1 概述
異步機變頻調速已得到廣泛的應用。變頻器的花樣種類繁多，變頻器的供應商們為了推銷自己的產品，都大力宣傳自己的優點，其他產品的缺點，使人眼花繚亂。變頻器的應用者在選用時經常提出許多如何合理應用及方案比較的問題，變頻器的開發者在方案論證時也常提出產品定位及前景方面的問題。作者根據自己多年來在該領域中的體會，就下面幾個問題談談自己的看法。
各種產品，只要它們在市場上站得住腳，就必然有它們各自的優點和缺點。市場是無情的，如果都是缺點，該產品必然被淘汰，若都是優點它必然淘汰別人。作者希望通過本論壇引起討論，去掉商業炒作，還事物以本來面目。以下均為個人看法，僅供參考。涉及一些價格，均為做方案比較用的價格，不是實際購物價格，不涉及商業行為。
(1) 大功率節能調速的合理電壓等級
大中功率風機和泵采用變頻調速可節約大量電能，大部分功率在0.2-2MW范圍內。我們現在200KW以上的電機多是中壓，電壓等級多為10KV，少量為6KV。選用10KV“直接”變頻，從技術和經濟角度看都不合理。所有的“直接”變頻都不是真正的直接變頻，在其輸入側都有變壓器，因此電機和變頻器沒有必要和電網電壓一致。本文討論不同功率段的合理電壓等級。
(2) 高性能調速系統中的矢量控制和直接力矩控制
高性能調速系統中的矢量控制發明于70年代末，商品化于80年代，至今仍然為多數公司所采用。直接力矩發明于80年代后期，部分公司采用，商品化于90年代初，被廣泛宣傳為新一代技術。本文介紹作者對這兩種系統的看法。
(3) 有速度(位置)傳感器和無速度(位置)傳感器系統
在矢量控制和直接力矩控制系統開發的初期都要求裝設速度(位置)傳感器(編碼器)。有些場合安裝編碼器困難，所以又開發出無速度(位置)傳感器系統，它的性能不如前者，但優于V/f開環系統。現在有些宣傳說，無編碼器系統的低速起動性能已達到有編碼器系統水平，此提法有模糊之處。本文討論什么時候應裝編碼器，何時可以不裝編碼器。
2 大功率節能調速傳動的合理電壓等級
大中功率風機和泵采用變頻調速可節約大量電能，大部分功率在200-2000KW范圍中。我們現有的交流電動機200KW是個界限，200KW以下是低壓380V，200KW以上為中壓:3KV、6KV和10KV。電力部門從減小線損的角度出發，希望提高供電電壓，3KV已取消，6KV正在淘汰中，大力推行10KV，將來還可能提至20KV。用戶從簡化配置出發，很自然的提出要求，希望200KW以上的電機和變壓器也都采用10KV，不幸這合乎情理的要求技術上實現困難，經濟上價高，因為:
A． 10KV電機從制造角度并不困難，但隨著電壓升高，絕緣等級提高，電機重量和價格也增加，以YJS系列4極560KW電機為例:380V重3.6T，價11萬;6KV重3.9T，價15萬;10KV重4.4T，價20萬。
B． 受電力電子器件電壓及電機允許的dv/dt限制，10KV變頻器必須多電平，多器件串聯。造成線路復雜，價格昂貴，可靠性差。對于10KV變頻器若使用1700V IGBT器件，需10串，三相共120支器件。若使用3300V器件，也需5串共60支器件，數量巨大。另一方面電流小，器件的電流能力得不到充分利用，仍以560KW為例，10KV電機電流僅40A左右，現1700V的IGBT電流已達2400A，3300V器件電流達1600A，有大電流器件不采用，偏要用大量小電流器件串聯，極不合理。即使電機功率達2000KV，電流也只有140A左右，仍很小。
為了電平隔離，改善輸入電流波形及減小諧波，現在所有的中壓“直接變頻”器都不是真正的直接變頻，其輸入側都裝有輸入變壓器，這種安排短時間內不會改變。既然輸入側有變壓器，變頻器和電機的電壓就沒有必要和電網一樣，非用10KV和6KV不可，因此就有了變頻器和電機的合理電壓等級問題。另外，過去電機中低壓的200KW分界是考慮電機直接起動，起動電流7-8倍額定電流，10KV/380V電力變壓器容量2000KVA，短路阻抗6%左右，電機起動時380V母線壓降限制在5%左右而定的。再加大變壓器，短路電流太大，低壓開關難以承受。采用變頻器調速后，起動電流被限制在額定值內，中低壓分界條件也應隨之變化。現在660V低壓電機容量已達1000-1200KW，它也為討論合理電壓等級提供了基礎。
本文分析合理電壓等級的出發點是:
A． 低壓變頻器采用1200V或1700V IGBT，器件額定電流小于1800A-2400A，并聯數不大于2。并聯再多實現麻煩，就不如改為多電平串聯，中壓變頻。
B． 中壓變頻采用器件種類及電壓等級很多，相應線路方案也不同。本文基于目前市場上流行的產品，它們是基于1700V IGBT的分離直流電源多重化(H橋串聯)方案(SDM)及基于3300V，4500V和6000V的IGBT或IGCT或IEGT三電平方案(THL)。
文獻[1]對合理由電壓等級進行了分析，這里不再重復，只把幾點看法列于下面:
