碼]B文章編號1561-0330(2003)06-00
1引言
變頻器調(diào)速技術(shù)是集自動控制、微電子、電力電子、通信等技術(shù)于一體的高科技技術(shù)。它以很好的調(diào)速、節(jié)能性能，在各行各業(yè)中獲得了廣泛的應(yīng)用。由于其采用軟啟動，可以減少設(shè)備和電機的機械沖擊，延長設(shè)備和電機的使用壽命。隨著科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展，變頻器以其具有節(jié)電、節(jié)能、可靠、高效的特性應(yīng)用到了工業(yè)控制的各個領(lǐng)域中，如變頻調(diào)速在供水、空調(diào)設(shè)備、過程控制、電梯、機床等方面的應(yīng)用，保證了調(diào)節(jié)精度，減輕了工人的勞動強度，提高了經(jīng)濟效益，但隨之也帶來了一些干擾問題?，F(xiàn)場的供電和用電設(shè)備會對變頻器產(chǎn)生影響，變頻器運行時產(chǎn)生的高次諧波也會干擾周圍設(shè)備的運行。變頻器產(chǎn)生的干擾主要有三種：對電子設(shè)備的干擾、對通信設(shè)備的干擾及對無線電等產(chǎn)生的干擾。對計算機和自動控制裝置等電子設(shè)備產(chǎn)生的干擾主要是感應(yīng)干擾；對通信設(shè)備和無線電等產(chǎn)生的干擾為放射干擾。如果變頻器的干擾問題解決不好，不但系統(tǒng)無法可靠運行，還會影響其他電子、電氣設(shè)備的正常工作。因此有必要對變頻器應(yīng)用系統(tǒng)中的干擾問題進行探討，以促進其進一步的推廣應(yīng)用。下面主要討論變頻器的干擾及其抑制方法。
2變頻調(diào)速系統(tǒng)的主要電磁干擾源及途徑
2.1主要電磁干擾源
電磁干擾也稱電磁騷擾（EMI），是以外部噪聲和無用信號在接收中所造成的電磁干擾，通常是通過電路傳導(dǎo)和以場的形式傳播的。變頻器的整流橋?qū)﹄娋W(wǎng)來說是非線性負載，它所產(chǎn)生的諧波會對同一電網(wǎng)的其他電子、電氣設(shè)備產(chǎn)生諧波干擾。另外，變頻器的逆變器大多采用PWM技術(shù)，當(dāng)其工作于開關(guān)模式并作高速切換時，產(chǎn)生大量耦合性噪聲。因此，變頻器對系統(tǒng)內(nèi)其他的電子、電氣設(shè)備來說是一個電磁干擾源。另一方面，電網(wǎng)中的諧波干擾主要通過變頻器的供電電源干擾變頻器。電網(wǎng)中存在大量諧波源，如各種整流設(shè)備、交直流互換設(shè)備、電子電壓調(diào)整設(shè)備、非線性負載及照明設(shè)備等。這些負荷都使電網(wǎng)中的電壓、電流產(chǎn)生波形畸變，從而對電網(wǎng)中其他設(shè)備產(chǎn)生危害的干擾。變頻器的供電電源受到來自被污染的交流電網(wǎng)的干擾后，若不加以處理，電網(wǎng)噪聲就會通過電網(wǎng)電源電路干擾變頻器。供電電源對變頻器的干擾主要有過壓、欠壓、瞬時掉電；浪涌、跌落；尖峰電壓脈沖；射頻干擾。其次，共模干擾通過變頻器的控制信號線也會干擾變頻器的正常工作。
2.2電磁干擾的途徑
變頻器能產(chǎn)生功率較大的諧波，對系統(tǒng)其他設(shè)備干擾性較強。其干擾途徑與一般電磁干擾途徑是一致的，主要分電磁輻射、傳導(dǎo)、感應(yīng)耦合。具體為：①對周圍的電子、電氣設(shè)備產(chǎn)生電磁輻射；②對直接驅(qū)動的電動機產(chǎn)生電磁噪聲，使得電動機鐵耗和銅耗增加，并傳導(dǎo)干擾到電源，通過配電網(wǎng)絡(luò)傳導(dǎo)給系統(tǒng)其他設(shè)備；③變頻器對相鄰的其他線路產(chǎn)生感應(yīng)耦合，感應(yīng)出干擾電壓或電流。同樣，系統(tǒng)內(nèi)的干擾信號通過相同的途徑干擾變頻器的正常工作。下面分別加以分析。
（1）電磁輻射
變頻器如果不是處在一個全封閉的金屬外殼內(nèi)，它就可以通過空間向外輻射電磁波。其輻射場強取決于干擾源的電流強度、裝置的等效輻射阻抗以及干擾源的發(fā)射頻率。變頻器的整流橋?qū)﹄娋W(wǎng)來說是非線性負載，它所產(chǎn)生的諧波對接入同一電網(wǎng)的其它電子、電氣設(shè)備產(chǎn)生諧波干擾。變頻器的逆變橋大多采用PWM技術(shù)，當(dāng)根據(jù)給定頻率和幅值指令產(chǎn)生預(yù)期的和重復(fù)的開關(guān)模式時，其輸出的電壓和電流的功率譜是離散的，并且?guī)в信c開關(guān)頻率相應(yīng)的高次諧波群。高載波頻率和場控開關(guān)器件的高速切換（dv/dt可達1kV/μs以上）所引起的輻射干擾問題相當(dāng)突出。
當(dāng)變頻器的金屬外殼帶有縫隙或孔洞，則輻射強度與干擾信號的波長有關(guān)，當(dāng)孔洞的大小與電磁波的波長接近時，會形成干擾輻射源向四周輻射。而輻射場中的金屬物體還可能形成二次輻射。同樣，變頻器外部的輻射也會干擾變頻器的正常工作。
（2）傳導(dǎo)
上述的電磁干擾除了通過與其相連的導(dǎo)線向外部發(fā)射，也可以通過阻抗耦合或接地回路耦合將干擾帶入其它電路。與輻射干擾相比，其傳播的路程可以很遠。比較典型的傳播途徑是：接自工業(yè)低壓網(wǎng)絡(luò)的變頻器所產(chǎn)生的干擾信號將沿著配電變壓器進入中壓網(wǎng)絡(luò)，并沿著其它的配電變壓器最終又進入民用低壓配電網(wǎng)絡(luò)，使接自民用配電母線的電氣設(shè)備成為遠程的受害者。
（3）感應(yīng)耦合
感應(yīng)耦合是介于輻射與傳導(dǎo)之間的第三條傳播途徑。當(dāng)干擾源的頻率較低時，干擾的電磁波輻射能力相當(dāng)有限，而該干擾源又不直接與其它導(dǎo)體連接，但此時的電磁干擾能量可以通過變頻器的輸入、輸出導(dǎo)線與其相鄰的其他導(dǎo)線或?qū)w產(chǎn)生感應(yīng)耦合，在鄰近導(dǎo)線或?qū)w內(nèi)感應(yīng)出干擾電流或電壓。感應(yīng)耦合可以由導(dǎo)體間的電容耦合的形式出現(xiàn)，也可以由電感耦合的形式或電容、電感混合的形式出現(xiàn)，這與干擾源的頻率以及與相鄰導(dǎo)體的距離等因素有關(guān)。
3抗電磁干擾的措施
據(jù)電磁性的基本原理，形成電磁干擾（EMI）須具備電磁干擾源、電磁干擾途徑、對電磁干擾敏感的系統(tǒng)等三個要素。為防止干擾，可采用硬件和軟件的抗干擾措施。其中，硬件抗干擾是最基本和最重要的抗干擾措施，一般從抗和防兩方面入手來抑制干擾，其總原則是抑制和消除干擾源、切斷干擾對系統(tǒng)的耦合通道、降低系統(tǒng)對干擾信號的敏感性。具體措施在工程上可采用隔離、濾波、屏蔽、接地等方法。
（1）隔離
所謂干擾的隔離是指從電路上把干擾源和易受干擾的部分隔離開來，使它們不發(fā)生電的聯(lián)系。在變頻調(diào)速傳動系統(tǒng)中，通常是在電源和放大器電路之間的電源線上采用隔離變壓器以免傳導(dǎo)干擾，電源隔離變壓器可應(yīng)用噪聲隔離變壓器。
（2）濾波
設(shè)置濾波器的作用是為了抑制干擾信號從變頻器通過電源線傳導(dǎo)干擾到電源及電動機。為減少電磁噪聲和損耗，在變頻器輸出側(cè)可設(shè)置輸出濾波器。為減少對電源的干擾，可在變頻器輸入側(cè)設(shè)置輸入濾波器。若線路中有敏感電子設(shè)備，可在電源線上設(shè)置電源噪聲濾波器，以免傳導(dǎo)干擾。
（3）屏蔽
屏蔽干擾源是抑制干擾的最有效的方法。通常變頻器本身用鐵殼屏蔽，不讓其電磁干擾泄漏。輸出線最好用鋼管屏蔽，特別是以外部信號控制變頻器時，要求信號線盡可能短（一般為20m以內(nèi)），且信號線采用雙芯屏蔽，并與主電路及控制回路完全分離，不能放于同一配管或線槽內(nèi)，周圍電子敏感設(shè)備線路也要求屏蔽。為使屏蔽有效，屏蔽罩必須可靠接地。
（4）接地
實踐證明，接地往往是抑制噪聲和防止干擾的重要手段。良好的接地方式可在很大程度上抑制內(nèi)部噪聲的耦合，防止外部干擾的侵入，提高系統(tǒng)的抗干擾能力。變頻器的接地方式有多點接地、一點接地及經(jīng)母線接地等幾種形式，要根據(jù)具體情況采用，要注意不要因為接地不良而對設(shè)備產(chǎn)生干擾。
單點接地指在一個電路或裝置中，只有一個物理點定義為接地點。在低頻下的性能好；多點接地是指裝置中的各個接地點都直接接到距它最近的接地點。在高頻下的性能好；混合接地是根據(jù)信號頻率和接地線長度，系統(tǒng)采用單點接地和多點接地共用的方式。變頻器本身有專用接地端子PE端，從安全和降低噪聲的需要出發(fā)，必須接地。既不能將地線接在電器設(shè)備的外殼上，也不能接在零線上。可用較粗的短線一端接到接地端子PE端，另一端與接地極相連，接地電阻取值<100Ω，接地線長度在20m以內(nèi)，并注意合理選擇接地極的位置。當(dāng)系統(tǒng)的抗干擾能力要求較高時，為減少對電源的干擾，在電源輸入端可加裝電源濾波器。為抑制變頻器輸入側(cè)的諧波電流，改善功率因數(shù)，可在變頻器輸入端加裝交流電抗器，選用與否可視電源變壓器與變頻器容量的匹配情況及電網(wǎng)允許的畸變程度而定，一般情況下采用為好。為改善變頻器輸出電流，減少電動機噪聲，可在變頻器輸出端加裝交流電抗器。圖1為一般變頻調(diào)速傳動系統(tǒng)抗干擾所采取措施。
以上抗干擾措施可根據(jù)系統(tǒng)的抗干擾要求來合理選擇使用。若系統(tǒng)中含控制單元如微機等，還須在軟件上采取抗干擾措施。
（5）正確安裝
由于變頻器屬于精密的功率電力電子產(chǎn)品，其現(xiàn)場安裝工藝的好壞也影響著變頻器的正常工作。正確的安裝可以確保變頻器安全和無故障運行。變頻器對安裝環(huán)境要求較高。一般變頻器使用手冊規(guī)定溫度范圍為最低溫度-10℃，最高溫度不超過50℃；變頻器的安裝海拔高度應(yīng)小于1000m，超過此規(guī)定應(yīng)降容使用；變頻器不能安裝在經(jīng)常發(fā)生振動的地方，對振動沖擊較大的場合，應(yīng)采用加橡膠墊等防振措施；不能安裝在電磁干擾源附近；不能安裝在有灰塵、腐蝕性氣體等空氣污染的環(huán)境；不能安裝在潮濕環(huán)境中，如潮濕管道下面，應(yīng)盡量采用密封柜式結(jié)構(gòu)，并且要確保變頻器通風(fēng)暢通，確保控制柜有足夠的冷卻風(fēng)量，其典型的損耗數(shù)一般按變頻器功率的3%來計算柜中允許的溫升值。安裝工藝要求如下：
