中心論題：
- 變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展概況
- 變頻調(diào)速技術(shù)國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀
- 變頻調(diào)速未來(lái)的發(fā)展方向
解決方案：
- 國(guó)外神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在變頻調(diào)速系統(tǒng)控制中獲得了應(yīng)用
- 實(shí)現(xiàn)全數(shù)字控制化
- 實(shí)現(xiàn)變頻器的通信網(wǎng)絡(luò)化和技術(shù)規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)化
- 實(shí)現(xiàn)變頻器的特大容量化和硬件的集成化
- 實(shí)現(xiàn)變頻器的高頻化
- 實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)化和實(shí)現(xiàn)變頻器的“綠色環(huán)保”化
電氣傳動(dòng)是工業(yè)控制領(lǐng)域中的一個(gè)重要內(nèi)容，它利用電動(dòng)機(jī)將電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能，從而滿足工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及日常生活中的各種需求。目前，變頻調(diào)速技術(shù)已成為節(jié)能、改善工藝流程、提高產(chǎn)品質(zhì)量和改善環(huán)境、推動(dòng)技術(shù)進(jìn)步的有效措施。變頻調(diào)速以其優(yōu)異的調(diào)速和起制動(dòng)性能，高效率、高功率因數(shù)和節(jié)能效果，廣泛的適用范圍及其它許多優(yōu)點(diǎn)而被國(guó)內(nèi)外公認(rèn)為最有發(fā)展前途的調(diào)速方式，其重要性日益得到世界各國(guó)的重視。在世界能源緊缺的今天，開展變頻調(diào)速技術(shù)的研究，推廣其應(yīng)用，有著非常重大的現(xiàn)實(shí)意義和巨大的經(jīng)濟(jì)效益及社會(huì)效益。
變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展概況
20 世紀(jì)60 年代以前，直流調(diào)速一直以控制能力強(qiáng)、可靠性高、噪聲低、控制電路簡(jiǎn)單等一系列優(yōu)良的性能在傳動(dòng)領(lǐng)域中占據(jù)著主導(dǎo)地位。但是隨著社會(huì)生產(chǎn)力及技術(shù)的不斷發(fā)展，直流傳動(dòng)的薄弱環(huán)節(jié)逐步顯示出來(lái)。由于換向器的存在，使直流電動(dòng)機(jī)的維護(hù)工作量加大，單機(jī)容量、最高轉(zhuǎn)速以及使用環(huán)境等都受到限制。同時(shí)，電動(dòng)機(jī)在實(shí)際應(yīng)用中，已由過(guò)去簡(jiǎn)單的起停控制，以提供動(dòng)力為目的發(fā)展為對(duì)其速度、位置、轉(zhuǎn)矩等參數(shù)進(jìn)行精確控制，使被驅(qū)動(dòng)的機(jī)械運(yùn)動(dòng)符合預(yù)想的要求。另外，隨著電力電子技術(shù)、控制技術(shù)以及微型計(jì)算機(jī)和大規(guī)模集成電路的飛速發(fā)展，交流調(diào)速取代直流調(diào)速，計(jì)算機(jī)數(shù)字控制技術(shù)取代模擬控制技術(shù)已成為發(fā)展趨勢(shì)。因此，人們便轉(zhuǎn)向應(yīng)用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、便于維護(hù)、價(jià)格低廉的交流電動(dòng)機(jī)。
然而，要實(shí)現(xiàn)對(duì)交流電動(dòng)機(jī)高性能的調(diào)速遠(yuǎn)比直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速困難得多。從20 世紀(jì)30 年代開始，人們就致力于交流調(diào)速技術(shù)的研究。20 世紀(jì)60 年代以后，特別是70 年代以來(lái)，隨著新型自關(guān)斷電力電子器件、智能功率集成電路的問(wèn)世，現(xiàn)代控制理論的發(fā)展和計(jì)算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用，新的控制策略不斷涌現(xiàn)，使得交流調(diào)速技術(shù)得到迅猛發(fā)展，并已在冶金、機(jī)械、電氣、紡織、食品等行業(yè)得到普遍應(yīng)用，交流調(diào)速以其顯著的節(jié)電效果，優(yōu)良的調(diào)速性能以及廣泛的適用性逐步取代直流調(diào)速的地位，已經(jīng)成為電氣傳動(dòng)領(lǐng)域發(fā)展的主流方向。
