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2．矩阵式交—交变频器产生的背景

　　矢量控制变频调速的做法是:

将异步电动机在三相坐标系下的定子交流电流Ia、Ib、Ic通过三相——二相变换,等效成同步旋转坐标系下的直流电流Iml、Itl,然后模仿直流电动机的控制方法,求得直流电动机的控制量,经过相应的坐标反变换,实现对异步电动机的控制。

　　直接转矩控制直接在定子坐标系下分析交流电动机的数学模型,控制电动机的磁链和转矩。

它不需要将交流电动机化成等效直流电动机,因而省去了矢量旋转变换中的许多复杂计算;

它不需要模仿直流电动机的控制,也不需要为解耦而简化交流电动机的数学模型。

　　VVVF变频、矢量控制变频、直接转矩控制变频都是交—直—交变频中的一种。

其共同缺点是输入功率因数低,谐波电流大,直流回路需要大的储能电容,再生能量又不能反馈回电网,即不能进行四象限运行。

为此,矩阵式交—交变频应运而生。

一、变频器的发展、组成及原理

（一）变频器的概述

直流调速系统具有较优良的静、动态性能指标，因此，在过去很长时期，调速传动领域大多为直流电动机调速系统。

如今，由于全控型电力电子器件（如BJT、IGBT）的发展、SWPM专用集成芯片的开发、交流电动机矢量变换控制技术以及单片微型计算机的应用，使得交流调速的性能获得极大的提高，在许多方面已经可以取代直流调速系统，特别是各类通用变频器的出现，使交流调速已逐渐成为电气传动中的主流

人们所说的交流调速传动，主要是指采用电子式电力变换器对交流电动机的变频调速传动。

除变频以外的另一些简单的调速方案，例如变极调速、定子调压调速、转差离合器调速等，虽然仍在特定场合有一定的应用，但由于其性能较差，终将会被变频调速所取代。

交流调速传动控制技术之所以发展得如此迅速，和如下一些关键性技术的突破性进展有关，它们是电力电子器件（包括半控型和全控型器件）的制造技术、基于电力电子电路的电力变换技术、交流电动机的矢量变换控制技术、直接转矩控制技术、PWM（PulseWidthModulation）技术以及以微型计算机和大规模集成电路为基础的全数字化控制技术等。

（二）直流电动机与交流电动机的比较

众所周知，直流调速系统具有较为优良的静、动态性能指标。

在很长的一个历史时期，调速传动领域基本上被直流电动机调速系统所垄断。

直流电动机虽有调速性能好的优越，但也有一些固有的难于克服的缺点，主要是机械式换向器带来的弊端。

交流电动机的优点

容量、电压、电流和转速的上限，不像直流电动机那样受限制；

结构简单、造价低；

坚固耐用，事故率低，容易维护。

（三）通用变频器的发展

60年代中期，普通晶闸管、小功率晶体管的实用化，使交流电动机变频调速也进入了实用化。

采用晶闸管的同步电动机自控式变频调速系统、采用电压型或电流型晶闸管变频器的笼型异步电动机调速系统（包括不属变频方案的绕线转子异步电动机的串级调速系统）等先后实现了实用化，使变频调速开始成为交流调速的主流

此后的20多年中，电力电子技术和微电子技术以惊人的速度向前发展，变频调速传动技术也随之取得了日新月异的进步。

（1）变频装置的大容量化

对一些大型生产机械的主传动，直流电动机在容量等级方面已接近极限值，采用直流调速方案无论在设计和制造上都已十分困难。

为了适应大容量的高压电动机，采用直接高压型PWM变频器来控制高压电动机，发展较迅速。

（2）主开关器件的自关断化

近十几年，大功率自关断电力电子器件的发展十分迅速，其中“门极关断晶闸管（GTO）、双极晶体管（BJT）/电力晶体管（GTR）、绝缘栅双极型晶体管（IGBT）”的发展最快，实用化的程度也最高。