①確?？刂乒裰械乃性O(shè)備接地良好，應(yīng)該使用短、粗的接地線（最好采用扁平導(dǎo)體或金屬網(wǎng)，因其在高頻時阻抗較低）連接到公共地線上。按國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，其接地電阻應(yīng)小于4歐姆。另外與變頻器相連的控制設(shè)備（如PLC或PID控制儀）要與其共地。
②安裝布線時將電源線和控制電纜分開，例如使用獨立的線槽等。如果控制電路連接線必須和電源電纜交叉，應(yīng)成90°交叉布線。
③使用屏蔽導(dǎo)線或雙絞線連接控制電路時，確保未屏蔽之處盡可能短，條件允許時應(yīng)采用電纜套管。
④確?？刂乒裰械慕佑|器有滅弧功能，交流接觸器采用R-C抑制器，也可采用壓敏電阻抑制器，如果接觸器是通過變頻器的繼電器控制的，這一點特別重要。
⑤用屏蔽和鎧裝電纜作為電機接線時，要將屏蔽層雙端接地。
⑥如果變頻器運行在對噪聲敏感的環(huán)境中，可以采用RFI濾波器減小來自變頻器的傳導(dǎo)和輻射干擾。為達到最優(yōu)效果，濾波器與安裝金屬板之間應(yīng)有良好的導(dǎo)電性。
4變頻控制系統(tǒng)設(shè)計中應(yīng)注意的其他問題
除了前面討論的幾點以外，在變頻器控制系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用中還要注意以下幾個方面的問題。
（1）在設(shè)備排列布置時，應(yīng)該注意將變頻器單獨布置，盡量減少可能產(chǎn)生的電磁輻射干擾。在實際工程中，由于受到房屋面積的限制往往不可能有單獨布置的位置，應(yīng)盡量將容易受干擾的弱電控制設(shè)備與變頻器分開，比如將動力配電柜放在變頻器與控制設(shè)備之間。
（2）變頻器電源輸入側(cè)可采用容量適宜的空氣開關(guān)作為短路保護，但切記不可頻繁操作。由于變頻器內(nèi)部有大電容，其放電過程較為緩慢，頻繁操作將造成過電壓而損壞內(nèi)部元件。
（3）控制變頻調(diào)速電機啟/停通常由變頻器自帶的控制功能來實現(xiàn)，不要通過接觸器實現(xiàn)啟/停。否則，頻繁的操作可能損壞內(nèi)部元件。
（4）盡量減少變頻器與控制系統(tǒng)不必要的連線，以避免傳導(dǎo)干擾。除了控制系統(tǒng)與變頻器之間必須的控制線外，其它如控制電源等應(yīng)分開。由于控制系統(tǒng)及變頻器均需要24V直流電源，而生產(chǎn)廠家為了節(jié)省一個直流電源，往往用一個直流電源分兩路分別對兩個系統(tǒng)供電，有時變頻器會通過直流電源對控制系統(tǒng)產(chǎn)生傳導(dǎo)干擾，所以在設(shè)計中或訂貨時要特別加以說明，要求用兩個直流電源分別對兩個系統(tǒng)供電。
（5）注意變頻器對電網(wǎng)的干擾。變頻器在運行時產(chǎn)生的高次諧波會對電網(wǎng)產(chǎn)生影響，使電網(wǎng)波型嚴(yán)重畸變，可能造成電網(wǎng)電壓降很大、電網(wǎng)功率因數(shù)很低，大功率變頻器應(yīng)特別注意。解決的方法主要有采用無功自動補償裝置以調(diào)節(jié)功率因數(shù)，同時可以根據(jù)具體情況在變頻器電源進線側(cè)加電抗器以減少對電網(wǎng)產(chǎn)生的影響，而進線電抗器可以由變頻器供應(yīng)商配套提供，但在訂貨時要加以說明。
（6）變頻器柜內(nèi)除本機專用的空氣開關(guān)外，不宜安置其它操作性開關(guān)電器，以免開關(guān)噪聲入侵變頻器，造成誤動作。
（7）應(yīng)注意限制最低轉(zhuǎn)速。在低轉(zhuǎn)速時，電機噪聲增大，電機冷卻能力下降，若負載轉(zhuǎn)矩較大或滿載，可能燒毀電機。確需低速運轉(zhuǎn)的高負荷變頻電機，應(yīng)考慮加大額定功率，或增加輔助的強風(fēng)冷卻。
（8）注意防止發(fā)生共振現(xiàn)象。由于定子電流中含有高次諧波成分，電機轉(zhuǎn)矩中含有脈動分量，有可能造成電機的振動與機械振動產(chǎn)生共振，使設(shè)備出現(xiàn)故障。應(yīng)在預(yù)先找到負載固有的共振頻率后，利用變頻器頻率跳躍功能設(shè)置，躲開共振頻率點。
5結(jié)束語
以上通過對變頻器運行過程中存在的干擾問題的分析，提出了解決這些問題的實際方法。隨著新技術(shù)和新理論不斷在變頻器上的應(yīng)用，變頻器應(yīng)用存在的這些問題有望通過變頻器本身的功能和補償來解決。隨著工業(yè)現(xiàn)場和社會環(huán)境對變頻器的要求不斷提高，滿足實際需要的真正“綠色”變頻器不久也會面世。
參考文獻
[1]韓安榮.通用變頻器及其應(yīng)用（第2版）[M].北京：機械工業(yè)出版社，2000
[2]吳忠智，吳加林，變頻器應(yīng)用手冊[Z].北京：機械工業(yè)出版社，1995
[3]王定華等.電磁兼容性原理與設(shè)計[M].四川：電子科技大學(xué)出版社，1995
[4]電磁兼容性術(shù)語（GB/T43651995）[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，1996
變頻調(diào)速技術(shù)有機的結(jié)合了其他技術(shù)和設(shè)備的優(yōu)點，在調(diào)速系統(tǒng)中具有無可比擬的競爭優(yōu)勢，同其他調(diào)速方式相比，變頻器不僅體積相對較小，具有較高的精度和較輕的質(zhì)量，還采用了一系列的先進工藝，具有多樣的應(yīng)用功能，另外，變頻器操作簡單易行，具有較高的可行性，在一定意義上為其廣泛應(yīng)用奠定了堅實的基礎(chǔ)。所以，近年來，變頻器在工業(yè)領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。除此以外，變頻器具有較低的成本，在調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用也將產(chǎn)生更加積極的意義。變頻器調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)用一方面能夠通過降低能源消耗，有效的節(jié)約機械設(shè)備的運行成本，另一方面也能創(chuàng)造更好的節(jié)能效果。具體而言，風(fēng)機變頻調(diào)速具有以下突出作用：首先，變頻調(diào)速能夠促進沖擊電流的減小，進而有效的防止電機啟停時由電流沖擊造成的一系列不良影響。其次，變頻調(diào)速輸入端子有正負之分，大大的減少了由交替切換造成的故障問題，減輕了相關(guān)工作人員的工作負擔(dān)。第三，風(fēng)機以及電機等設(shè)備采用變頻調(diào)節(jié)時，可以根據(jù)負荷率的實際情況及時靈活的調(diào)整自身的轉(zhuǎn)速，大大的減少了相關(guān)設(shè)備的磨損，延長了維護周期和設(shè)備的使用年限，有利于保障生產(chǎn)的持續(xù)、正常運行，節(jié)約了維護、檢修的費用。
2基于PLC的變頻器調(diào)速系統(tǒng)總體設(shè)計
2．1系統(tǒng)技術(shù)要求
首先，基于PLC的變頻器節(jié)能自動通風(fēng)系統(tǒng)中，通風(fēng)機能夠開展軟啟動，靈活地切換運行方式，通風(fēng)機的運行狀態(tài)可以在工頻以及變頻之間進行調(diào)整。其次，運行狀態(tài)為變頻的通風(fēng)機能夠以管網(wǎng)阻力的具體實際情況為依據(jù)對自身的轉(zhuǎn)速進行自動化的調(diào)節(jié)，使風(fēng)機的風(fēng)量始終能夠滿足實際的需求，另外，還能夠以有害氣體的濃度為依據(jù)對通風(fēng)機的轉(zhuǎn)速進行自動化的調(diào)整，減少或者杜絕了有害氣體濃度過高造成的影響。發(fā)生異常情況時，變頻器調(diào)速系統(tǒng)能夠及時的進行報警，并采取行之有效的處理措施，對風(fēng)機的狀態(tài)進行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。最后，綜合應(yīng)用上位機控制軟件以及PLC進行監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計，能夠以在線控制的方式對通風(fēng)機的局部運行情況進行監(jiān)視、控制以及管理，并以有關(guān)的參量為依據(jù)開展實時性的監(jiān)控。
2．2系統(tǒng)整體設(shè)計方案
基于PLC的變頻器調(diào)速系統(tǒng)是以PLC為主控單元，以變頻通風(fēng)機為被控元件，以有害氣體濃度為主控參數(shù)的，以模糊控制為具體的控制算法。PLC能夠運用傳感器及時的在內(nèi)存中錄入有害氣體的濃度，通過模糊控制對變頻器的輸出進行調(diào)節(jié)，以此對風(fēng)機的轉(zhuǎn)速進行全面的控制，實現(xiàn)清新空氣、環(huán)保節(jié)能的效果。一般情況下，通風(fēng)系統(tǒng)包含了觸摸屏、氣體傳感器、PLC、變頻器以及通風(fēng)機等基本的設(shè)施設(shè)備和技術(shù)，其工作方式具有自動、手動以及工頻三種，其中，手動調(diào)頻方式為開環(huán)控制系統(tǒng)，自動調(diào)頻方式為閉環(huán)控制系統(tǒng)。在發(fā)生故障等異常情況時，工作方式能夠進行自動化的調(diào)節(jié)，有利于維護生產(chǎn)運行的穩(wěn)定性以及安全性。
2．3系統(tǒng)硬件選擇