變頻調(diào)速技術(shù)國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀
a.國(guó)外現(xiàn)狀
市場(chǎng)有大量需求隨著工業(yè)自動(dòng)化程度的不斷提高和能源全球性短缺，變頻器越來(lái)越廣泛地應(yīng)用在冶金、機(jī)械、石油、化工、紡織、造紙、食品等各個(gè)行業(yè)以及風(fēng)機(jī)、水泵等節(jié)能場(chǎng)合，并取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。
功率器件發(fā)展迅速變頻調(diào)速技術(shù)是建立在電力電子技術(shù)基礎(chǔ)之上的。近年來(lái)，高電壓、大電流的SCR、GTO、IGBT、IGCT 以及智能模塊IPM (Intelligent Power Module) 等器件的生產(chǎn)以及并聯(lián)、串聯(lián)技術(shù)應(yīng)用的發(fā)展，使高電壓、大功率變頻器產(chǎn)品的生產(chǎn)及應(yīng)用成為現(xiàn)實(shí)。
在大功率交—交變頻(循環(huán)變流器) 調(diào)速技術(shù)方面，法國(guó)阿爾斯通已能提供單機(jī)容量達(dá)30 000 kW的電氣傳動(dòng)設(shè)備用于船舶推進(jìn)系統(tǒng)。在大功率無(wú)換向器電機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)方面，意大利ABB 公司提供了單機(jī)容量為60 000 kW 的設(shè)備用于抽水蓄能電站；在中功率變頻調(diào)速技術(shù)方面, 德國(guó)西門子公司Simovert A 電流型晶閘管變頻調(diào)速設(shè)備單機(jī)容量為10耀2 600 kV•A 和Simovert P GTO PWM 變頻調(diào)速設(shè)備單機(jī)容量為100 耀900 kV•A，其控制系統(tǒng)已實(shí)現(xiàn)全數(shù)字化，用于電力機(jī)車、風(fēng)機(jī)、水泵傳動(dòng)；在小功率變頻調(diào)速技術(shù)方面，日本富士BJT 變頻器最大單機(jī)容量可達(dá)700 kV•A ，IGBT變頻器已形成系列產(chǎn)品，其控制系統(tǒng)也已實(shí)現(xiàn)全數(shù)字化。IPM 投入應(yīng)用比IGBT 約晚2年, 由于IPM 包含了IGBT 芯片及外圍的驅(qū)動(dòng)和保護(hù)電路，有的甚至還把光耦也集成于一體，是一種更為適用的集成型功率器件。目前，在模塊額定電流10耀600 A 范圍內(nèi)，通用變頻器均有采用IPM 的趨向。IPM 除了在工業(yè)變頻器中被大量采用之外，經(jīng)濟(jì)型的IPM 在近年內(nèi)也開始在一些民用品，如家用空調(diào)變頻器、冰箱變頻器、洗衣機(jī)變頻器中得到應(yīng)用。IPM 也在向更高的水平發(fā)展，日本三菱電機(jī)最近開發(fā)的專用智能模塊ASIPM 將不需要外接光耦，通過(guò)內(nèi)部自舉電路可單電源供電，并采用了低電感的封裝技術(shù)，在實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)小型化，專用化，高性能，低成本方面又推進(jìn)了一步。
控制理論和微電子技術(shù)的支持在現(xiàn)代自動(dòng)化控制領(lǐng)域中，以現(xiàn)代控制論為基礎(chǔ)，融入模糊控制、專家控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等新的控制理論為高性能變頻調(diào)速提供了理論基礎(chǔ)；16 位、32 位高速微處理器以及信號(hào)處理器(DSP)和專用集成電路(ASIC)技術(shù)的快速發(fā)展，則為實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速的高精度、多功能提供了硬件手段。
b.國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀
