并重點(diǎn)介紹了交一交變頻和矩陣式變頻器。對于交流調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展，著重討論了高動(dòng)態(tài)性能的異步變頻器調(diào)速系統(tǒng)和同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)。

　　1交流調(diào)速與變頻器的應(yīng)用領(lǐng)域交流電動(dòng)機(jī)，特別是籠型異步電動(dòng)機(jī)，具有相對體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡單、維護(hù)方便、制造成本和運(yùn)行費(fèi)用低且能在惡劣環(huán)境下可靠運(yùn)行等優(yōu)點(diǎn)。但由于其實(shí)現(xiàn)調(diào)速困難或調(diào)速方式不夠理想，長期以來高性能可調(diào)速傳動(dòng)一般都采用直流電機(jī)。到20世紀(jì)70年代，由于采用電力電子變頻器的高效交流變頻傳動(dòng)開發(fā)成功，結(jié)構(gòu)簡單、成本低、工作可靠、維護(hù)方便、效率高、傳動(dòng)慣量小的交流籠型電機(jī)進(jìn)入了可調(diào)速領(lǐng)域。此后，交流調(diào)速的應(yīng)用便迅速發(fā)展起來了。

　　所謂變頻調(diào)速器是將三相工頻（50Hz）交流電源或任意電源變換成三相電壓可調(diào)頻率可調(diào)的交流電源，有時(shí)又將變頻調(diào)速器稱為變壓變頻裝置（VVVF）。主要用于交流電機(jī)（異步電機(jī)或同步電機(jī)）轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。

　　一個(gè)交流電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)有變頻調(diào)速器、驅(qū)動(dòng)器和控制器三部分組成。其中核心是變頻調(diào)速器，由它來實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)電壓和頻率的平滑變化。變頻調(diào)速在調(diào)頻范圍、靜態(tài)精度、動(dòng)態(tài)品質(zhì)、系統(tǒng)完善的保護(hù)功能、容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制和過程控制等方面是以往的調(diào)壓調(diào)速、變極調(diào)速、串級調(diào)速、滑差調(diào)速等調(diào)速無法比擬的。它是公認(rèn)的交流電機(jī)比較理想比較有前途的調(diào)速方案，代表了今后電氣傳動(dòng)的發(fā)展方向。

　　在這里主要討論比較為廣泛的異步電機(jī)VVVF變壓變頻調(diào)速，以及用于變壓變頻調(diào)速的電力電子裝置變頻器，主要是逆變器。同時(shí)，也將涉及同步電機(jī)的變頻調(diào)速。目前變頻器主要應(yīng)用于三個(gè)方面：一般性能的節(jié)能調(diào)速和工藝調(diào)速；高性能交流調(diào)速系統(tǒng)；特大容量、極高轉(zhuǎn)速的交流傳動(dòng)。

　　20.4KV以下低壓變頻器的應(yīng)用和發(fā)展0.4KV以下的低壓變頻現(xiàn)在己很普及，國內(nèi)外都有比較成熟的產(chǎn)品?，F(xiàn)在，低壓變頻器發(fā)展中的主要問題是對電磁兼容性的嚴(yán)格要求，在濾波、無功補(bǔ)償和抗電磁干擾等方面都應(yīng)該完全符合國際標(biāo)準(zhǔn)。

　　33~10KV中壓變頻器的應(yīng)用和發(fā)展對于3~10KV的變頻器，稱為中壓變頻器。受到常用電力電子開關(guān)器件耐壓的限制，普通低壓變頻器不能適用于中壓。解決中壓變頻器的途徑：提高電力電器器件的耐壓；多電平、多重化或多單元串聯(lián)；對于新設(shè)計(jì)的產(chǎn)品，應(yīng)適當(dāng)降低電機(jī)的額定電壓；中壓變頻器主要用于大、中容量的風(fēng)機(jī)、水泵調(diào)速，這對于節(jié)能非常重要。

　　4交一交直接變頻和矩陣式變頻器對于大容量、低轉(zhuǎn)速的交流調(diào)速系統(tǒng)，常采用晶閘管交一交直接變頻器，供電給低速電機(jī)直接傳動(dòng)時(shí)，可省去龐大的齒輪減速箱。缺點(diǎn)是：比較高輸出頻率不超過電網(wǎng)頻率的1/3~1/2且輸入功率因數(shù)較低，諧波電流含量大，諧波頻譜復(fù)雜，因此必須配置大容量的濾波和無功補(bǔ)償設(shè)備。

