交流变频调速技术及其发展
摘 要： 本文作者阐述了交流变频调速技术的原理、特点，以及变频器的组成结构，并结合目前的变频调速技术的特点介绍了交流变频调速技术的发展方向。
关键词： 交流变频调速技术 原理 特点 发展方向
1.引言
以直流电动机为拖动动力源，且以电动机转速为控制目标的电力拖动自动控制系统称为“直流调速系统”；以交流电动机为拖动动力源、以电动机转速为控制目标的电力拖动自动控制系统称为“交流调速系统”。20世纪60年代以前的调速系统以直流机组为主，20世纪60年代开始由晶闸管构成的直流V—M系统逐步取代了直流机组。20世纪70年代中期全世界范围内出现的能源危机迫使各国投入了大量的人力财力来研究交流调速系统，交流调速技术得到了快速的发展。20世纪80年代随着以IGBT为代表的新型电力电子器件的发明和不断完善，以及以矢量控制为代表的各种交流调速控制理论的深入发展，加上计算机（单片机、数字信号处理器DSP）控制技术迅速发展的配合，使交流调速系统在性能上开始可以与直流调速系统相媲美。之后，交流调速系统在调速领域中的比重逐步加大，目前已经成为调速系统的主流。在交流调速技术中，变频调速具有绝对优势，并且它的调速性能与可靠性不断完善，价格不断降低，特别是变频调速节电效果明显，而且易于实现过程自动化，深受工业用户的青睐。
2.交流变频调速的原理
异步电机的转速N可以表示为：
N=60（f/p）×（1-s）=n2-△n1
式中，n2是同步转速，△n1是转差损失的转速，p是磁极对数，s是转差率，f是电源的频率。所以，改变电源频率就可以改变同步转速和电机转速。
交流异步电动机的转速是与电源的频率和电压等有关，只要改变电源的频率或电压，就能改变电动机的转速。要实现交流变频调速，可将单相（或三相）交流电整流滤波成直流电，再把直流电接人大功率驱动模块（IGPT）逆变成交流电，再按交流电动机绕组的运行规律去改变功率模块的导通时间和相位，就能产生一种三相变频电（其波形为脉冲宽度不同的矩形波），并使模块输出的矩形波中的调制波按正弦规律变化（这种方式为脉冲宽度调制PWM），也就是使驱动电动机的电流为正弦波，这就是常见的VVVF变频电压型变频器。
实现变频调速的装置可称为变频器。其由整流电路、直流中间电路、逆变电路和控制电路组成。如图1：
2.1整流电路。一般的三相变频器的整流电路由三相全波整流桥组成，它的主要作用是对工频的外部电源进行整流，并给逆变电路和控制电路提供所需要的直流电源。
2.2直流中间电路。直流中间电路是对整流电路输出进行平滑，以保证逆变电路和控制电源能够得到质量较高的直流电源。
2.3逆变电路。它是变频器最主要的部分之一，其作用是在控制电路的控制下将平滑电路输出的直流电源转换为频率和电压都任意可调的交流电源。
2.4控制电路。控制电路包括主控制电路、信号检测电路、门极驱动电路、外部接口电路和保护电路等。其作用是将检测电路得到的各种信号送至运算电路，使运算电路能够根据要求为变频器主电路提供必要的门极驱动信号，并对变频器及异步电动机提供必要的保护；同时通过A/D、D/A等外部接口电路接收/发送多种形式的外部信号和给出系统内部工作状态，以便使变频器能够和外部设备配合进行各种高性能控制，以便使变频器能够和外部设备配合进行各种高性能控制。
3.交流变频调速的特点
3.1调速时平滑性好，效率高。低速时，特性静差率较高，相对稳定性好。
3.2调速范围较大，精度高。
3.3启动电流低，对系统及电网无冲击，节电效果明显。
3.4变频器体移，便于安装、调试、维修简便。
3.5易于实现过程自动化。
3.6必须有专用的变频电源，目前造价较高。
3.7在恒转矩调速时，低速段电动机的过载能力大为降低。
虽然变频调速有诸多优点，可达到与直流变频调速器同样高的精度，且由于交流异步电动机的普及性和可靠性、交流变频调速的历史较长（以有十多年）等原因发展迅速，技术和工艺日臻成熟，但也有其不利因素，主要问题是电流中含高次谐波较多，除对电网有污染外，也使电机自身增加损耗，引起电机发热。再有，变频器价格贵，投资回收期长，技术复杂，尤其在实现闭环自动控制时，还需进行技术处理。此外，不是任何情况下变频器都节电，如果电机负载变化不大，或深井泵配有水塔，节电、节水效果都不大，就不宜使用变频调速。
4.交流变频调速技术的发展方向
4.1交流变频向直流变频方向转化。直流变频是以数字转换电路代替交流变频中的交流转换电路，使负载电机始终处于最佳运行状态。它抛弃了交流变频技术的交流—直流—交流—变转速方式交流电机的循环工作方式，采用先进的交流直流—变转速方式数字电机的控制技术，无逆变环节，因而减少电流在工作中转变次数，使电能转化效率大大提高，能够实现精确控制，平稳安静高效地运转。同时，避免了交流变频电机电磁噪声较大的缺点，使噪声更低。
4.2控制技术有PWM（脉宽调制）向PAM（脉幅调制）方向发展。采用PWM控制方式的电机转速受到上限转速的限制。如对压缩机来讲，一般不超过7000r/min。采用PAM控制的压缩机转速可提高1.5倍左右，这样可大大提高快速制冷和制热能力。同时，由于PAM在调整电压时具有对电流波形的整形作用，因而可以获得比PWM更高的效率。此外，PAM在抗干扰方面也有着PWM无法比的优势，可仰止高次谐波的生成，减少对电网的污染。
4.3功率器件向高集成智能功率模块发展。虽然单个功率器件的效率越来越高，控制简化，但总电路的复杂性给生产和测试带来不便。智能功率模块（IPM）是将功率器件的配置、散热乃至驱动问题在模块中解决，因而易于使用，可靠性高。以变频空调为例，我国的变频空调几乎都采用IPM方式。
近年来带驱动和保护电路的智能功率模块（IPM）相继面市，IPM是将三相逆变IGBT、驱动电路及保护电路集成在一块芯片上。它的出现推动了变频家电市场的启动和发展。新型IPM模块甚至将开关电源也设计在模块内，更加方便用户使用，用户只需要了解接口电路和定义，很快可以组成运行系统。
5.结语
交流变频调速是异步电动机最有发展前途的调速方法。随着电力电子技术的不断发展，性能可靠、匹配完善、价格便宜的变频器会不断出现，这一技术会得到更为广泛、普遍的应用。变频调速技术作为高新技术、基础技术和节能技术，已渗透到经济领域的所有技术部门中。目前，国外先进国家的变频技术正向小型化、高可靠性、抗公害、多功能、高性能等方向发展，我国也在加快发展步伐，并且在交流变频调速技术的应用上取得了很好的成果，经济效益显著。
参考文献：
［1］马志源.电力拖动控制系统［M］.北京：科技出版社，2004.
［2］刘玲.交流变频调速技术的优势与应用［J］.北京：电气开关，2010.1.
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［4］顾绳谷.电机及拖动基础（第2版）［M］.北京：机械工业出版社，1996.
注：“本文中所涉及到的图表、公式、注解等请以PDF格式阅读”