采用自关断器件省去了线路复杂、体积较大的强迫换相电路，既可以减小装置体积，又降低了开关损耗提高了效率。

同时，由于开关频率的提高，变流器可采用PWM控制，既降低谐波损耗、减小转矩脉动，又可以提高快速性、改善功率因数。

优点是很多的。

据统计，目前变频器中的开关器件，容量为1500kW以下的采用IGBT；

1000～7500kW的采用GTO。

（3）变频装置的高性能化

早期的变频调速系统，基本上是采用U/F控制，无法得到快速的转矩响应，低速特性也不好（负载能力差）。

1971年德国西门子公司发明了所谓“矢量控制”技术。

一改过去传统方式中仅对交流电量的量值（电压、电流、频率的量值）进行控制的方法，实现了在控制量值的同时也控制其相位的新控制思想。

使用坐标变换的办法，实现定子电流的磁场分量和转矩分量的解耦控制，可以使交流电动机像直流电动机一样具有良好的调速性能。

（4）PWM技术的应用PWM：

（PulseWidthModulation）脉宽调制技术。

自关断器件的发展为PWM技术铺平了道路。

目前几乎所有的变频调速装置都采用这一技术。

PWM技术用于变频器的控制，可以改善变频器的输出波形，降低电动机的谐波损耗，并减小转矩脉动，同时还简化了逆变器的结构，加快了调节速度，提高了系统的动态响应性能。

PWM技术除了用于逆变器的控制，还用于整流器的控制。

PWM整流器现已开发成功，利用它可以实现输入电流正弦和电网功率因数为1。

人们称PWM整流器是对电网无污染的“绿色”交流器。

（四）变频器的组成与分类

电压型变频器主电路包括：

整流电路、中间直流电路、逆变电路三部分组，交-直-交型变频器结构见附图1

（1）整流电路：

VD1~VD6组成三相不可控整流桥，220V系列采用单相全波整流桥电路；

380V系列采用桥式全波整流电路。

（2）中间滤波电路：

整流后的电压为脉动电压，必须加以滤波；

滤波电容CF除滤波作用外，还在整流与逆变之间起去耦作用、消除干扰、提高功率因素，由于该大电容储存能量，在断电的短时间电容两端存在高压电，因而要在电容充分放电后才可进行操作。

（3）限流电路：

由于储能电容较大，接入电源时电容两端电压为零，因而在上电瞬间滤波电容CF的充电电流很大，过大的电流会损坏整流桥二极管，为保护整流桥上电瞬间将充电电阻RL串入直流母线中以限制充电电流，当CF充电到一定程度时由开关SL将RL短路。

（4）逆变电路：

逆变管V1~V6组成逆变桥将直流电逆变成频率、幅值都可调的交流电，是变频器的核心部分。

常用逆变模块有：

GTR、BJT、GTO、IGBT、IGCT等，一般都采用模块化结构有2单元、4单元、6单元。

（5）续流二极管D1~D6：

其主要作用为：

a.电机绕组为感性具有无功分量，VD1~VD7为无功电流返回到直流电源提供通道

b.当电机处于制动状态时，再生电流通过VD1~VD7返回直流电路。

c.V1~V6进行逆变过程是同一桥臂两个逆变管不停地交替导通和截止，在换相过程中也需要D1~D6提供通路。

（6）缓冲电路

由于逆变管V1~V6每次由导通切换到截止状态的瞬间，C极和E极间的电压将由近乎0V上升到直流电压值UD，这过高的电压增长率可能会损坏逆变管，吸收电容的作用便是降低V1~V6关断时的电压增长率。

（7）制动单元

电机在减速时转子的转速将可能超过此时的同步转速（n=60f/P）而处于再生制动（发电）状态，拖动系统的动能将反馈到直流电路中使直流母线（滤波电容两端）电压UD不断上升（即所说的泵升电压），这样变频器将会产生过压保护，甚至可能损坏变频器，因而需将反馈能量消耗掉，制动电阻就是用来消耗这部分能量的。

制动单元由开关管与驱动电路构成，其功能是用来控制流经RB的放电电流IB

（五）变频器的基本分类

变频器总体分为“交-交变频器”与“交-直-交变频器”两种：

图？

？

交-交变频器在结构上没有明显的中间直流环节（或者叫“中间直流储能环节”、或“中间滤波环节”），来自电网的交流电被直接变换为电压、频率均可调的交流电，所以称为直接式变频器。

交-直-交变频器有明显的中间直流环节，工作时，首先把来自电网的交流电变换为直流电，经过中间直流环节之后，再通过逆变器变换为电压、频率均可调的交流电，故又称为间接式变频器。