系統(tǒng)設(shè)計經(jīng)過驗證具有一定的可行性后，設(shè)計意圖的實現(xiàn)必須依靠硬件的有力支撐，所以，硬件的選擇相當(dāng)關(guān)鍵。首先，PLC型號的選擇要充分的考慮系統(tǒng)的實際需要，特別是要充分的考慮系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性以及控制的精度。另外，PLC還要具備較快的執(zhí)行速度和較為齊全的通訊功能，只有這樣，才能切實的滿足工廠自動化的需求，全面的提高系統(tǒng)的控制能力以及靈活性，保障指令具有較快的執(zhí)行速度。其次，在選擇變頻器時，要綜合全面的考慮變頻器的性能、功能、運行狀況以及參數(shù)設(shè)定，為系統(tǒng)提供更加豐富的應(yīng)用功能，切實的提高控制力度和速度，實現(xiàn)對電路、電壓以及相關(guān)設(shè)備的保護，有效的規(guī)避故障問題。在選用通風(fēng)機時，要考慮其具體的配置和運行狀況，盡量的選擇具有較高強度、較輕重量以及較好的通風(fēng)機。在選擇觸摸屏?xí)r，要重點考慮觸摸屏的顯示和保密功能、參數(shù)的修改以及設(shè)置功能，要優(yōu)先選用具有較快的觸鍵反應(yīng)、較豐富的系統(tǒng)和用戶畫面的觸摸屏，另外，要能夠?qū)ψ冾l器的工作狀態(tài)進行實時的監(jiān)控和控制。最后，由于系統(tǒng)監(jiān)測精度同有害氣體濃度息息相關(guān)、密不可分，所以，氣敏傳感器的選用相當(dāng)關(guān)鍵。在選用氣敏傳感器時，要充分考慮工藝、材料以及敏感性，能夠?qū)τ嘘P(guān)場所和設(shè)備的氣體檢驗提供報警、提醒等功能。
3基于PLC的變頻器調(diào)速系統(tǒng)軟件設(shè)計
系統(tǒng)設(shè)計質(zhì)量的高低同硬件以及軟件的組合有著緊密的聯(lián)系，所以，系統(tǒng)軟件設(shè)計也是一個不容忽視的環(huán)節(jié)。1）通信程序設(shè)計原則。通信系統(tǒng)作為通風(fēng)系統(tǒng)中不可或缺的構(gòu)成，對系統(tǒng)的整體性能有著深刻的影響。通信系統(tǒng)不僅可以以其良好的可靠性、穩(wěn)定性以及較大的容量服務(wù)于通風(fēng)系統(tǒng)，還能在故障發(fā)生時提供一定的解決措施，有利于維護系統(tǒng)的正常穩(wěn)定運行。一般情況下，通信設(shè)計的原則包含開放性、標(biāo)準(zhǔn)性、可行性以及經(jīng)濟性等，本文在此就不進行深入的研究了。2）系統(tǒng)主程序設(shè)計。系統(tǒng)控制程序主要包含五個部分。其中，主控制程序主要是對工頻、手動以及自動等運行方式進行控制，調(diào)用程序以及設(shè)置時間，當(dāng)有害氣體濃度超過一定的范圍時及時的進行報警，當(dāng)發(fā)生異常情況或者有關(guān)的設(shè)備發(fā)生故障時，進行報警并提供相應(yīng)的解決措施，能夠充分的保障系統(tǒng)的正常運行。子程序0可以初始化有關(guān)的參數(shù)，執(zhí)行完控制程序后，當(dāng)風(fēng)機運行是以自動變頻的方式時，子程序0就會得到應(yīng)用。當(dāng)有害氣體濃度極限值超出了有關(guān)的范圍時，在子程序調(diào)用前，還應(yīng)對拓展模塊的存在性進行仔細的檢驗，對電源的實際狀況進行檢查，一旦發(fā)生異常情況時，就要及時的關(guān)閉主程序；當(dāng)一切正常后接下來就調(diào)用子程序2，子程序2的主要功能在于對有害氣體的濃度進行采集，并計算有關(guān)數(shù)值的平均值。當(dāng)有害氣體濃度值超過一定范圍時，中斷程序就要進行斷電標(biāo)志的設(shè)置，否則，就進行寄存器的錄入，將電壓值轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，并通過模擬控制器對通風(fēng)機變頻方式進行調(diào)節(jié)。在主程序中，中斷程序的執(zhí)行次數(shù)是以設(shè)置的中斷控制時間為依據(jù)的。
4結(jié)語
在現(xiàn)代社會和經(jīng)濟活動中,電梯已是城市物質(zhì)文明的一種標(biāo)志。在高層建筑中,電梯是不可缺少的垂直運輸設(shè)備。電梯按照服務(wù)對象不同被分為:客梯、貨梯、扶梯、液壓梯、雜物梯等。
貨梯以其承重能力強的特點，可在最短時間、最效率的空間，提供承載貨物的最大值，求得最大的經(jīng)濟效益。因此，貨梯已成為工廠、倉儲、百貨商場、物業(yè)中心等單位運輸貨物的最佳拍檔。
目前，貨梯占整個電梯市場份額大約20%左右，而且這個比例在近年來一直在增長。隨著貨梯不斷的被投入市場，客戶對于貨梯的控求也越來越高。原有被使用于客梯生產(chǎn)的變壓變頻技術(shù)也被廣泛地用于貨梯生產(chǎn)，使貨梯在低速狀態(tài)下，能夠運行平穩(wěn)。牽引式電梯為最常見的貨梯驅(qū)動方式,如圖1所示。這種驅(qū)動方式，是利用主電機拖動所產(chǎn)生的動力，經(jīng)偏位輪帶動車廂，可順暢無阻地升降。其它方面，只須考慮建筑物對于電梯的支撐力量是否足夠即可。變頻器在這種驅(qū)動方式的電梯中扮演非常重要的角色。
圖1牽引式電梯結(jié)構(gòu)示意圖
2貨梯運行時對驅(qū)動系統(tǒng)的工藝要求
2.1電梯主電動機的運行狀態(tài)
電梯主電動機的4象限運行如圖2所示。
(1)第1象限(正轉(zhuǎn)電動狀態(tài))
轎廂滿載(轎廂重量>對重重量)上升。
(2)第4象限(反轉(zhuǎn)發(fā)電狀態(tài)):轎廂下降。
圖2電梯主電動機的4象限運行
(3)第2象限(正轉(zhuǎn)發(fā)電狀態(tài)):轎廂輕載(轎廂重量<對重重量)上升。由于對重的重力將拉著轎廂上升，使電動機的轉(zhuǎn)速超過同步轉(zhuǎn)速，處于發(fā)電機狀態(tài)。
(4)第3象限(反轉(zhuǎn)電動狀態(tài)):轎廂輕載下降。
2.2對電梯的控制要求
短暫掀動安裝在轎廂內(nèi)或井道外的觸點按鈕，經(jīng)過適當(dāng)?shù)碾姶泡o助裝置來激發(fā)電機起動裝置，進而起動轎廂，而電梯則通過轎廂機械裝置自動停梯，響應(yīng)外部召喚。作為驅(qū)動設(shè)備的變頻器是否能夠提供足夠的起動/制動轉(zhuǎn)矩、是否能使四象限運行的平穩(wěn);又是否能快速及時的響應(yīng)順序信號，都是評判貨梯中驅(qū)動設(shè)備性能好壞的標(biāo)準(zhǔn)。
3臺安的V2是貨梯的首選驅(qū)動設(shè)備
3.1臺安V2系列變頻器的特點
(1)采用先進的電流向量控制技術(shù)。
臺安的V2系列變頻器，這款采用先進的電流向量控制技術(shù)，具備動態(tài)Auto-tuning功能，開路形式即不附PG卡1Hz能達到200%扭矩輸出;當(dāng)采用閉回路形式即
圖3V2的T-N曲線
附PG反饋卡時，0Hz時就能有180%的扭矩輸出，圖3所示為V2的T-N曲線。
圖4V2在100%負載,輸出1Hz時的正弦波電流波形
(2)頻率響應(yīng)快
V2核心芯片采用32位RISCCPU控制，頻率響應(yīng)速度為28Hz(3.5ms)，提供更快、更及時的響應(yīng)指標(biāo)，使各項保護更穩(wěn)定。在貨梯這種應(yīng)用場合中使用，可駕輕就熟、游刃有余。圖4所示為V2在100%負載,輸出1Hz時的正弦波電流波形
V2系列變頻器驅(qū)動接線圖5所示。
圖5V2系列變頻器的接線
3.2使用時的注意事項
(1)采用向量不帶PG的控制形式，驅(qū)動部分時序圖如圖6所示。
圖6驅(qū)動部分時序圖
(2)低速時可提供高轉(zhuǎn)矩輸出
貨梯一般動作形式需要使用兩段速運轉(zhuǎn)，啟動與停止時為低速，可確保停止時定位精度;也可使啟動狀態(tài)也不會造成轎廂晃動。低速運行時有必要增加相應(yīng)的轉(zhuǎn)矩補償，停止時要使用直流制動功能。
(3)互鎖功能提供更高的安全系數(shù)
V2拖動貨梯的主驅(qū)動電機使轎廂電梯作垂直運行時，電機一定要與外部機械抱閘裝置配合使用，以確保變頻器停止輸出時，箱體不會出現(xiàn)下墜。因此V2的多功能輸出端子R1B/R1C必須與R2A/R2B串聯(lián)，接至外部機械制動裝置，實現(xiàn)開/關(guān)安全互鎖功能。而且在安裝時要特別注意變頻器與機械制動的銜接一定要準(zhǔn)確無誤。
為實現(xiàn)以上操作需要設(shè)定的參數(shù)見附表:
(4)減速時失速防止
減速狀態(tài)下，制動電阻可將電機在發(fā)電狀況下反饋給變頻器的能量予以吸收，所以必須將變頻器“減速中失速防止功能設(shè)為無效”。注意:如果設(shè)定“減速時失速防止”有效，可能會引起變頻器無法在設(shè)定的減速時間內(nèi)停下。
(5)Autotuning(自學(xué)習(xí))電機自適應(yīng)調(diào)節(jié)
執(zhí)行電機參數(shù)自學(xué)習(xí)之前，要確定電機與負載分離。否則，變頻器在空載試驗中觀測到的電機參數(shù)與電機的實際情況有出入，會影響電機的輸出效應(yīng)。
(6)制動電阻過熱保護
當(dāng)制動電阻被頻繁使用時，可外加電子熱繼電器來防止制動電阻出現(xiàn)過熱情況，這項功能需設(shè)定相應(yīng)的順序操作電路。
(7)瞬停再起動功能
貨梯這類負載在瞬間停電的狀態(tài)時，不可使用瞬間停電再起動功
能及自動復(fù)歸功能。設(shè)定變頻器參數(shù)時，要將這兩項參數(shù)設(shè)為無效。
(8)轉(zhuǎn)矩限制功能
可將轉(zhuǎn)矩限制設(shè)定值設(shè)為電機額定轉(zhuǎn)矩輸出的參考值。
(9)通訊功能
V2除內(nèi)建世界通用的ModbusRTU模式RS485通信端口;另可通過擴展的通信適配卡，與各種通信接口聯(lián)機，可被接入應(yīng)用總線技術(shù)的電梯控制系統(tǒng)，電機的運行信息就可以和智能化大廈所有自動化信息系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)，方便智能大廈的群控管理。
(10)寬電壓范圍運行
V2使用電壓范圍相當(dāng)廣，適用于世界各地使用(特別針對國內(nèi)電網(wǎng)波動較大的情形)
3相200V級:200~240VAC+10%/-10%
3相400V級:380~480VAC+10%/-10%
4結(jié)束語