A．800-1200KW以下的變頻調速宜選用380V或660V電壓等級。它線路簡單，技術成熟，可靠性高，dv/dt小，價格便宜。仍以560KW電機為例，630KW 660V的低壓變頻器約50萬，而同容量2300V的中壓變頻器約90萬。實現的方法有低-低，低-高，高-低和高-低-高等幾種形式。由于電機、變壓器的價格遠低于變頻器，即使更換電機、變壓器也合理。
B．1000-1500KW以上的調速可以用中壓變頻
國外的中壓變頻器有多個電壓等級:1.1KV，2.3KV 3KV 4.2KV 6KV，它們主要由電力電子器件的電壓等級所確定。在THL中器件不串及SDM中橋不串聯情況下，器件電壓與變頻器電壓間的關系示于表1。
表1 在不串聯情況下，器件電壓與變頻器電壓間的關系
器件電壓(V) 1700 3300 4500 6000
變頻器電壓(KV) 1.1 2.3 3 4.2
目前器件最高6000V，在不串情況下變頻器最高電壓4.2KV。6KV變頻器必須串聯，線路復雜，器件多，可靠性受影響。國外很少做6KV變頻器，10KV基本不做。從原理上說SDM通過H橋單元串聯，變頻器輸出電壓不受器件電壓限制，可以較高，但提高電壓的代價是器件大量增加，可靠性降低。對于同樣輸出功率的變頻器，使用較高電壓較多單元串聯所花的代價大于用較低電壓，較少數量，電流較大單元的代價，也就是說在器件電流允許條件下應選用盡可能低的電壓等級。
許多應用場合都要求旁路功能，即在變頻器故障時將電機旁路，直接接入電網恒速工作。為降低變頻器造價，電機電壓低于電網電壓后，如何旁路是一個需要解決的問題。這問題可以解決，對于不同的變頻器旁路方法不同，變頻器的旁路指在變頻器出現故障時將電機直接接入電網，恒速工作。如果電機電壓和電網電壓一致，旁路不成問題。為了降低變頻器造價，電機電壓低于電網電壓后，如何旁路，是這里所要討論的問題。
如果采用低壓變頻，變頻器輸入交流電壓與額定輸出電壓一樣，電機可以繞過變頻順直接接低壓380V或660V電源。
如果采用THL中壓變頻，可以把輸入變頻器兩副邊串聯起來向電機供電，參見圖1。當三個轉換開關接“1”時，變頻器工作;當三個開關接“2”時旁路，輸入變壓器的兩組副邊線電壓各等于1.5Vm/2（Vm為電機額定輸入電壓），并互差300，把它們串起來后電壓為1.5Vm cos150=1.01Vm，正好供電機恒速工作。
如果采用SDM變頻器，輸入變頻器副邊太多，無法通過改變接線來旁路變頻器，只能旁路出故障的單元，經觸點將故障單元輸出短路，單元中IGBT封鎖。在這類變頻器設計時已考慮了旁路單元的工況。如果一定要旁路變頻器，只能另加一臺備用降壓變壓器，這對于在一個電網上掛有多套變頻器時是合理的。
設計旁路電路時需注意校驗電機直接起動時的起動轉矩。例如變壓器短路阻抗為6%，容量為1.1倍變頻器容量，電機起動電流為7倍，則電機起動電壓為0.72Vm，起動轉矩為0.52倍額定起動轉矩，它應大于負載轉矩。若起動轉矩不夠，只能加大變壓器容量或選用小短路阻抗變壓器。
3 高性能調速系統中的矢量控制和直接力矩控制
調速系統的任務是控制速度，速度通過轉矩來改變，調速系統的性能取決于轉矩控制的好壞，矢量控制(VC)和直接力矩控制(DTC)的任務都是實現高性能轉矩控制，它們的速度調節部分相同。
異步機的轉矩等于磁鏈矢量和定子電流矢量的矢量積。磁鏈不能直接測量，需要通過定子電壓電流及電機參數算得。
由于定子電壓電流都是交流量，處理起來較麻煩，所以在VC控制系統中，借助于坐標變化，把它們變成dq坐標系的直流量，計算得到的控制量再經反變換變回交流坐標軸系去產生PWM信號。為了在高速和低速均能取得好的性能，必須用電壓電流兩個模型，涉及到電機參數較多。
在DTC系統中用交流量直接計算力矩和磁鏈，然后通過力矩、磁鏈兩個Band-Band控制器產生PWM信號，省去了坐標變換。在研制DTC的初期沒有考慮低速運行工況，并以定子磁鏈為基礎，涉及電機參數只有Rs一個，因此DTC的供貨商大力宣傳DTC計算簡單，涉及電機參數最少，精度高等。實際上在考慮低速運行工況后，DTC也必須引入電流模型，也要用到轉子磁鏈，涉及的電機參數和VC一樣多，所以精度也一樣。DTC沒坐標變換，計算公式簡單，但為了實現Band-Band控制，必須在一個開關周期中計算很多次，要求計算速度快，以ABB公司的ACS600系列為例，它的計算周期是25μs。在VC中測量電壓電流在一個開關周期內的平均值，然后一周期計算一次，對計算速度要求低，以Siemens公司的6SE70系列為例，他計算周期是400μs，相差16倍。矢量變換計算只不過4個乘法和兩個加法，以現在處理器的能力看，它算不了什么。另外以定子磁鏈為基礎也不是DTC的專利，有的VC系統也以定子磁鏈為基礎。根據產品樣本，ACS600(DTC)轉矩控制響應時間是5ms，6SE70(VC)也是5ms，再快的響應機械也受不了。
有人認為，DTC利用磁鏈幅值的Band-Band控制得到近似圓形磁場，磁鏈幅值的波動會導致轉矩波動，而VC是連續控制，磁鏈幅值不變，無轉矩波動。
滬公網安備31010802001143號