1.交-直-交变频器（间接式变频器）分类

按直流电源的性质分类

交-直-交变频器中间直流环节是电容性还是电感性，可以将其划分为电压（源）型或电流（源）型。

当逆变器输出侧的负载为交流电动机时，在负载和直流电源之间将有无功功率的交换。

用于缓冲无功功率的中间直流环节的储能元件可以是电容或是电感，据此，变频器分成电压型变频器和电流型变频器两大类。

2.电流型变频器

电流型变频器主电路的典型构成方式如图。

其特点是中间直流环节采用大电感作为储能环节，无功功率将由该电感来缓冲。

图电流型变频器的主电路

（1）“电流型变频器”的名称由来：

由于电感的作用，直流电流Id趋于平稳，电动机的电流波形为方波或阶梯波，电压波形接近于正弦波。

直流电源的阻较大，近似于电流源，故称为电流源型变频器或电流型变频器。

（2）电流型变频器优点：

电流型变频器的一个较突出的优点是，当电动机处于再生发电状态时，回馈到直流侧的再生电能可以方便地回馈到交流电网，不需在主电路附加任何设备，只要利用网侧的不可逆变流器改变其输出电压极性（控制角a>

900）即可。

（3）应用场合：

电流型变频器可用于频繁急加减速的大容量电动机的传动。

在大容量风机、泵类节能调速中也有应用。

3.电压型变频器

电压型变频器典型的一种主电路结构形式如图所示。

其中用于逆变器晶闸管的换相电路未画出。

变频器的每个导电臂，均由一个可控开关器件和一个不控器件（二极管）反并联组成。

晶闸管VT1～VT6称为主开关器件，VD1～VD6称为回馈二极管。

（1）电路的特点是，中间直流环节的储能元件采用大电容，负载的无功功率将由它来缓冲。

图电压型变频器的主电路

（2）“电压型变频器”的名称由来：

由于大电容的作用，主电路直流电压Ed比较平稳，电动机端的电压为方波或阶梯波，电流波形与负载的阻抗角有关。

直流电源阻比较小，相当于电压源，故称为电压源型变频器或电压型变频器。

（3）按输出电压调节方式分类

变频调速时，需要同时调节逆变器的输出电压和频率，以保证电动机主磁通的恒定。

对输出电压的调节主要有两种方式：

PAM：

脉冲幅值调节（PulseAmplitudeModulation）

PWM：

脉冲宽度调制（PulseWidthModulation）

脉冲幅值调节方式是通过改变直流电压的幅值进行调压的方式。

在PAM变频器中，逆变器只负责调节输出频率，而输出电压的调节则由相控整流器或直流斩波器通过调节直流电压Ed去实现。

图采用直流斩波器的PAM方式

（六）变频器的基本原理

变频器的工作原理是通过控制电路来控制主电路，主电路中的整流器将交流电转变为直流电，直流中间电路将直流电进行平滑滤波，逆变器最后将直流电再转换为所需频率和电压的交流电，部分变频器还会在电路加入CPU等部件，来进行必要的转矩运算。

图交一直一交变频器主电路

1.单项桥式逆变器基本的工作原理

S1~S4是桥式电路的4个臂，由电力电子器件及辅助电路组成。

S1、S4闭合，S2、S3断开时，负载电压uo为正。

S1、S4断开，S2、S3闭合时，负载电压uo为负。

逆变电路最基本的工作原理——改变两组开关切换频率，可改变输出交流电频率

电阻负载时，负载电流io和uo的波形相同，相位也相同。

阻感负载时，io相位滞后于uo，波形也不同。

图逆变电路及其波形举例

换流：

电流从一个支路向另一个支路转移的过程，也称为换相。

开通：

适当的门极驱动信号就可使器件开通。

关断：

全控型器件可通过门极关断。

半控型器件晶闸管，必须利用外部条件才能关断。

一般在晶闸管电流过零后施加一定时间反压，才能关断。

研究换流方式主要是研究如何使器件关断。

2.三相电压型逆变电路；

三个单相逆变电路可组合成一个三相逆变电路,应用最广的是三相桥式逆变电路

图三相电压型桥式逆变电路

基本工作方式——180°

导电方式

每桥臂导电180°

，同一相上下两臂交替导电，各相开始导电的角度差120°

。

任一瞬间有三个桥臂同时导通。

每次换流都是在同一相上下两臂之间进行，也称为纵向换流。

（七）变频器的前景展望

深入了解交流传动与控制技术的走向，具有十分积极的意义．

1.变频器调速运行的节能原理

实现变频调速的装置称为变频器。

变频器一般由整流器、滤波器、驱动电路、保护电路以及控制器（MCU／DSP）等部分组成。

首先将单相或三相交流电源通过整流器并经电容滤波后，形成幅值基本固定的直流电压加在逆变器上，利用逆变器功率元件的通断控制，使逆变器输出端获得一定形状的矩形脉冲波形。