V2低頻時良好的輸出特性，保證了貨梯轎廂在低速時起/停平穩(wěn);V2的控頻精度高，使轎廂在各個軌道位置定位也非常準(zhǔn)確。又更因為其優(yōu)良的性價比，使V2頗受貨梯廠歡迎。另外，V2內(nèi)建的通訊功能，可方便的提供給用戶其想要掌控的電梯運行信息?？傊?，貨梯裝置在引入V2系列變頻器以后，能以較低的使用成本獲得理想的運行效果。
參考文獻
關(guān)鍵詞：變頻器；正弦波脈寬調(diào)制；專用集成電路；智能功率模塊
引言
由于電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，交流變頻調(diào)速已上升為電氣傳動的主流，正在逐步取代傳統(tǒng)的直流傳動。而從性價比的角度來看，交流變頻調(diào)速裝置已經(jīng)優(yōu)于直流調(diào)速裝置。
異步電機的變頻調(diào)速不僅可以實現(xiàn)平滑調(diào)節(jié)，還有著許多其他交流調(diào)速系統(tǒng)不可比擬的優(yōu)點：交流變頻調(diào)速在頻率范圍、動態(tài)響應(yīng)、調(diào)速精度、低頻轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)差補償、通信功能、智能控制、功率因數(shù)、工作效率、使用方便等方面的優(yōu)勢是其他的交流調(diào)速方式難以達到的，并以體積小、重量輕、通用性強、保護功能完善、可靠性高、操作簡便等優(yōu)點，深受鋼鐵、冶金、礦山、石油、化工、醫(yī)藥、紡織、機械、電力、輕工、造紙、印刷、卷煙、自來水等行業(yè)的歡迎，社會效益非常顯著。
變頻調(diào)速雖然在各個方面有其優(yōu)勢，但其早期昂貴的造價和可靠性問題使許多用戶望而卻步。降低造價和提高可靠性一直是交流變頻調(diào)速的重要課題。
本文針對一般小功率交流異步電動機變頻調(diào)速的要求，采用上世紀(jì)90年代末才推出的多功能高集成度專用SPWM控制芯片SA866和智能功率模塊PS21255開發(fā)了一種新型通用變頻器。其整?結(jié)構(gòu)簡潔，具有比較完善的功能，滿足了空調(diào)、洗衣機等家電及小型紡織、塑料加工等工業(yè)的自動化生產(chǎn)線對變頻器低成本、高可靠性、高性能的要求，并已經(jīng)在廣東、江蘇等多家工廠生產(chǎn)中得到應(yīng)用。
1SA866和PS21255功能介紹
1.1SA866功能簡介
1.1.1功能特點
SA866是專用于交流異步電機SPWM控制的集成電路。它除了根據(jù)設(shè)定參數(shù)產(chǎn)生合乎要求的SPWM脈沖外，還集成了多種保護功能，并可在緊急情況下，如短路和過載時快速關(guān)斷SPWM脈沖，保護逆變器和電機。它的最大特點是可以獨立運行，無須微處理器控制。它的輸出頻率以及加速減速頻率都可由外接電位器在線連續(xù)調(diào)節(jié)。所有須定義的參數(shù)如載波頻率、死區(qū)時間、最小脈寬、調(diào)制波形、V/f曲線等均存儲在外接的廉價EEPROM中，上電時自動讀入SA866中。SA866有6種工作模式，與微處理器配合使用，基本做到了低價格多功能。
1.1.2管腳說明
該芯片采用PLCC封裝,共有32個管腳,各管腳排列如圖1所示。
各管腳功能如下。
1）電源VDDD和VDDA分別為數(shù)字電源和模擬電源；VSSADC為A/D轉(zhuǎn)換電源，它們接一個＋5V的電源；VSSD和VSSA分別為數(shù)字電源和模擬電源的地；VREFIN為A/D轉(zhuǎn)換參考電壓（＋2.5V）。
2）串行接口SDA，SCL和CS用于從EEPROM獲取數(shù)據(jù)，分別為數(shù)據(jù)，時鐘和片選信號。
3）控制及輸出SETPOINT為頻率給定端，該腳的輸入電壓將決定系統(tǒng)的工作頻率；RACC和RDEC分別確定加速和減速的時間；RPHT，YPHT，BPHT，RPHB，YPHB和BPHB為橋臂脈沖信號輸出，其中RPHT，YPHT和BPHT分別對應(yīng)三相輸出的上橋臂；RPHB，YPHB和BPHB分別對應(yīng)三相輸出的下橋臂；DIR控制三相順序，該腳對應(yīng)高低電平有兩個方向的PWM波供用戶選擇。
4）工作狀態(tài)選擇SERIAL決定與SA866連接的是EEPROM還是微處理器，高電平表示與EEPROM連接；PAGE0和PAGE1決定采用的是EEPROM的哪一頁參數(shù)。
5）保護VMON為過電壓信號輸入端，減速過程中此端電平若大于2.5V，就啟動過電壓保護動作，將輸出頻率固定在當(dāng)前值；IMON為過電流信號輸入端，升速過程中，電平若大于2.5V，內(nèi)部過流保護就動作，不再繼續(xù)升速，直到過流信號消失；SETTRIP為緊急停機信號，可快速禁止PWM脈沖輸出；TRIP端表示禁止輸出狀態(tài)，低電平有效，該信號只有在復(fù)位信號RESET下才能被解除。
1.2PS21255功能簡介
1.2.1功能特點
與常規(guī)的IGBT模塊相比，PS21255具有如下特點：
1）內(nèi)含驅(qū)動電路IPM設(shè)定了內(nèi)部IGBT的最佳驅(qū)動條件，驅(qū)動電路離IGBT較近，可以大大減少信號傳輸阻抗，且受外界干擾小，因此不需加反向偏壓，同時，本模塊采用自舉電路，從而擺脫了控制電源不共地的限制，使用一個電源，即可實現(xiàn)方便的控制；
2）內(nèi)含各種保護使內(nèi)部IGBT因故障損壞的幾率大大降低，這些保護包括短路保護(SC)，控制電路欠壓保護(UV)等；
3）內(nèi)部報警輸出(FO)該信號送到控制PWM產(chǎn)生器，封鎖脈沖輸出，進而停止系統(tǒng)工作；
4）散熱效果好采用陶瓷絕緣結(jié)構(gòu)，扁平封裝，可以直接安裝在散熱器上；
5）端子布局合理，便于安裝強弱電的輸出輸入端分別安排在模塊的兩側(cè),做到盡量減少干擾。
1.2.2管腳說明
該模塊的外形及端子分布如圖2所示。IPM(PS21255)模塊外部端子在布局上強弱電分開，P及N為直流輸入端，P為正端，N為負端；U，V，W為逆變器三相輸出端；UP，VP，WP為上橋臂U，V，W各相脈沖信號輸入端；UN，VN，WN為下橋臂U，V，W各相脈沖信號輸入端；VP1及VPC為上橋臂工作電源輸入端，VP1為正端，VPC為負端；VN1及VNC為下橋臂工作電源輸入端，VN1為正端，VNC為負端；CIN為電流檢測信號輸入端；FO為故障輸出端（低電平有效）；CFO為故障輸出脈寬控制端；VUFB及VUFS為U相自舉電路兩端，VUFB為高端，VUFS為低端；VVFB及VVFS為V相自舉電路兩端，VVFB為高端，VVFS為低端；VWFB及VWFS為W相自舉電路兩端，VWFB為高端，VWFS為低端。
2系統(tǒng)設(shè)計
2.1硬件電路
我們開發(fā)的小功率通用變頻器，采用單相交流供電，經(jīng)整流濾波后送入逆變橋，再由逆變橋?qū)⒃撝绷麟娔孀兂扇郪VVF（variablevoltagevariablefrequency）電源，以驅(qū)動電機。整個系統(tǒng)分為主電路和控制電路兩部分。系統(tǒng)構(gòu)成框圖如圖3所示。
主電路采用二極管整流，大容量的電解電容濾波，IPM模塊為主電路的核心部分，它包含6個IGBT構(gòu)成三相逆變橋，且各有自己的驅(qū)動電路和保護電路，整個模塊還有短路及控制電路欠壓保護功能。它的輸入可以兼容TTL電平輸入。
控制電路主要有控制電源和以SA866為核心的SPWM波發(fā)生及驅(qū)動電路。控制電源采用7805和7815提供直流穩(wěn)壓電源。SA866AE通過10位數(shù)模轉(zhuǎn)換器和外接正反向方向腳,可實現(xiàn)轉(zhuǎn)速的連續(xù)調(diào)節(jié)和正反向切換。所有的運行參數(shù)，包括載波頻率、波形、最小脈沖寬度、死區(qū)脈寬和V/f曲線等都是通過外接的EEPROM編程。由于輸入電壓和反饋能量都將直接反映在直流環(huán)節(jié)上，所以，整個系統(tǒng)的電壓電流檢測及保護取樣均集中在直流環(huán)節(jié)。驅(qū)動逆變橋所須的PWM信號則由ASIC芯片SA866提供，經(jīng)反向后送給IPM模塊。
EEPROM選用93LC46，它只須＋5V的電壓即可工作?？芍貜?fù)地擦寫106次。該芯片的封裝形式為DIP－8，其中VCC和VSS分別為5V電源輸入的正負端，CLK為時鐘信號輸入端，DI為數(shù)據(jù)輸入端，DO為數(shù)據(jù)輸出端，ORG為內(nèi)部數(shù)據(jù)的存儲結(jié)構(gòu)，進行8位或16位的選擇。將需要設(shè)定的參數(shù)寫入EEPROM，系統(tǒng)在上電時就自動從EEPROM里面將參數(shù)字讀入SA866，依據(jù)所設(shè)定的參數(shù)字，系統(tǒng)產(chǎn)生相應(yīng)的脈沖波形用來控制主電路中模塊的開或關(guān)。
2.2參數(shù)計算與設(shè)定
1）載波頻率(CFS)載波頻率是外接時鐘頻率和一個倍率系數(shù)N的函數(shù)，N的十進制值由初始化寄存器中的一個3位的CFS字決定。載波頻率fCARR由式（1）決定。
fCARR=fCLK/(512×2n＋1)（1）
式中：fCLK為時鐘輸入頻率，本系統(tǒng)所選用的晶振為20MHz。取n=1，CFS=001，實際fCARR==9.766kHz。
2）輸出電源頻率范圍(FRS)頻率范圍給出了輸出頻率的上限值。頻率范圍fRANCE=fCARR×2m/384，取m=1，即FRS=(001)B。
3）死區(qū)時間（tpdy）tpdy=（63－PDY）/（fCARR×512）；PDY在0～63之間，取PDY=37=（100101）B；則實際的tpdy=(26/26.2144)5μs=4.959μs。
4）脈沖取消時間(PDT)經(jīng)調(diào)制后SPWM的脈寬可以很小，但實際上，過小的脈寬沒有用，因為時間過短，功率管還沒來得及完全打開就關(guān)閉了，只增加了功率管的損耗，降低了系統(tǒng)的效率。脈沖取消時間tpd=(127－PDT)/(fCARR×512)；依此公式，若定義最小寬度為3μs，實際最小脈寬為tpd－tpdy，則tpd=7.959μs，可得PDT=85.272，取PDT=85=（1010101）B，因此，實際tpd=8.01μs，脈沖最小寬度為tpd－tpdy=8.01μs－4.959μs=3.051μs。