我國(guó)電氣傳動(dòng)產(chǎn)業(yè)始于1954 年。當(dāng)時(shí)，在機(jī)械工業(yè)部屬下建立了我國(guó)第一個(gè)電氣傳動(dòng)成套公司，即現(xiàn)在的天津電氣傳動(dòng)設(shè)計(jì)研究所的前身。現(xiàn)在，我國(guó)有200家左右的公司、工廠和研究所從事變頻調(diào)速技術(shù)的工作。隨著改革開放，經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，形成了一個(gè)巨大的市場(chǎng)，它既對(duì)國(guó)內(nèi)企業(yè)，也對(duì)外國(guó)公司敞開。很多最先進(jìn)的產(chǎn)品從發(fā)達(dá)國(guó)家進(jìn)口，在我國(guó)運(yùn)行良好，滿足了我國(guó)生產(chǎn)和生活需要。國(guó)內(nèi)許多合資公司生產(chǎn)當(dāng)今國(guó)際上先進(jìn)的產(chǎn)品，國(guó)內(nèi)的成套部分在自行設(shè)計(jì)制造的成套裝置中采用外國(guó)進(jìn)口和合資企業(yè)的先進(jìn)設(shè)備，自己開發(fā)應(yīng)用軟件，能為國(guó)內(nèi)外重大工程項(xiàng)目提供一流的電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)，在變頻調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用和研究上取得了很大的成績(jī)。
但應(yīng)看到，由于國(guó)內(nèi)自行開發(fā)、生產(chǎn)產(chǎn)品的能力弱，對(duì)國(guó)外公司的依賴仍很嚴(yán)重。目前，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的主要產(chǎn)品的狀況如下：晶閘管變流器和可關(guān)斷器件(DJT、IGBT、VDMOS)斬波器供電的直流調(diào)速設(shè)備這類設(shè)備的市場(chǎng)很大，隨著交流調(diào)速的發(fā)展，該市場(chǎng)雖在縮減，但由于我國(guó)舊設(shè)備改造任務(wù)重，以及它在幾百至一千多kW范圍內(nèi)價(jià)格比交流調(diào)速設(shè)備價(jià)格低得多，所以短期內(nèi)仍有較大市場(chǎng)，國(guó)產(chǎn)設(shè)備能滿足需要，部分出口。自行開發(fā)的控制器多為模擬控制，近年來(lái)主要采用進(jìn)口數(shù)字控制器配國(guó)產(chǎn)功率裝置。IGBT 或BJT PWM 逆變器供電的交流變頻調(diào)速設(shè)備這類設(shè)備總?cè)萘空嫉谋壤淮螅_(tái)數(shù)多，增長(zhǎng)快，應(yīng)用范圍從單機(jī)擴(kuò)展到全生產(chǎn)線，從簡(jiǎn)單的V/f 控制到高性能的矢量控制。負(fù)載換流式電流型晶閘管逆變器供電的變頻調(diào)速設(shè)備這類產(chǎn)品在抽水蓄能電站的機(jī)組起動(dòng)，大容量風(fēng)機(jī)、泵、壓縮機(jī)和軋機(jī)傳動(dòng)方面有很大需求。國(guó)內(nèi)只有少數(shù)科研單位有能力制造，目前容量最大做到12 MW。功率裝置國(guó)內(nèi)配套，自行開發(fā)的控制裝置只有模擬式的，數(shù)字裝置需進(jìn)口，自己開發(fā)應(yīng)用軟件。交—交變頻器供電的變頻調(diào)速設(shè)備這類產(chǎn)品在軋機(jī)和礦井卷?yè)P(yáng)機(jī)傳動(dòng)方面有很大需求，臺(tái)數(shù)不多，功率大。主要靠進(jìn)口，國(guó)內(nèi)只有少數(shù)科研單位有能力制造。目前最大容量做到7 000耀8 000 kW。功率部分國(guó)產(chǎn)，數(shù)字控制裝置進(jìn)口，包括開發(fā)應(yīng)用軟件。
變頻調(diào)速未來(lái)的發(fā)展方向
交流變頻調(diào)速是強(qiáng)、弱電混合，機(jī)電一體的綜合技術(shù)，既要處理巨大電能的轉(zhuǎn)換，又要處理信息的收集變換和傳輸。因此它的共性技術(shù)必定是分為功率和控制兩大部分。前者要解決與高壓大電流有關(guān)的技術(shù)問(wèn)題和新型電力電子器件的應(yīng)用技術(shù)問(wèn)題，后者要解決硬、軟件開發(fā)問(wèn)題。各種高性能變頻控制都是國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)，其未來(lái)主要的發(fā)展方向是:
a.實(shí)現(xiàn)變頻器的人工智能化對(duì)于交流電機(jī)這樣多變量、強(qiáng)耦合的參數(shù)非線性時(shí)變的復(fù)雜被控對(duì)象，要獲得良好的控制性能較為困難。由于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有很強(qiáng)的信息處理能力，能通過(guò)自身學(xué)習(xí)來(lái)解決復(fù)雜系統(tǒng)的控制問(wèn)題，故目前已成為非線性系統(tǒng)建模的重要技術(shù)。近年來(lái)，國(guó)外神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在變頻調(diào)速系統(tǒng)控制中獲得了應(yīng)用，已成為當(dāng)前神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論及應(yīng)用的研究熱點(diǎn)。