在这里，通过改变矩形脉冲的宽度控制其电压幅值；

通过改变调制周期控制其输出频率，从而在逆变器上同时进行输出电压和频率的控制，而满足变频调速对U／f协调控制的要求。

PWM的优点是能消除或抑制低次谐波，使负载电机在近正弦波的交变电压下运行，转矩脉冲小，调速围宽。

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／rain。

而采用PAM控制方式的压缩机转速可提高1．5倍左右，这样大大提高了快速增速和减速能力。

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，在抗干扰方面也有着PWM无法比拟的优越性，可抑制高次谐波的生成，减小对电网的污染。

采用该控制方式的变频调速技术后，电机定子电流下降64％，电源频率降低30％，出胶压力降低57％。

由电机理论可知，异步电机的转速可表示为：

n=60·

f8（1—8）／p

fs为电机定子频率（也即是电网频率），P电机定子的绕组极对数，s为转差率。

由上式可知，只要转差率不太大，可以近似认为转速n与fs成正比，这就意味着连续平滑的改变电源频率，就可以实现交流电动机大围的连续平滑调速。

例如一个额定转速3000转／分的电动机，由变频器供电，若启动频率设定为5HZ，那么变频器可以运行在5—50HZ之间的任一频率上，则电动机可以运行在30o——3000转／分之间的任一转速上·

电动机由市电启动，启动平衡，力矩大又节能。

50HZ380V的市电经过整流滤波环节后成为直流电，再经过逆变环节变成了频率和幅度都可调的交流电。

在变频器主回路中电能经过了交流——直流——交流的变换，所以这类变频器称作交——直——交类变频器。

2.我国变频器技术的发展及应用概况

（1）变频器的发展

随着生产技术的不断发展，直流拖动的薄弱环节逐步显露出来。

由于换向器的存，直流电机的维护量加大，单机容量、最高转速以及使用环境都受到限制。

人们开始转向结构简单、运行可靠、维护方便、价格低廉的异步电动机。

但异步电动机的调速性能难以满足生产的需要。

于是，从20世纪30年代开始，人们致力于交流调速技术的研究，然而进展缓慢。

在相当长的时期，直流调速一直以其优异的性能统治着电气传动领域。

20世纪60年代以后，特别是70年代以来，电力电子技术、控制技术和微电子技术的飞速发展，使得交流调速性能可以与直流调速相媲美。

目前，交流调速已进入逐步代替直流调速的时代。

（2）我国变频器的应用

变频器主要用于交流电动机（异步电机或同步电机）转速的调节，是公认的交流电动机最理想、最有前途的调速方案，除了具有卓越的调速性能之外，变频器还有显著的节能作用，是企业技术改造和产品更新换代的理想调速装置。

自上世纪80年代被引进中国以来，变频器作为节能应用与速度工艺控制中越来越重要的自动化设备，得到了快速发展和广泛的应用。

、变频器与节能

变频器产生的最初用途是速度控制，但目前在国应用较多的是节能。

中国是能耗大国，能源利用率很低，而能源储备不足。

在2003年的中国电力消耗中，60—70％为动力电，而在总容量为5．8亿千瓦的电动机总容量中，只有不到2000万千瓦的电动机是带变频控制的。

据分析，在中国，带变动负载、具有节能潜力的电机至少有1．8亿千瓦。

因此国家大力提倡节能措施，并着重推荐了变频调速技术。

应用变频调速，可以大大提高电机转速的控制精度，使电机在最节能的转速下运行。

以风机水泵为例，根据流体力学原理，轴功率与转速的三次方成正比。

当所需风量减少，风机转速降低时，其功率按转速的三次方下降。

因此，精确调速的节电效果非常可观。

与此类似，许多变动负载电机一般按最大需求来生产电动机的容量，故设计裕量偏大。

而在实际运行中，轻载运行的时间所占比例却非常高。

如采用变频调速，可大大提高轻载运行时的工作效率。

因此，变动负载的节能潜力巨大。

作为节能目的，变频器广泛应用于各行业。

以电力行业为例，由于中国大面积缺电，电力投资将持续增长，同时，国家电改方案对电厂的成本控制提出了要求，降低部电耗成为电厂关注焦点，因此变频器在电力行业有着巨大的发展潜力，尤其是高压变频器和大功率变频器。