5）波形選擇SA866AE有三種標(biāo)準(zhǔn)波形供選擇，即純正弦波，正弦波帶三次諧波（增強型）和帶死區(qū)的三次諧波（高效型）。波形采用對稱技術(shù)保證每個功率管的開通角度相同。本系統(tǒng)選用帶三次諧波的正弦波作為調(diào)制波，即有：WS=（01）B。
6）V/f曲線控制FC用來確定是線性定律還是風(fēng)扇定律，本系統(tǒng)設(shè)定工作在線性曲線狀態(tài)，即FC=0。圖4為SA866AE/AM所提供的線性特性。PED是一個8位參數(shù)，用來確定在頻率為0時電機上的電壓。如果設(shè)置PED=255，則VVVF線性特性沒用。Pedestal(％)=PED×100/255，本系統(tǒng)的初始值設(shè)定為10％，可得PED=25.5，取25，實際的Pedestal(％)=9.8。GRAD為一個8位二進制數(shù)，決定恒轉(zhuǎn)矩區(qū)曲線的斜率，根據(jù)基頻和PED值計算：GRAD=(255－PED)×fRANGE/（16×fbase）；GRAD255，取fbase=50Hz；則有GRAD=15=（1111）B。
7）其他參數(shù)由于線性曲線中不用KAY，在此KAY=（0000000）B；A/D轉(zhuǎn)換的零閾值的控制參數(shù)ZTH=（00）B；將上述所有參數(shù)字經(jīng)統(tǒng)計得CHKSUM=（001）B。AWS=（0000）B。
由上述計算可得到參數(shù)分布表如表1所列。
表1參數(shù)分布表
ADDRESS
MSB(15～8)
LSB(7～0)
001100
00001111
00011001
001101
10010100
10101010
001110
00101001
00000000
001111
11111110
＊＊＊＊＊＊＊＊
表中“＊”表示任意項，在寫入時寫成01010101
山東風(fēng)光電子有限公司是在多年研制中低壓變頻器的基礎(chǔ)上，綜合了國內(nèi)外高壓大功率變頻器的多種方案的優(yōu)缺點，采用最優(yōu)方案研制成功的，并于2002年12月通過了省級科技成果及產(chǎn)品鑒定，成為國內(nèi)生產(chǎn)高壓大功率變頻器的為數(shù)較少的幾個企業(yè)之一。
2國內(nèi)現(xiàn)生產(chǎn)的高壓大功率變頻器的方案及優(yōu)缺點
目前，國內(nèi)生產(chǎn)的高壓大功率變頻器中，以2種方案占主流:一種是功率單元串聯(lián)形成高壓的多重化技術(shù);另一種是采用高壓模塊的三電平結(jié)構(gòu)。而其他的采用高-低-高方案的，由于輸出升壓變壓器技術(shù)難度高，成本高，占地面積大，都已基本被淘汰。因此采用高-高方案是高壓大功率變頻器的主要發(fā)展方向。
而高-高方案又分為多重化技術(shù)(簡稱CSML)和三電平(簡稱NPC)方案，目前有的廠家生產(chǎn)的高壓大功率變頻器是采用的三電平方案，而大多數(shù)廠家則是采用低壓模塊、多單元串聯(lián)的多重化技術(shù)。這2種方案比較，各有優(yōu)缺點，主要表現(xiàn)在:
(1)器件
采用CSML方式，器件數(shù)量較多，但都是低壓器件，不但價格低，而且易購置，更換方便。低壓器件的技術(shù)也較成熟。而NPC方案，采用器件少，但成本高，且購置困難，維修不方便。
(2)均壓問題(包括靜態(tài)均壓和動態(tài)均壓)
均壓是影響高壓變頻器的重要因素。采用NPC方式，當(dāng)輸出電壓較高時(如6kV)，單用單個器件不能滿足耐壓要求，必須采用器件直接串聯(lián)，這必然帶來均壓問題，失去三電平結(jié)構(gòu)在均壓方面的優(yōu)勢，系統(tǒng)的可靠性也將受到影響。而采用CSML方案則不存在均壓問題。唯一存在的是當(dāng)變頻器處于快速制動時，電動機處于發(fā)電制動狀態(tài)，導(dǎo)致單元內(nèi)直流母線電壓上升，各單元的直流母線電壓上升程度可能存在差異，通過檢測功率單元直流母線電壓，當(dāng)任何單元的直流母線電壓超過某一閾值時，自動延長減速時間，以防止直流母線電壓上升，即所謂的過壓失速防止功能。這種技術(shù)在低壓變頻器中被廣泛采用，非常成功。
(3)對電網(wǎng)的諧波污染和功率因數(shù)
由于CSML方式輸入整流電路的脈波數(shù)超過NPC方式，前者在輸入諧波方面的優(yōu)勢很明顯，因此在綜合功率因數(shù)方面也有一定的優(yōu)勢
(4)輸出波形
NPC方式輸出相電壓是三電平，線電壓是五電平。而CSML方式輸出相電壓為11電平，線電壓為21電平(對五單元串聯(lián)而言)，而且后者的等效開關(guān)頻率大大高于前者，所以后者在輸出波形的質(zhì)量方面也高于前者。
(5)dv/dt
NPC方式的輸出電壓跳變臺階為高壓直流母線電壓的一半，對于6kV輸出變頻器而言，為4kV左右。CSML方式輸出電壓跳變臺階為單元的直流母線電壓，不會超過1kV，所以前者比后者的差距也是很明顯的。
(6)系統(tǒng)效率
就變壓器與逆變電路而言，NPC方式與CSML方式效率非常接近。但由于輸出波形質(zhì)量差異，若采用普通電機，前者必須設(shè)置輸出濾波器，后者不必。而濾波器的存在大約會影響效率的0.5%左右。
(7)四象限運行
NPC方式當(dāng)輸入采用對稱的PWM整流電路時，可以實現(xiàn)四象限運行，可用于軋機、卷揚機等設(shè)備;而CSML方式則無法實現(xiàn)四象限運行。只能用于風(fēng)機、水泵類負載。
(8)冗余設(shè)計
NPC方式的冗余設(shè)計很難實現(xiàn)，而CSML方式可以方便的采用功率單元旁路技術(shù)和冗余功率單元設(shè)計方案，大大的有利于提高系統(tǒng)的可靠性。
(9)可維護性
除了可靠性之外，可維護性也是衡量高壓大功率變頻器的優(yōu)劣的一個重要因素，CSML方式采用模塊化設(shè)計，更換功率單元時只要拆除3個交流輸入端子和2個交流輸出端子，以及1個光纖插頭，就可以抽出整個單元，十分方便。而NPC方式就不那么方便了。
總之，三電平電壓形變頻器結(jié)構(gòu)簡單，且可作成四象限運行的變頻器，應(yīng)用范圍寬。如電壓等級較高時，采用器件直接串聯(lián)，帶來均壓問題，且存在輸出諧波和dv/dt等問題，一般要設(shè)置輸出濾波器，在電網(wǎng)對諧波失真要求較高時，還要設(shè)置輸入濾波器。而多重化PWM電壓型變頻器不存在均壓問題，且在輸入諧波及dv/dt等方面有明顯優(yōu)勢。對于普通的風(fēng)機、水泵類一般不要求四象限運行的場合，CSML變頻器有較廣闊的應(yīng)用前景。這類變頻器又被國內(nèi)外設(shè)計者稱之為完美無諧波變頻器。
我公司的設(shè)計人員經(jīng)過多方探討，綜合各種方案的優(yōu)缺點，最后選定了完美無諧波變頻器的CSML方案作為我們的最佳選擇，這就是我們向市場推出的JD-BP37和JD-BP38系列的高壓大功率變頻器。
3變頻器的性能特點
(1)變頻器采用多功率單元串聯(lián)方案，輸出波形失真小，可配接普通交流電機，無須輸出濾波器。
(2)輸入側(cè)采用多重化移相整流技術(shù)，電流諧波小，功率因數(shù)高。
(3)控制器與功率單元之間的通信用多路并行光纖實現(xiàn)，提高了抗干擾性及可靠性。
(4)控制器中采用一套獨立于高壓源的電源供電系統(tǒng)，有利于整機調(diào)試和操作人員的培訓(xùn)。
(5)采用全中文的Windows彩色液晶顯示觸摸界面。
(6)主電路模塊化設(shè)計，安裝、調(diào)試、維護方便。
(7)完整的故障監(jiān)測和報警保護功能。
(8)可選擇現(xiàn)場控制、遠程控制。
(9)內(nèi)置PID調(diào)節(jié)器，可開環(huán)或閉環(huán)運行。
(10)可根據(jù)需要打印輸出運行報表。
4工作原理
4.1基本原理
本變頻器為交-直-交型單元串聯(lián)多電平電壓源變頻調(diào)速器，原理框圖如圖1所示。單元數(shù)的多少視電壓高低而定，本處以每相為8單元，共24單元為例。每個功率單元承受全部的電機電流、1/8的相電壓、1/24的輸出功率。24個單元在變壓器上都有自立獨立的三相輸入繞組。功率單元之間及變壓器二次繞組之間相互絕緣。二次繞組采用延邊三角形接法，目的是實現(xiàn)多重化，降低輸入電流的諧波成分。24個二次繞組分成三相位組，互差為20°,以B相為基準(zhǔn)，A相8個單元對應(yīng)的8個二次繞組超前B相20°，C相8個單元對應(yīng)的8個二次繞組落后B相20°，形成18脈沖整流電路結(jié)構(gòu)。整機原理圖如圖2所示。
4.2功率單元電路
圖1方案原理框圖
圖2整機原理圖（為了簡明，圖中僅畫了18單元）
所有單元都有6支二極管實現(xiàn)三相全波整流，有4個IGBT管構(gòu)成單相逆變電路。功率單元的主電路如圖3所示，4個IGBT管分別用T1、T2、T3、T4表示，它們的門極電壓分別是UG1、UG2、UG3、UG4、
每個功率單元的輸出都是一樣的PWM波。功率單元輸出波形如圖4所示。逆變器采用多電平移相PWM技術(shù)。同一相的功率單元輸出完全相同的基準(zhǔn)電壓(同幅度、同頻率、同相位)。多個單元迭加后的輸出波形如圖5所示。
4.3系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與控制
(1)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
整個系統(tǒng)有隔離變壓器、3個變頻柜和1個控制柜組成，參見圖6。
圖3功率單元主回路
圖4單元電路波形圖
圖56個單元輸出迭加后的波形
圖6系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
a)隔離變壓器
原邊為星形接法，副邊共有24個獨立的三相繞組，為了適應(yīng)現(xiàn)場的電網(wǎng)情況，變壓器原邊留有抽頭
b)變頻柜
A、B、C三相分裝在3個柜內(nèi)，可分別稱為A柜、B柜、C柜
c)控制柜
柜內(nèi)裝有控制系統(tǒng)，柜前板上裝有控制面板、控制接線排等。由于電壓等級和容量的不同，不同機型的單元的數(shù)量不同，面板的布置也會有些不同。
