1 引言
變頻器是運動控制系統(tǒng)中的功率變換器，當今的運動控制系統(tǒng)包含多種學科的技術領域，驅(qū)動的交流化、功率變換器的高頻化、控制的數(shù)字化、智能化和網(wǎng)絡化已經(jīng)成為變頻器發(fā)展的特點，
談變頻器發(fā)展和應用的幾個趨勢
。同時隨著變頻控制理論和制造工藝的進一步發(fā)展，變頻器的應用和發(fā)展將會朝著以下方向發(fā)展:(1) 矩陣變頻器的出現(xiàn)和推廣;
(2) 網(wǎng)絡化配置的變頻器將成為主流;
(3) 同步電動機的變頻應用將得到更為迅猛的發(fā)展。
2 矩陣變頻器的出現(xiàn)
多年來，電氣傳動專家一直都在討論關于“矩陣變換”技術的變頻器將會是下一代變頻器。幾個主要的傳動供應商包括羅克韋爾、西門子等都在研究該項技術。輿論一直認為: 盡管矩陣變頻器具有非常誘人的前景，但是由于成本太高而無法在目前進行商業(yè)化應用。
大家都知道，由于矩陣式交-交變頻器省去了中間直流環(huán)節(jié)，從而省去了體積大、價格貴的電解電容。它能實現(xiàn)功率因數(shù)為l，輸入電流為正弦且能四象限運行，系統(tǒng)的功率密度大，并能實現(xiàn)輕量化。
現(xiàn)在，安川公司已經(jīng)有跡象顯示該公司打算啟動銷售矩陣變頻器的計劃。在今年四月份的漢諾威國際展覽會上，安川展示了即將生產(chǎn)的矩陣變頻器的原型(圖1)，并表示公司計劃在明年啟動銷售策略，同時已經(jīng)在日本市場上現(xiàn)場測試和運行了好幾臺矩陣變頻器。
從原理上講，矩陣變頻器使用了一組電力半導體開關，按照預定的數(shù)學算法控制開關順序，并直接連接到三相電機上。在安川矩陣變頻器中有9個開關，每一個都有 2個igbt組成雙向開關，能允許正向電壓和負向電壓通到電機上。igbt數(shù)量的增加是導致矩陣變頻器造價昂貴的其中一個因素。
矩陣變頻器使用了三相電壓輸入來控制輸出電壓，這就不僅能吸收任何電流雜波，也能提供一個清潔的輸出電壓，也就是說“可以有效地進行輸入電源電流控制與輸出電壓控制”。這也是矩陣變頻器吸引人們的一個重要點:能大大降低輸入電流諧波的產(chǎn)生，只有大約傳統(tǒng)交-直-交變頻器的20%以下。而且矩陣變頻器的電流幾乎是正弦波，即使在帶載情況下，也是如此。當有再生發(fā)電時，電流能以180°轉(zhuǎn)換并反饋到電網(wǎng)中，而且也是以正弦波方式。在再生制動方式的工作中，矩陣變頻器不需要制動電阻或特殊的變換器。反饋回的電亦無需額外的設備(如變壓器等)進行處理。總之，傳動能在四象限高效率地運行。
另外一個吸引點就是矩陣變頻器去掉了直流電容, 作為有一定壽命地鋁電解電容, 交-直-交變頻器就必須在一定年限更換電容, 如5~8年, 矩陣變頻器就能長時間可靠工作。
安川公司起初的計劃是將新的矩陣變頻器主要用到能夠發(fā)揮其長處和優(yōu)點的場合中，如它的處理再生能量功能，在起重、電梯、離心機和其他需要連續(xù)電動又連續(xù)制動發(fā)電的場合。當然，它也可以裝在那些需要制動，但又沒有空間安裝制動電阻或者安裝電阻會引起意外事故的地方，如酒精廠、化工廠等。另外一個非常有潛力的地方，就是需要有低諧波的應用場合。如在輪船上，就能允許安裝更小的發(fā)電機組。在一些隔離系統(tǒng)中能降低設備的體積，而省去了類似12脈沖變頻器系統(tǒng)中的額外變壓器。
在安川的計劃中，矩陣變頻器將逐步覆蓋400v的 5.5~22kw，直至75kw，當然也有200v級的5.5~45kw變頻器。至于價格策略目前尚未公布，但基本上為目前通功率段傳統(tǒng)變頻器的2倍左右。
3 以網(wǎng)絡配置為主的系統(tǒng)化
變頻器的網(wǎng)絡化配置主要基于三個層面:設備層、控制層和信息層。其中變頻器做為執(zhí)行器，可以配接最基本的rs232/rs485串行通訊協(xié)議、 profibus等的現(xiàn)場總線協(xié)議以及internet局域網(wǎng)協(xié)議。針對不同的控制系統(tǒng)和不同的用戶要求，配置和選用不同的網(wǎng)絡協(xié)議。
網(wǎng)絡化配置的變頻器具有以下顯著的特點:
(1) 高精度的頻率設定;