　　近年來，出現(xiàn)了一種應(yīng)用全控型開關(guān)器件的矩陣式交一交變壓變頻器，在三相輸入與三相輸出之間用了九組雙向開關(guān)組成矩陣陣列，采用PWM控制方式，可直接輸出變頻電壓。主要優(yōu)點(diǎn)：輸出電壓和輸出電流的低次諧波幅值都比較??；可省去中間直流環(huán)節(jié)的大電容元件限制矩陣式變頻器實(shí)際應(yīng)用的問題是：（1）功率器件數(shù)量大，裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜；第：董燕飛（1976-），女，江蘇沛縣人平頂山工學(xué)i院講師，武漢大學(xué)在職研究生。，u+4，。+雙向開關(guān)的安全換流問題；當(dāng)輸出電壓必須接近正弦時(shí)，理論上比較大輸出輸入電壓比只有0.866. 20世紀(jì)90年代開發(fā)出幾種智能換流技術(shù)（二步換流、四步換流等）和現(xiàn)有的一些控制方案己能實(shí)現(xiàn)更高的電壓比，并能解決雙向開關(guān)的安全換流問題。在應(yīng)用上比較大的進(jìn)展是2000年以后出現(xiàn)的功率模塊，克服了矩陣式變頻器結(jié)構(gòu)龐大的缺點(diǎn)。目前，矩陣式變頻器在國內(nèi)外都有研制的樣機(jī)出現(xiàn)。

　　5高動(dòng)態(tài)性能的異步電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)基于穩(wěn)態(tài)模型設(shè)計(jì)的VVVF裝置只能實(shí)現(xiàn)一般的控制性能，要實(shí)現(xiàn)高動(dòng)態(tài)性能必須應(yīng)用異步電機(jī)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型，這時(shí)控制算法會(huì)比較復(fù)雜，采用數(shù)字控制恰好能使計(jì)算機(jī)的優(yōu)越性得以發(fā)揮?，F(xiàn)己獲得廣泛應(yīng)用的高動(dòng)態(tài)性能異步電機(jī)控制系統(tǒng)有兩種：矢量控制系統(tǒng)（VCS）和直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)（DTCS）三相異步電機(jī)的動(dòng)態(tài)模型雖然復(fù)雜，但利用坐標(biāo)變換可把它等效成直流電機(jī)模型，從而可仿照直流電機(jī)進(jìn)行控制。在矢量控制系統(tǒng)中，采用由轉(zhuǎn)子磁鏈決定d軸方向的dq同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，把錠子電流分解為勵(lì)磁分量和轉(zhuǎn)矩分量，得到類似于直流電機(jī)的轉(zhuǎn)矩模型再按照動(dòng)態(tài)模型把非線性系統(tǒng)等效變換成兩個(gè)獨(dú)立的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子磁鏈的子系統(tǒng)，分別用PI調(diào)節(jié)器進(jìn)行控制，其調(diào)速范圍可達(dá)1：1 000.但按轉(zhuǎn)子磁鏈定向會(huì)受電機(jī)參數(shù)變化的影響而失真，從而降低系統(tǒng)的調(diào)速性能，采用智能化調(diào)節(jié)器可克服這一缺點(diǎn)，可提高系統(tǒng)的魯棒性。

　　直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)舍去比較復(fù)雜的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換，僅在二相靜止坐標(biāo)系上構(gòu)成轉(zhuǎn)矩反饋信號(hào)，并用雙位式砰一砰控制，根據(jù)二者的變化選擇電壓空間矢量的PWM開關(guān)狀態(tài)，以控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。這種系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)簡單、轉(zhuǎn)矩響應(yīng)快，又避免了轉(zhuǎn)子參數(shù)變化的影響。砰一砰控制會(huì)使輸出轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生脈動(dòng)，影響系統(tǒng)的調(diào)速范圍。

　　在VCS和DTCS兩種系統(tǒng)中取長補(bǔ)短，按錠子磁鏈定向進(jìn)行矢量控制，如果能在控制算法中避開電機(jī)的轉(zhuǎn)子參數(shù)，使系統(tǒng)性能不受其變化的影響，應(yīng)該能夠獲得優(yōu)秀的調(diào)速性能，有很好的發(fā)展前景。在VCS和DTCS兩種系統(tǒng)中都需要轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制，所需轉(zhuǎn)速反饋信號(hào)來自與電機(jī)同軸的速度傳感器，其成本、安裝、可靠性能都有問題。目前，己有若干品種的無速度傳感器高性能調(diào)速系統(tǒng)問世6同步電機(jī)變壓變頻調(diào)速采用獨(dú)立的變壓變頻器給同步電機(jī)供電的系統(tǒng)叫作他控式變頻調(diào)速系統(tǒng)。由于同步電機(jī)運(yùn)行時(shí)能保持嚴(yán)格的同步轉(zhuǎn)速，如果在電機(jī)軸上安裝一個(gè)能反映轉(zhuǎn)子磁極位置的裝置，稱為轉(zhuǎn)子位置檢測器，用它發(fā)出的轉(zhuǎn)子位置信號(hào)來控制變頻器換相，則為自控式變頻調(diào)速系統(tǒng)。由于同步電機(jī)的變壓變頻控制方式比異步簡單，且轉(zhuǎn)速控制精確，其應(yīng)用有逐步上升之勢。小容量的同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)有：高精度正弦波永磁同步電機(jī)調(diào)速，常用于伺服系統(tǒng)和高精度調(diào)速系統(tǒng)；梯形波永磁同步電機(jī)自控式變頻調(diào)速又稱無刷直流電機(jī)調(diào)速；大容量的勵(lì)磁式同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)有：自控式變頻和自然換流逆變器控制調(diào)速系統(tǒng)；按磁場定向矢量控制調(diào)速系統(tǒng)。