4.4系統(tǒng)控制
整機控制系統(tǒng)有16位單片機擔(dān)任主控，24個功率單元都有一個自己的輔助CPU，由8位單片機擔(dān)任，此外還有一個CPU，也是8位單片機，負責(zé)管理鍵盤和顯示屏。
(1)利用三次諧波補償技術(shù)提高了電源電壓利用率。
(2)控制器有一套獨立于高壓電源的供電體系，在不加高壓的情況下，設(shè)備各點的波形與加高壓情況相同，這給整機可靠性、調(diào)試帶來了很大方便。
(3)系統(tǒng)采用了先進的載波移相技術(shù)，它的特點是單元輸出的基波相迭加、諧波彼此相抵消。所以串聯(lián)后的總輸出波形失真特別小。
5現(xiàn)場應(yīng)用
本公司分別于2002年8月、10月和2003年3月、4月分別在山東萊蕪鋼鐵股份有限公司煉鐵廠、遼河油田錦州采油廠、浙江永盛化纖有限公司應(yīng)用了本公司生產(chǎn)的高壓大功率變頻器JD-BP37-630F2臺、JD-BP38-355、JD-BP37-550F各1臺。從運行情況看:
(1)變頻器結(jié)構(gòu)緊湊，安裝簡單
由于變頻器所有部分都裝在柜里，不需要另外的電抗器、濾波器、補償電容、啟動設(shè)備等一系列其他裝置，所以體積小，結(jié)構(gòu)緊湊，安裝簡單，現(xiàn)場配線少，調(diào)試方便。
(2)電機及機組運行平穩(wěn)，各項指標(biāo)滿足工藝要求。
由變頻器拖動的電機均為三相普通的異步電動機，在整個運行范圍內(nèi)，電機始終運行平穩(wěn)，溫升正常。風(fēng)機啟動時的噪音及啟動電流很小，無任何異常震動和噪音。在調(diào)速范圍內(nèi)，軸瓦的最高溫升均在允許的范圍內(nèi)。
(3)變頻器三相輸出波形完美，非常接近正弦波。
經(jīng)現(xiàn)場測試，變頻器的三相輸出電壓波形、電流波形非常標(biāo)準(zhǔn)，說明變頻器完全可以控制一般的普通電動機運行，對電機無特殊要求。
(4)變頻器運行情況穩(wěn)定，性能良好。
該設(shè)備投運以來，變頻器運行一直十分穩(wěn)定。設(shè)備運行過程中，我公司技術(shù)人員對變頻器輸入變壓器的溫升，功率單元溫升定期巡檢，完全正常。輸出電壓及電流波形正弦度很好，諧波含量極少，效率均高于97%，優(yōu)于同類進口設(shè)備。
(5)運行工況改善，工人勞動強度降低。
變頻器可隨著生產(chǎn)的需要自動調(diào)節(jié)電動機的轉(zhuǎn)速，達到最佳效果，工人工作強度大大降低。
(6)變頻器操作簡單，易于掌握及維護。
變頻器的起停，改變運行頻率等操作簡便，操作人員經(jīng)過半個小時培訓(xùn)就可以全面掌握。另外，變頻器各種功能齊全，十分完善，提高了設(shè)備可靠性，而且節(jié)電效果明顯。以山東萊鋼股份有限公司應(yīng)用的JD-BP37-630F變頻器為例，該系統(tǒng)生產(chǎn)周期大約為1h，出鐵時間為20min，間隔約40min，系統(tǒng)配置電機的額定電流為80A，根據(jù)運行情況，及其它生產(chǎn)線的實際運行情況，預(yù)計該電機運行電流應(yīng)在60A，以變頻器上限運行頻率45HZ時，電流為45A，間隔時間運行頻率20HZ時，電流為20A。根據(jù)公式測算節(jié)能效果達到42.7%。
6結(jié)束語
從這幾臺這幾個月的運行情況看，我公司自行研制生產(chǎn)的高壓大功率變頻器，運行穩(wěn)定可靠，節(jié)能效果顯著，改善了工作人員的工作環(huán)境，降低了值班人員的勞動強度。變頻器對電機保護功能齊全，減少了維修費用，延長了電機及風(fēng)機的使用壽命，給用戶帶來了顯著的經(jīng)濟效益，深得用戶好評。據(jù)專家估計我們國家6kV以上的高壓大功率電機約有3萬多臺，約合650萬kW，因此，高壓大功率變頻器的市場是極其廣闊的。
工業(yè)蒸汽鍋爐的過程控制系統(tǒng)包括汽包水位控制系統(tǒng)和燃燒過程控制系統(tǒng)，兩系統(tǒng)在鍋爐運行過程中互相耦合，所以控制起來非常困難。在此，我們暫不考慮系統(tǒng)間的耦合，只是對蒸汽鍋爐的給水系統(tǒng)進行變頻改造。
某企業(yè)有2臺20T燃煤蒸汽鍋爐，如圖1所示。這2臺鍋爐通過1個給水母管分別給各自汽包供水，用汽量小的季節(jié)，2臺鍋爐只運行1臺，當(dāng)用汽量較大時，則必須2臺鍋爐同時運行。由于給水泵額定功率為37kw，一般情況下，1臺鍋爐運行時，只開1臺給水泵裕量仍較大，而2臺鍋爐同時運行且用汽量較大時，只開1臺給水泵無法滿足需要，而開2臺給水泵后，相對單臺鍋爐運行時，裕量更大。由于2臺鍋爐分別由2套DCS系統(tǒng)控制各自的電動閥門調(diào)節(jié)各自汽包的給水量，運行中，閥門開度較小造成給水母管壓力較大，不僅浪費了大量的電能，較高的水壓還對管道、水泵葉輪和閥門造成損害
2變頻改造方案
基于系統(tǒng)運行現(xiàn)狀，本著既能節(jié)能降耗，又能控制簡便、安全且投資較少的原則，我們設(shè)計了1套1臺變頻器拖動3臺電機的方案。具體如圖2所示。
在本方案中，充分利用了鍋爐層有的DCS控制系統(tǒng)，同時增加了變頻器、可編程序控制器(PLC)和控制信號轉(zhuǎn)換裝置。
(1)硬件控制系統(tǒng)
a)西門子MM430變頻器
MM430變頻器是西門子公司最新研制生產(chǎn)的一種適用于各種變速驅(qū)動應(yīng)用場合的高性能變頻器(調(diào)試簡單、配置靈活)，它具有最新的IGBT技術(shù)和高質(zhì)量控制系統(tǒng)，完善的保護功能和較強的過載能力以及較寬的工作環(huán)境溫度，安裝接線方便，兩路可編程的隔離數(shù)字輸入、輸出接口以及模擬輸入、輸出接口等優(yōu)點，使其配置靈活多樣，控制簡單方便，易于操作維護。
b)西門子S7-200型PLC
西門子S7-200型PLC可靠性高、抗干擾能力強，可直接安裝于工業(yè)現(xiàn)場而穩(wěn)定可靠的工作。適應(yīng)性強，應(yīng)用靈活。
(2)當(dāng)1臺鍋爐運行時
由于只開1臺給水泵，就足夠鍋爐汽包所需用水量，故此時，系統(tǒng)只對運行鍋爐的汽包水位進行恒液位控制即可。
將切換開關(guān)置于相應(yīng)位置，通過鍋爐原有DCS控制系統(tǒng)中的手動操作器將控制該鍋爐汽包進水量的電動閥完全打開后，再通過控制信號轉(zhuǎn)換裝置切斷該控制信號，使原有控制回路斷開，電動閥保持全開狀態(tài)，同時，將該鍋爐汽包液位信號切入PLC，讓PLC將該鍋爐汽包液位信號進行PID運算處理后，再由控制信號轉(zhuǎn)換裝置，將PLC輸出的4~20mA模擬信號傳遞給變頻器，從而控制變頻器的輸出轉(zhuǎn)速。
在本控制過程中，關(guān)鍵的問題是過程參數(shù)PID(P:比例系數(shù)I:積分系數(shù)、D:微分系數(shù))的整定。由于工業(yè)鍋爐運行過程中，用汽量的多小和蒸汽壓力的大小，決定了給水流量的大小和給水壓力的大小。為了保證系統(tǒng)的相對穩(wěn)定運行，不出現(xiàn)大的波動，對生產(chǎn)造成影響，在調(diào)試過程中，應(yīng)多次反復(fù)調(diào)整PID參數(shù)，直至出現(xiàn)最佳控制過程。
(3)當(dāng)兩臺鍋爐同進運行時
由于2臺鍋爐分別由兩套DCS系統(tǒng)控制，在運行過程，雖然蒸汽并網(wǎng)后壓力相同，但由于燃燒過程中存在不確定性，兩臺鍋爐汽包各自的液位就必然存在差異。因此，單臺鍋爐運行中所用的恒液位控制方案在此就不再適合。通過給水原理圖(圖1)我們不難發(fā)現(xiàn)，要對2臺鍋爐汽包的液位分別控制，最理想的方案是將1個給水母管向2臺鍋爐給水的現(xiàn)狀徹底改變，將給水系統(tǒng)分開，使每個鍋爐都有自己獨立的給水系統(tǒng)，再在此基礎(chǔ)上加裝變頻控制，由1臺變頻器單獨控制1臺鍋爐的給水。但此方案不僅改動較大，投資較高，且要停產(chǎn)改造，顯然是行不通的。為了能在不改變原有系統(tǒng)現(xiàn)狀的前提下，更好的利用變頻裝置，節(jié)能降耗，減小系統(tǒng)運行，維護費用，提高原有系統(tǒng)的自動化程度，我們針對該企業(yè)2臺鍋爐的運行特點，設(shè)計了一套專用于2臺(或2臺以上)鍋爐同時運行時的控制方案，即:蒸汽壓力和母管給水壓力的恒壓差控制方案。
當(dāng)2臺鍋爐同時運行時，由于外供蒸汽并管，故蒸汽壓力相同，又由于2鍋爐由同一母管給水，故給水壓力也相同。但由于蒸汽用量的變化不定和鍋爐燃燒情況的不同，蒸汽壓力是時刻變化的。這樣，為了能保證給鍋爐汽包供上水，就必須要求給水的壓力始終高于蒸汽壓力，由圖2我們看到，由PLC采集蒸汽壓力和母管給水壓力，通過處理、比較后，得到二者的差值，再將此差值通過PID運算處理，輸出4~20mA的模擬信號給控制信號轉(zhuǎn)換裝置。再由該裝置將信號傳輸給變頻器，從而控制變頻器的運行速度。這樣雖然可以保證給水母管壓力始終高于鍋爐蒸汽壓力(壓力差的大小可以通過PLC在一定范圍內(nèi)任意調(diào)節(jié))，但鍋爐各自汽包的液位卻無法再通過調(diào)節(jié)變頻器的轉(zhuǎn)速去控制。在此，我們充分利用了原有給水控制裝置，即汽包各自的進水電動閥門。仍由鍋爐原有DCS控制系統(tǒng)采集各自汽包的液位，蒸汽壓力，給水壓力和給水流量等信號，去相應(yīng)的調(diào)整進水電動閥的開度，從而控制各汽泡液位和進水流量。
此方案由于存在閥門的調(diào)節(jié)，所以理論上不能最大限度的節(jié)能降耗，但實際應(yīng)用中，由于減小了給水母管與蒸汽壓力之間的壓力差，使電動閥門的開度由原來的平均10%左右開大到75%左右，系統(tǒng)回水閥門關(guān)閉，仍大大節(jié)約了能源。且本方案充分考慮了系統(tǒng)運行的安全性，一旦變頻器故障，系統(tǒng)可立即自動由變頻運行狀態(tài)切換至原有工頻運行狀態(tài)，完全恢復(fù)改造前的運行狀態(tài)，保證鍋爐正常運行。變頻故障解除后，仍可方便的手動切換為變頻狀態(tài)，使變頻器方便的投入運行，且不影響鍋爐的運行。
3PLC