(2) 遠程控制與工廠信息化的基本要素;
(3) 遠程診斷系統(tǒng)。
通過網(wǎng)絡設定頻率是一種高精度的頻率設定，其具有通訊速率高，穩(wěn)定可靠，接線簡單等優(yōu)點，而且在模擬量控制時，輸出端經(jīng)過一個數(shù)模轉(zhuǎn)換器，經(jīng)過導線，進入輸入端(變頻器)又經(jīng)過一個模數(shù)轉(zhuǎn)換器才能參與控制。兩個轉(zhuǎn)換器位數(shù)不同和導線損耗都可能造成一定誤差，而通訊傳遞直接是數(shù)字量，不需要轉(zhuǎn)換，沒有誤差，在傳輸過程中不會造成損耗，而且響應速度率也會很高。
變頻器經(jīng)常被用于系統(tǒng)復雜、工作環(huán)境惡劣、高負荷、長時間運行的工況中，如無人值守泵站、油田磕頭機等。變頻器故障率在這種環(huán)境中自然比較高，一般都采取事后維修的方式進行，隨著電子技術的發(fā)展，傳統(tǒng)的維修方式將變?yōu)楣收项A報和整機在線維修。有必要對其實現(xiàn)在線工作狀態(tài)的監(jiān)測以及常規(guī)故障機理的綜合分析研究，以便對其故障的事先診斷分析。目前大功率變頻器的故障診斷、遠程監(jiān)控系統(tǒng)及智能控制方面取得了較大進展，并已經(jīng)投入實際運行。
在網(wǎng)絡化日益普及的今天，與普通的點對點硬線連接方式而言，通過高速通訊連接的變頻器系統(tǒng)可以最大程度上降低系統(tǒng)維護時間、提高生產(chǎn)效率、減少運行成本。目前安裝的現(xiàn)場總線模塊有profibus dp、interbus、devicenet、can open和modbus plus等，
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《談變頻器發(fā)展和應用的幾個趨勢》(http://m.clearvueentertainment.com)。用戶可以有更大的自由根據(jù)生產(chǎn)過程來選擇plc型號和品牌，并非常簡單地集成到現(xiàn)有地網(wǎng)絡中去。而且通過現(xiàn)場總線模塊，可以不考慮變頻器的型號，而以同一種語言來與不同功率段、不同型號地變頻器進行組構(gòu)，如功率、速度、轉(zhuǎn)矩、電流、設定值等。由于采用了通訊方式，可以通過pc機來方便地進行組態(tài)和系統(tǒng)維護，包括上傳、下載、復制、監(jiān)控、參數(shù)讀寫等。
以sew movidrive變頻器為例，它可以如圖2組成wago-i/o系統(tǒng)，利用后者地現(xiàn)場總線技術進行通訊互聯(lián)。這種連接方式能通過wago的可編程總線控制器pfc實現(xiàn)變頻器到網(wǎng)絡控制主機之間的輸入數(shù)據(jù)過程、輸出數(shù)據(jù)過程的交換。而且，總線互聯(lián)方式可以通過wago公司專用的軟件功能塊 (sew.lib)方便地進行變頻器參數(shù)的讀取。該方式能在最大程度上降低變頻器系統(tǒng)的構(gòu)建成本。
4 同步電機的配合應用
交流同步電動機已成為交流可調(diào)速傳動中的一顆新星，特別是永磁同步電動機，電機是無刷結(jié)構(gòu)，功率因數(shù)高、效率也高，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速嚴格與電源頻率保持同步。同步電機變頻調(diào)速系統(tǒng)有他控變頻和自控變頻兩大類，自控變頻同步電機在原理上和直流電機極為相似，用電力電子變流器取代了直流電機的機械換向器，如采用交-直 -交變壓變頻器時叫做“直流無換向器電機”或稱“無刷直流電動機”。傳統(tǒng)的自控變頻同步機調(diào)速系統(tǒng)有轉(zhuǎn)子位置傳感器，現(xiàn)正開發(fā)無轉(zhuǎn)子位置傳感器的系統(tǒng)，且已經(jīng)取得重大進步和在市場的成功應用。同步電機的他控變頻方式也可采用矢量控制，其按轉(zhuǎn)子磁場定向的矢量控制比異步電機簡單。
現(xiàn)在以abb應用在造紙同步電機上的變頻應用為例來說明。