、变频器与工艺控制（速度控制）

目前，中国的设备控制水平与发达国家相比还比较低，制造工艺和效率都不高，因此提高设备控制水平至关重要。

由于变频调速具有调速围广、调速精度高、动态响应好等优点，在许多需要精确速度控制的应用中，变频器正在发挥着提升工艺质量和生产效率的显著作用。

、变频家电

除了工业相关行业，在普通家庭中，节约电费、提高家电性能、保护环境等受到越来越多的关注，变频家电成为变频器的另一个广阔市场和应用趋势。

带有变频控制的冰箱、洗衣机、家用空调等，在节电、减小电压冲击、降低噪音、提高控制精度等方面有很大的优势。

20世纪70年代,家用电器开始逐步变频化,出现了电磁烹任器、变频照明器具、变频空调、变频微波炉、变频电冰箱、IH（感应加热）饭堡、变频洗衣机等。

　　20世纪末期期,家用电器则依托变频技术,主要瞄准高功能和省电。

　　首先是电冰箱,由于它处于全天工作,采用变频制冷后,压缩机始终处在低速运行状态,可以彻底消除因压缩机起动引的噪声,节能效果更加明显。

其次,空调器使用变频后,扩大了压缩机的工作围,不需要压缩机在断续状态下运行就可实现冷、暖控制,达到降低电力消耗,消除由于温度变动而引起的不适感。

近年来,新式的变频冷藏库不但耗电量减少、实现静音化,而且利用高速运行能实现快速冷冻。

　　在洗衣机方面,过去使用变频实现可变速控制,提高洗净性能,新流行的洗衣机除了节能和静音化外,还在确保衣物柔和洗涤等方面推出新的控制容;

电磁烹任器利用高频感应加热使锅子直接发热,没有燃气和电加热的炽热部分,因此不但安全,还大幅度提高加热效率,其工作频率高于听觉之上,从而消除了饭锅振动引起的噪声。

3.国变频技术的现状和发展前景

国已经有较多的变频器生产厂，但大部分的产品都是V／F控制和电压空间矢量控制变频器，使用在调速精度和动态性能要求不高的负载上应该没有问题。

工业应用中绝大部分都是这种负载，变频器在这种场合应用最重要的要可靠性，国产变频器占国市场份额不高的主要原因是产品品质不过硬。

V／F控制和电压空间矢量控制变频器比矢量控制变频器从技术上来看要简单得多，由于国厂家大部分都是手工作坊式的生产，工艺欠佳，检测手段有限，品质的一致性和稳定性难以保证。

同样是V／F控制的变频器，国外的产品比国的产品品质要好，这可能是生产工艺方面的差距。

差距最大的是半导体功率器件的制造业，至今在国这仍是一个空白。

变频器技术的另外一个层面是应用技术。

多年来，国家经贸委一直会同国家有关部门致力于变频器技术的开发及推广应用，在技术开发及技术改造方面给予了重点扶持，组织了变频调速技术的评测推荐工作，并把推广应用变频调速技术作为风机、水泵节能技改专项的重点投资方向，同时鼓励单位开展同贷同还方式，抓开发、抓示工程、抓推广应用，还处理了风机、水泵节能中心，开展信息咨询和培训。

1995—1997年，3年间我国风机、水泵变频调速技术改造投入资金3．5亿元，改造总容量达100万千瓦，可年节电7亿度，平均投资回收期约2年。

据有关资料表明，我国变频调速技术应用已经取得了相当大的成绩，每年有数十亿元的销售额，说明我国的变频器应用已非常广泛。

从简单的手动控制到基于RS一485网络的多机控制，与计算机和PLC联网组成复杂的控制系统。

在大型综合自动化系统，先进控制与优化技术，大型成套专用系统，如连铸连轧生产线、高速造纸生产线、电缆光纤生产线、化纤生产线、建材生产线等，变频器的作用是电气传动控制，其控制的复杂性、控制精度和动态响应都有很高的要求，已经完全取代了直流调速技术。

近年来，变频器在功能上，利用先进的控制理论，开发出了诸如卷取、提升、主从等控制功能，使应用系统的构成更加方便和容易，使变频器的应用技术提高到一个新的水平。

（八）本章小结

变频调速这一技术正越来越广泛的深入到行业中。

它的节能、省力、易于构成自控系统的显著优势应用变频调速技术也是改造挖潜、增加效益的一条有效途径。

尤其是在高能耗、低产出的设备较多的企业，采用变频调速装置将使企业获得巨大的经济利益，同时这也是国民经济可持续发展的需要。

二、变频器工程中的选用

（一）变频器的选择

品牌的选择 

目前，国市场上的变频器品牌多达上百种，应根据项目的预算，项目要求和个人熟悉程度等多种因素综合考虑品牌和型号。

就市场占有量来说，日本的东芝、三菱、富士、松下