PLC是本系統(tǒng)的核心控制器件，它不僅辨識、處理各種運行狀態(tài)，進行系統(tǒng)間的邏輯運算和聯(lián)鎖保護，還對輸入的多個模擬信號進行處理、運算后，輸出標(biāo)準(zhǔn)的模擬信號控制變頻器的運行速度。主程序結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，其中，對液位信號進行PID運算的子程序，原理圖和程序框圖如圖3、圖4所示。
4注意事項
(1)由于變頻器產(chǎn)生高次諧波，會對通訊產(chǎn)生干擾，同時由于PLC采集模擬信號，要進行A/D和D/A轉(zhuǎn)換處理，在此過程中，容易受到變頻器高次諧波的影響而失真。因此，必須將變頻器零地分接且加裝液波裝置，對PLC用隔離變壓器供電，最好將PLC安裝于距離變頻器較遠的位置上。
(2)本系統(tǒng)所需液位、壓力等模擬信號均采至鍋爐原有控制系統(tǒng)，為了不影響原控制系統(tǒng)的安全性與完整性，應(yīng)將原有模擬信號通過隔離分路端子分路后采用。
(3)鍋爐給水是鍋爐運行過程中至關(guān)重要的環(huán)節(jié)之一，其運行的穩(wěn)定性與可靠性直接關(guān)系到整個鍋爐系統(tǒng)乃至整個企業(yè)生產(chǎn)運行的穩(wěn)定與安全。因此，一旦變頻器出現(xiàn)故障而停車后，系統(tǒng)可自動切換至原有工頻控制系統(tǒng)而不影響生產(chǎn)，這一聯(lián)鎖措施至關(guān)重要。
5結(jié)束語
(1)變頻調(diào)速是電氣傳動系統(tǒng)工程，而變頻器只是其中的一部分，變頻器容量、類型的選擇，電氣保護回路和控制回路的設(shè)計關(guān)系到變頻調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)用的可靠性、安全性和經(jīng)濟性。
(2)變頻調(diào)速系統(tǒng)是基于微電子、電力電子、計算機、自動控制和電機等技術(shù)上發(fā)展而來的，有其先進性，但也有其不足和缺點，如電磁干擾，高次諧波的寄生電容，以及低速運行時的電機溫升等。
(3)變頻調(diào)速技術(shù)以其節(jié)能、環(huán)保、方便、工作效率高等優(yōu)點，在現(xiàn)代企業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。若將其再與計算機技術(shù)有機的結(jié)合起來，實現(xiàn)資源共享，統(tǒng)一管理，則會進一步節(jié)能降耗，提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)穩(wěn)定性。
參考文獻
上世紀(jì)50年代末晶閘管在美國問世，標(biāo)志著電力電子技術(shù)就此誕生。第一代電力電子器件主要是可控硅整流器(SCR)，我國70年代將其列為節(jié)能技術(shù)在全國推廣。然而，SCR畢竟是一種只能控制其導(dǎo)通而不能控制關(guān)斷的半控型開關(guān)器件，在交流傳動和變頻電源的應(yīng)用中受到限制。70年代以后陸續(xù)發(fā)明的功率晶體管(GTR)、門極可關(guān)斷晶閘管(GTO)、功率MOS場效應(yīng)管(PowerMOSFET)、絕緣柵晶體管(IGBT)、靜電感應(yīng)晶體管(SIT)和靜電感應(yīng)晶閘管(SITH)等，它們的共同特點是既控制其導(dǎo)通，又能控制其關(guān)斷，是全控型開關(guān)器件，由于不需要換流電路，故體積、重量較之SCR有大幅度下降。當(dāng)前，IGBT以其優(yōu)異的特性已成為主流器件，容量大的GTO也有一定地位[1][2][3]。
許多國家都在努力開發(fā)大容量器件，國外已生產(chǎn)6000V的IGBT。IEGT(injectionenhancedgatethyristor)是一種將IGBT和GTO的優(yōu)點結(jié)合起來的新型器件，已有1000A/4500V的樣品問世。IGCT(integratedgateeommutatedthyristor)在GTO基礎(chǔ)上采用緩沖層和透明發(fā)射極，它開通時相當(dāng)于晶閘管，關(guān)斷時相當(dāng)于晶體管，從而有效地協(xié)調(diào)了通態(tài)電壓和阻斷電壓的矛盾，工作頻率可達幾千赫茲[2][3]。瑞士ABB公司已經(jīng)推出的IGCT可達4500一6000V，3000一3500A。MCT因進展不大而引退而IGCT的發(fā)展使其在電力電子器件的新格局中占有重要的地位。與發(fā)達國家相比，我國在器件制造方面比在應(yīng)用方面有更大的差距。高功率溝柵結(jié)構(gòu)IGBT模塊、IEGT、MOS門控晶閘管、高壓砷化稼高頻整流二極管、碳化硅(SIC)等新型功率器件在國外有了最新發(fā)展?？梢韵嘈?，采用GaAs、SiC等新型半導(dǎo)體材料制成功率器件，實現(xiàn)人們對“理想器件”的追求，將是21世紀(jì)電力電子器件發(fā)展的主要趨勢。
高可靠性的電力電子積木(PEBB)和集成電力電子模塊(IPEM)是近期美國電力電子技術(shù)發(fā)展新熱點。GTO和IGCT，IGCT和高壓IGBT等電力電子新器件之間的激烈競爭，必將為21世紀(jì)世界電力電子新技術(shù)和變頻技術(shù)的發(fā)展帶來更多的機遇和挑戰(zhàn)。
二、變頻技術(shù)的發(fā)展過程
變頻技術(shù)是應(yīng)交流電機無級調(diào)速的需要而誕生的。電力電子器件的更新促使電力變換
技術(shù)的不斷發(fā)展。起初,變頻技術(shù)只局限于變頻不能變壓。20世紀(jì)70年代開始,脈寬調(diào)制變壓變頻(PWM-VVVF)調(diào)速研究引起了人們的高度重視。20世紀(jì)80年代,作為變頻技術(shù)核心的PWM模式優(yōu)化問題吸引著人們的濃厚興趣,并得出諸多優(yōu)化模式,如:調(diào)制波縱向分割法、同相位載波PWM技術(shù)、移相載波PWM技術(shù)、載波調(diào)制波同時移相PWM技術(shù)等。
VVVF變頻器的控制相對簡單,機械特性硬度也較好,能夠滿足一般傳動的平滑調(diào)速要求,已在產(chǎn)業(yè)的各個領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。但是,這種控制方式在低頻時,由于輸出電壓較小,受定子電阻壓降的影響比較顯著,故造成輸出最大轉(zhuǎn)矩減小。
矢量控制變頻調(diào)速的做法是:將異步電動機在三相坐標(biāo)系下的定子交流電流Ia、Ib、Ic通過三相——二相變換,等效成同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的直流電流Iml、Itl,然后模仿直流電動機的控制方法,求得直流電動機的控制量,經(jīng)過相應(yīng)的坐標(biāo)反變換,實現(xiàn)對異步電動機的控制。
直接轉(zhuǎn)矩控制直接在定子坐標(biāo)系下分析交流電動機的數(shù)學(xué)模型,控制電動機的磁鏈和轉(zhuǎn)矩。它不需要將交流電動機化成等效直流電動機,因而省去了矢量旋轉(zhuǎn)變換中的許多復(fù)雜計算;它不需要模仿直流電動機的控制,也不需要為解耦而簡化交流電動機的數(shù)學(xué)模型。
VVVF變頻、矢量控制變頻、直接轉(zhuǎn)矩控制變頻都是交—直—交變頻中的一種。其共同缺點是輸入功率因數(shù)低,諧波電流大,直流回路需要大的儲能電容,再生能量又不能反饋回電網(wǎng),即不能進行四象限運行。為此,矩陣式交—交變頻應(yīng)運而生。
三、變頻技術(shù)與家用電器
20世紀(jì)70年代,家用電器開始逐步變頻化,出現(xiàn)了電磁烹任器、變頻照明器具、變頻空調(diào)、變頻微波爐、變頻電冰箱、IH(感應(yīng)加熱)飯堡、變頻洗衣機等[4]。
20世紀(jì)末期期,家用電器則依托變頻技術(shù),主要瞄準(zhǔn)高功能和省電。
首先是電冰箱,由于它處于全天工作,采用變頻制冷后,壓縮機始終處在低速運行狀態(tài),可以徹底消除因壓縮機起動引的噪聲,節(jié)能效果更加明顯。其次,空調(diào)器使用變頻后,擴大了壓縮機的工作范圍,不需要壓縮機在斷續(xù)狀態(tài)下運行就可實現(xiàn)冷、暖控制,達到降低電力消耗,消除由于溫度變動而引起的不適感。近年來,新式的變頻冷藏庫不但耗電量減少、實現(xiàn)靜音化,而且利用高速運行能實現(xiàn)快速冷凍。
在洗衣機方面,過去使用變頻實現(xiàn)可變速控制,提高洗凈性能,新流行的洗衣機除了節(jié)能和靜音化外,還在確保衣物柔和洗滌等方面推出新的控制內(nèi)容;電磁烹任器利用高頻感應(yīng)加熱使鍋子直接發(fā)熱,沒有燃氣和電加熱的熾熱部分,因此不但安全,還大幅度提高加熱效率,其工作頻率高于聽覺之上,從而消除了飯鍋振動引起的噪聲。
四、電力電子裝置帶來的危害及對策
電力電子裝置中的相控整流和不可控二極管整流使輸入電流波形發(fā)生嚴(yán)重畸變,不但大大降低了系統(tǒng)的功率因數(shù),還引起了嚴(yán)重的諧波污染。
另外,硬件電路中電壓和電流的急劇變化,使得電力電子器件承受很大的電應(yīng)力,并給周圍的電氣設(shè)備及電波造成嚴(yán)重的電磁干擾(EM1),而且情況日趨嚴(yán)重。許多國家都已制定了限制諧波的國家標(biāo)準(zhǔn),國際電氣電子工程師協(xié)會(IEEE)、國際電工委員會(IEC)和國際大電網(wǎng)會議(CIGRE)紛紛推出了自己的諧波標(biāo)準(zhǔn)。我國政府也制定了限制諧波的有關(guān)規(guī)定[5]。
（一）諧波與電磁干擾的對策
1、諧波抑制
為了抑制電力電子裝置產(chǎn)生的諧波,一種方法是進行諧波補償,即設(shè)置諧波補償裝置,使輸入電流成為正弦波[3]。
傳統(tǒng)的諧波補償裝置是采用IC調(diào)諧濾波器,它既可補償諧波,又可補償無功功率。其缺點是,補償特性受電網(wǎng)阻抗和運行狀態(tài)影響,易和系統(tǒng)發(fā)生并聯(lián)諧振,導(dǎo)致諧波放大,使LC濾波器過載甚至燒毀。此外,它只能補償固定頻率的諧波,效果也不夠理想。