abb公司有著100多年從事紙機傳動系統(tǒng)設計和供應的歷史, 從最初的長軸傳動, 到上世紀六十年代的直流分部傳動, 然后再到1983年的世界第一個紙機工業(yè)的交流的分部傳動, 最后在1999年在芬蘭一家紙廠應用了一個新的紙機傳動系統(tǒng), 即采用同步電動機的直接變頻傳動。其后，abb非常順利而且成功地在紙機工業(yè)規(guī)�；瘧昧送阶冾l系統(tǒng)。
我們從圖3的比較中可以發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)的傳動系統(tǒng)(包括直流或異步交流電機)都是通過減速箱與電機相連，最后與紙機傳動部分連接;而在同步變頻傳動中，電機則直接耦合到紙機傳動部分的，取消了中間環(huán)節(jié)。
在abb系統(tǒng)中，傳動系統(tǒng)通常是acs600變頻器組成的，其硬件組成是與傳統(tǒng)的交流異步傳動一致的，而軟件的設計則是專用的永磁電機(同步電機的一種) 驅(qū)動軟件。同步電機允許在紙機上采用無編碼器的運行方式。傳動部分的控制系統(tǒng)、應用軟件以及人機界面的控制這幾部分都是跟abb在紙機上的解決方案一致。因此，直接傳動能與其他的abb傳動方案同時并列運行，而且acs600變頻器無須更換就可以升級到新的直接傳動系統(tǒng)上。
采用同步電機的最有效特點:
(1) 大大降低電機尺寸;
(2) 高效率的轉(zhuǎn)矩輸出;
(3) 無編碼器運行。
目前大多數(shù)的紙機需要安裝速度編碼器來反饋電機轉(zhuǎn)速，而且編碼器也被證明是可靠的。但是安裝的編碼器由于是采用軸承需要常規(guī)定期性的維護保養(yǎng)和潤滑，在一個大型的紙機(如50個傳動)上每隔一定的周期還必須更換所有的編碼器以防止意外的由編碼器故障引起的紙機停機。從這個層面上來說，無編碼器的運行自然是同步電機直接傳動的一個優(yōu)點和著眼點。
電機的實際速度是需要同時反饋和監(jiān)測的，一個計算電機速度的新方法已經(jīng)在acs dtc得到發(fā)展和應用。圖4所示為abb造紙部門對直接傳動的37kw永磁電機進行測試得出的波形曲線。上面的2條曲線是表示經(jīng)速度編碼器測量的數(shù)據(jù)和通過變頻器計算出來的數(shù)據(jù)。從圖中可以看出兩條曲線幾乎是一致的，即使在動態(tài)擾動中也是少有偏差。第3條曲線是表示電機由于突加負載產(chǎn)生的電機轉(zhuǎn)矩，該負載的變化大概是正常負載的1/3，以表示在電機在正常運行下突然有一個大的變化。將abb傳統(tǒng)的交流傳動紙機改造成一個直接傳動的紙機系統(tǒng)是非常簡單的，紙廠需要購買新的直接傳動部分的電機，同時將abb的常規(guī)變頻器acs600通過下載pm-dtc軟件來升級，而且新的直接傳動的系統(tǒng)可以與現(xiàn)有的交流或直流傳動同時正常運行�？偠灾�，用戶將從直接傳動中獲益。
當然，在其他行業(yè)如紡織、電梯等行業(yè)同步電機的變頻系統(tǒng)也取得了卓有成效的推廣。
我們知道，同步變頻系統(tǒng)在硬件上并無太大區(qū)別，甚至可以直接使用，而軟件上就必須采用新的控制思路。矢量控制是一種控制永磁同步電機的實用而有效的方法。其基本思想是在三相永磁同步電動機上設法模擬直流電動機轉(zhuǎn)矩控制的規(guī)律，在磁場定向坐標上，將電流矢量分量分解成產(chǎn)生磁通的勵磁電流分量id和產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)矩電流iq分量，并使兩分量互相垂直，彼此獨立。當給定id_ref=0，這時根據(jù)電機的轉(zhuǎn)矩公式可以得到t∝φiq。由于id_ref=0，那么φ就基本恒定，這樣只要調(diào)節(jié)電流iq就可以象控制直流電動機一樣控制永磁同步電動機。
5 結(jié)束語
隨著技術的進一步發(fā)展，變頻器的發(fā)展和應用也將呈現(xiàn)更為活躍的現(xiàn)象，比如矩陣變頻器的出現(xiàn)和推廣、網(wǎng)絡化配置的變頻器將成為主流以及同步電動機的變頻應用等。而這些趨勢都將推進變頻器的進一步普及。
參考文獻
[1]張燕賓. 變頻調(diào)速應用實踐[m]. 北京:機械工業(yè)出版社,2002.