b.實(shí)現(xiàn)全數(shù)字控制化。全數(shù)字控制使硬件簡(jiǎn)化，柔性的控制算法使控制靈活、可靠，易實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制規(guī)律，便于故障診斷和監(jiān)視。
c.實(shí)現(xiàn)變頻器的通信網(wǎng)絡(luò)化和技術(shù)規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)化。當(dāng)前，國(guó)外先進(jìn)的變頻器都配有總線適配器模塊(如modbus, feidbus, interbus等)作為選件，外部總線可以雙絞線和適配器連接，變頻器則作為系統(tǒng)的智能終端。進(jìn)一步可形成集散式(DCS)變頻控制系統(tǒng)和現(xiàn)場(chǎng)總線(FCS)變頻控制系統(tǒng)。變頻器的技術(shù)規(guī)格已統(tǒng)一成國(guó)際性標(biāo)準(zhǔn)，可根據(jù)用戶的需要實(shí)現(xiàn)靈活的配置。
d.實(shí)現(xiàn)變頻器的特大容量化隨著電力電子技術(shù)的不斷進(jìn)步，控制容量將進(jìn)一步增大，使交流電機(jī)比直流電機(jī)的優(yōu)勢(shì)更加明顯。
e.實(shí)現(xiàn)變頻器硬件的集成化為了使變頻裝置體積更小巧，新型變頻器要求功率和控制單元具有高集成度。利用不斷發(fā)展的大規(guī)模集成電路工藝，把自動(dòng)控制系統(tǒng)中控制電路集成化為若干個(gè)專用IC芯片(ASIC )，使整個(gè)系統(tǒng)的構(gòu)成更小型、可靠，從而構(gòu)成強(qiáng)弱電一體的智能化電機(jī)。
f.實(shí)現(xiàn)變頻器的高頻化提高變頻器開關(guān)頻率是抑制諧波、提高系統(tǒng)性能的關(guān)鍵之一。但開關(guān)頻率提高，會(huì)增加器件自身的開關(guān)損耗，影響變頻器的效率和可靠性，使其調(diào)制頻率受到限制。目前在高頻變換器中采用較多的器件是MOSFET，IGBT和IPM。各國(guó)正在利用新一代高頻電力電子器件，如靜電感應(yīng)晶閘管(SITH )，以及IGCT 和IECT，研發(fā)新一代高頻的電控裝置。
g.實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)化。軟開關(guān)技術(shù)是目前國(guó)內(nèi)外電力電子技術(shù)領(lǐng)域中的研究方向之一。傳統(tǒng)的變換器中的開關(guān)器件工作在硬開關(guān)狀態(tài)，硬開關(guān)妨礙了變換器工作頻率和容量的提高，還存在容性開通問(wèn)題引起過(guò)熱損壞，在感性關(guān)斷時(shí)易造成瞬時(shí)短路。近年來(lái)，軟開關(guān)技術(shù)被引進(jìn)變頻控制中并己逐漸推向?qū)嵱谩＼涢_關(guān)技術(shù)可以減小甚至完全消除變換器中開關(guān)器件在開關(guān)過(guò)程中的損耗，使緩沖吸收電路成為多余，提高了開關(guān)器件的工作頻率，減小了開關(guān)器件的散熱體積，提高了變頻器工作的可靠性和效率。
h.實(shí)現(xiàn)變頻器的“綠色環(huán)保”化。實(shí)現(xiàn)變頻器的“綠色環(huán)保”化也就是開發(fā)清潔電能的變頻器。所謂清潔電能變頻器是指變頻器的功率因數(shù)為1，電網(wǎng)側(cè)和負(fù)載側(cè)的諧波分量很少。研究環(huán)保型整流器，使其不產(chǎn)生諧波，且實(shí)現(xiàn)功率雙向流動(dòng)是國(guó)內(nèi)外目前研究的熱點(diǎn)問(wèn)題。
結(jié)語(yǔ)
變頻調(diào)速技術(shù)作為高新技術(shù)、基礎(chǔ)技術(shù)和節(jié)能技術(shù)，已經(jīng)滲透到所有經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域的技術(shù)部門中。應(yīng)積極應(yīng)用變頻調(diào)速技術(shù)來(lái)改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，節(jié)約能源及提高產(chǎn)品質(zhì)量，以獲得較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益；要大力發(fā)展變頻調(diào)速技術(shù)，必須把我國(guó)變頻調(diào)速技術(shù)提高到一個(gè)新的水平，縮小與世界先進(jìn)水平的差距，提高自主開發(fā)能力，滿足國(guó)民經(jīng)濟(jì)重點(diǎn)工程建設(shè)和市場(chǎng)的需求；并規(guī)范我國(guó)變頻調(diào)速技術(shù)方面的標(biāo)準(zhǔn)，提高產(chǎn)品可靠性及工藝水平，實(shí)現(xiàn)規(guī)模化、標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)。