電力電子器件普及應(yīng)用之后,運用有源電力濾波器進行諧波補償成為重要方向。其原理是,從補償對象中檢測出諧波電流,然后產(chǎn)生一個與該諧波電流大小相等極性相反的補償電流,從而使電網(wǎng)電流只含有基波分量。這種濾波器能對頻率和幅值都變化的諧波進行跟蹤補償,且補償特性不受電網(wǎng)阻抗的影響。
大容量變流器減少諧波的主要方法是采用多重化技術(shù):將多個方波疊加以消除次數(shù)較低的諧波,從而得到接近正弦的階梯波。重數(shù)越多,波形越接近正弦,但電路結(jié)構(gòu)越復(fù)雜。小容量變流器為了實現(xiàn)低諧波和高功率因數(shù),一般采用二極管整流加PWM斬波,常稱之為功率因數(shù)校正(PEC)。典型的電路有升壓型、降壓型、升降壓型等。
2、電磁干擾抑制
解決EMI的措施是克服開關(guān)器件導(dǎo)通和關(guān)斷時出現(xiàn)過大的電流上升率di/dt和電壓上升率du/dt,目前比較引入注目的是零電流開關(guān)(ZCS)和零電壓開關(guān)(ZVS)電路。方法是:
(1)開關(guān)器件上串聯(lián)電感,這樣可抑制開關(guān)器件導(dǎo)通時的di/dt,使器件上不存在電壓、電流重疊區(qū),減少了正關(guān)損耗;
(2)開關(guān)器件上并聯(lián)電容,當(dāng)器件關(guān)斷后抑制du/dt上升,器件上不存在電壓、電流重疊區(qū),減少了開關(guān)損耗;
(3)器件上反并聯(lián)二極管,在二極管導(dǎo)通期間,開關(guān)器件呈零電壓、零電流狀態(tài),此時驅(qū)動器件導(dǎo)通或關(guān)斷能實現(xiàn)ZVS、ZCS動作。
目前較常用的軟件開關(guān)技術(shù)有部分諧振PWM和無損耗緩沖電路。
（二）功率因數(shù)補償
早期的方法是采用同步調(diào)相機,它是專門用來產(chǎn)生無功功率的同步電機,利用過勵磁和欠勵磁分別發(fā)出不同大小的容性或感性無功功率。然而,由于它是旋轉(zhuǎn)電機,噪聲和損耗都較大,運行維護也復(fù)雜,響應(yīng)速度慢。因此,在很多情況下已無法適應(yīng)快速無功功率補償?shù)囊蟆?/p>
另一種方法是采用飽和電抗器的靜止無功補償裝置。它具有靜止型和響應(yīng)速度快的優(yōu)點,但由于其鐵心需磁化到飽和狀態(tài),損耗和噪聲都很大,而且存在非線性電路的一些特殊問題,又不能分相調(diào)節(jié)以補償負載的不平衡,所以未能占據(jù)靜止無功補償裝置的主流。
隨著電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展,使用SCR、GTO和IGBT等的靜止無功補償裝置得到了長足發(fā)展,其中以靜止無功發(fā)生器最為優(yōu)越。它具有調(diào)節(jié)速度快、運行范圍寬的優(yōu)點,而且在采取多重化、多電平或PWM技術(shù)等措施后,可大大減少補償電流中諧波含量。更重要的是,靜止無功發(fā)生器使用的抗器和電容元件小,大大縮小裝置的體積和成本。靜止無功發(fā)生器代表著動態(tài)無功補償裝置的發(fā)展方向。
五、結(jié)束語
我們相信，電力電子技術(shù)將成為21世紀(jì)重要的支柱技術(shù)之一，變頻技術(shù)在電力電子技術(shù)領(lǐng)域中占有重要的地位，近年來在中壓變頻調(diào)速和電力牽引領(lǐng)域中的發(fā)展引人注目。隨著全球經(jīng)濟一體化及我國加人世界貿(mào)易組織，我國電力電子技術(shù)及變頻技術(shù)產(chǎn)業(yè)將出現(xiàn)前所未有的發(fā)展機遇。
參考文獻:
[1]周明寶.電力電子技術(shù)[M].北京:機制工業(yè)出版社,1985.
[2]陳堅.電力電子學(xué)－電力電子變換和控制技術(shù).北京：高等教育出版社,2002.
[3]王兆安黃俊.電力電子技術(shù)[M].北京:機械工業(yè)出版社,2003.
[4]陳國呈,周勤利.變頻技術(shù)研究[J].上海大學(xué)自動化學(xué)院學(xué)報,1995(6):23-26.
關(guān)鍵詞：高頻鏈；高頻變壓器；逆變器
引言
MESPELAGE于1977年提出了高頻鏈逆變技術(shù)的新概念[1]。高頻鏈逆變技術(shù)與常規(guī)的逆變技術(shù)最大的不同，在于利用高頻變壓器實現(xiàn)了輸入與輸出的電氣隔離，減小了變壓器的體積和重量。近年來，高頻鏈技術(shù)引起人們越來越多的興趣。
1概述
圖1是傳統(tǒng)的逆變器框圖。其缺點是采用了笨重龐大的工頻變壓器和濾波電感，導(dǎo)致效率低，噪音大，可靠性差。另外，諧波含量大，波形畸變嚴(yán)重，與要求的優(yōu)質(zhì)正弦波相差甚遠。
圖2所示為電壓源高頻鏈逆變器的框圖，該方案是當(dāng)今研究的最先進方案[2]，也是本文中采用的方案。采用此方案有其一系列的優(yōu)點，諸如，以小型的高頻變壓器替代工頻變壓器；只有兩級功率變換；正弦波質(zhì)量高；控制靈活等。高頻變壓器是高頻鏈的核心部件，肩負著隔離和傳輸功率的重任，其性能好壞直接決定逆變器的性能好壞。不合格的變壓器溫升高，效率低，漏感嚴(yán)重，輸出波形畸變大，直接影響電路的穩(wěn)定性和可靠性，甚至損壞開關(guān)器件，導(dǎo)致實驗失敗。
2高頻變壓器的設(shè)計
設(shè)計高頻變壓器首先應(yīng)該從磁芯開始。開關(guān)電源變壓器磁芯多是在低磁場下使用的軟磁材料，它有較高磁導(dǎo)率，低的矯頑力，高的電阻率。磁導(dǎo)率高，在一定線圈匝數(shù)時，通過不大的激磁電流就能承受較高的外加電壓，因此，在輸出一定功率要求下，可減輕磁芯體積。磁芯矯頑力低，磁滯面積小，則鐵耗也少。高的電阻率，則渦流小，鐵耗小。各種磁芯物理性能及價格比如表1所列。鐵氧體材料是復(fù)合氧化物燒結(jié)體，電阻率很高，適合高頻下使用，但Bs值比較小，常使用在開關(guān)電源中。本文采用的就是鐵氧體材料。
表1各種磁芯特性比較表
磁芯類型
非晶合金
薄硅鋼片
坡莫合金
鐵氧體
鐵損
低
高
中
低
磁導(dǎo)率
高
低
高
中
飽和磁密
高
高
中
低
溫度影響
中
小
小
中
加工
難
易
易
易
價格
中
低
中
低
高頻變壓器的設(shè)計通常采用兩種方法[3]：第一種是先求出磁芯窗口面積AW與磁芯有效截面積Ae的乘積AP（AP=AW×Ae，稱磁芯面積乘積），根據(jù)AP值，查表找出所需磁性材料之編號；第二種是先求出幾何參數(shù)，查表找出磁芯編號，再進行設(shè)計。本文詳細討論如何用AP法設(shè)計高頻變壓器。
原邊NP匝，副邊Ns匝的變壓器，在NP匝上以電壓V1開關(guān)工作時，根據(jù)法拉第定律，有
V1=KffsNPBWAe（1）
式中：Kf為波形系數(shù)，即有效值和平均值之比，正
弦波為4.44，方波為4；
fs為工作頻率；
BW為工作磁通密度。
NP=V1/(KffsBwAe)(2)
鐵芯窗口面積AW乘以窗口使用系數(shù)Ko（一般取04）為有效面積，該面積為原邊繞組NP占據(jù)的窗口面積NPAP′與副邊繞組Ns占據(jù)的窗口面積NsAs′之和，即
KoAW=NPAP′＋NsAs′（3）
式中：AP′及As′分別為原、副邊繞組每匝的截面積。
每匝所占用面積與流過該匝的電流值I和電流密度J有關(guān)，如式（4）所示。
AP′=I1/J
As′=I2/J(4)
將式（4）代入式（3），則得
KoAW=(V1/KffsBwAe)I1/J＋(V2/KffsBwAc)(I2/J)
即AWAe=(V1I1+V2I2)/(KoKffsBwJ)(5)
電流密度J直接影響到溫升，亦影響到AWAe，其關(guān)系可用式（6）表示。
J=KJ(AWAe)X(6)
式中：KJ為電流密度系數(shù)；X為常數(shù)，由所用磁芯確定。
若變壓器的視在功率PT=V1I1＋V2I2，則
AWAe=(PT)/(KoKffsBwJ(AWAe)x
即AP=(PT×104)/(KoKffsBwKJ)(1/1+X)(7)
式中：AP單位為cm4，其余的單位為國際單位制。
視在功率隨線路結(jié)構(gòu)不同而不同。如圖3所示。變壓器效率為η，則在圖3（a）中
PT=Po＋Pi=Po＋Po/η=Po(1+1/η)
在圖3（b）中
在圖3（c）中
本文采用圖3（b）的結(jié)構(gòu)，VDC=24V，Po=250W，設(shè)η=0.95，則
若采用E型磁芯，允許溫升25℃，則有KJ=323，X=－0.14。飽和磁密約為0.35T，考慮到高溫時飽和磁密會下降，同時，為了防止合閘瞬間高頻變壓器飽和，取飽和磁密的1/3為變壓器的工作磁密，即BW=0.117T。工作頻率為20kHz，由式（7）
可得
取10％的裕度，即AP=6.65×（1＋10％）≈7.28cm4，查手冊選取E17鐵氧體磁芯，其AW=2.56cm2，Ae=3.80cm2，AP=9.73cm4，滿足要求。
確定磁芯材料后，則其他參數(shù)計算如下：
1）原邊繞組匝數(shù)NP
NP=(V1)/(KffsBwAe)≈7匝；
2）原邊電流IP
IP=(Po)/(VDCη)≈10.96A；
3）電流密度JJ=KJ(AWAe)x=234.9A/cm2；
4）原邊繞組裸線面積AXP
AXP=Ip/J≈0.04666cm2；
5)副邊繞組匝數(shù)Ns逆變器工作時占空比D=0.75，幅值為根號2220V，則
Ns=(NpV2)/DV1=120.99≈121匝
6）副邊繞組裸線面積AXS注意中間抽頭變壓器Io須乘0.707的校正系數(shù)，則
AXS=(Io×0.707)/J=(Po×0.707)/(Vo×J)=(250×0.707)/(220×234.9)
=0.00342cm2。
3實驗結(jié)果
實驗采用圖3（b）的結(jié)構(gòu)，參數(shù)如下：
輸入電壓DC24V；
開關(guān)頻率20kHz；
占空比D=0.75；
輸出電壓AC220V；
輸出功率250W；
輸出頻率50Hz；
變壓器磁芯E17鐵氧體磁芯；
原邊繞組匝數(shù)7匝；
副邊繞組匝數(shù)121匝。
該高頻鏈工作穩(wěn)定可靠，噪聲很小，實驗結(jié)果證明該高頻變壓器滿足實際要求。
4結(jié)語
1）設(shè)計中，在最大輸出功率時，磁芯中的磁感應(yīng)強度不應(yīng)達到飽和，以免在大信號時產(chǎn)生失真。