综述 SURVEY LECTURE 机本身固有的优点 ( 结构简单坚固耐用经济可靠动态响应好等 ), 并且很好地解决了交流电机调速性能先天不足的问题交流变频调速技术以其卓越的调速性能显著的节电效果以及在国民经济各领域的广泛适用性, 而被公认为是一种最有前途的交流调速方式, 代表了电气传动

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熙茅
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高压变频调速技术应用现状与发展趋势徐甫荣陈辉明高压变频调速技术应用现状与发展趋势 The Application Current Situations and Development Trend for High Voltage Variable Frequency Variable Speed Technology ( 国家电力公司热工研究院 ) 徐甫荣 ( 深圳市微能科技有限公司 )

1 高压变频调速技术应用现状与发展趋势徐甫荣陈辉明高压变频调速技术应用现状与发展趋势 The Application Current Situations and Development Trend for High Voltage Variable Frequency Variable Speed Technology ( 国家电力公司热工研究院 ) 徐甫荣 ( 深圳市微能科技有限公司 ) 陈辉明 1 前言徐甫荣 (1946-) 男,1970 年毕业于西安交通大学电机工程系发电厂电力网及电力系统专业, 原为国家电力公司热工研究院自动化所教授级高工, 主要从事火电厂热工自动化及交直流调速拖动技术的研究工作, 现为深圳市微能科技公司高级技术顾问通常, 我们把用来驱动 1kV 以上交流电动机的中大容量变频器称为高压变频器按照国际惯例和我国国家标准, 当供电电压大于或等于 10kV 时称高压, 小于 10kV 时称中压因此, 相应额定电压 1~10kV 的变频器应分别称为中压变频器和高压变频器但考虑到在这一电压范围内的变频器有着共同的特征, 且我们习惯上也把额定电压为 3kV 或 6kV 的电动机称为高压电机, 因此, 为简化叙述起见, 本文也称之为高压变频器截止 2006 年底, 我国发电装机总容量已突破 5 亿 kw, 为 5.08 亿 kw 其中火电装机约占 80%, 为 4 亿 kw 左右全国年发电量已突破 2 万亿 kwh 而我国的能源利用率却平均比发达国家低 20% 左右! 全国电动机装机总容量已达 4 亿多 kw, 年耗电量达亿 kwh, 占全国总用电量的 60%, 占工业用电量的 80%; 其中风机水泵压缩机的装机总容量已超过 2 亿 kw, 年耗电量达 8000 亿 kwh, 占全国总用电量的 40% 左右 70% 以上的风机水泵压缩机应调速运行, 而至今仅有约 5% 左右调速运行若按风机水泵和压缩机总装机容量的 50% 进行调速节能改造, 则可改造容量达 1 亿 kw, 其中 40% 为中高压电机, 容量占 60% 若按电机平均出力为 60%, 年运行 4000 小时, 平均节电率为 20~30%( 平均 25%) 计算, 则年节电潜力为 600 亿 kwh! 整个电机系统的节电潜力约为 1000 亿 kwh, 改造和更新预计需投入 2000~3000 亿元人民币根据国家节能计划, 我国每年应节约和少用能源 7000 万吨标准煤, 通过基本建设项目及技术改造措施, 每年可形成约 3000 万吨标准煤的节能能力, 而每形成一吨标准煤的节能能力需投资 2000 元 ( 约为开发等量能源费用的三分之一 ), 则每年需节能投资 600 亿元, 十五期间共需 3000 亿元人民币, 十一五期间将更多由于我国经济的高速发展, 发电装机仍以高速发展但电力运行的一些主要指标和装备指标与发达国家相比仍有很大差距 : 我国火电机组的平均煤耗为 400g/kWh, 比发达国家高出约 70~100 g/kwh; 发达国家发电厂的厂用电率为 3.7%~6%, 而我国的厂用电率为 4.7%~10.5%, 加之线损, 我国送到用户的电能要比发达国家多耗电 9.5%, 相当于 22000MW 装机容量, 即 22 个百万大厂的年发电量因此, 我国的节能形势十分严峻! 2 变频调速技术的发展历史及现状变频调速技术涉及到电力电子电工信息与控制等多个学科领域随着电力电子技术计算机技术和自动控制技术的发展, 以变频调速为代表的近代交流调速技术有了飞速的发展交流变频调速传动克服了直流电机的缺点, 发挥了交流电 35 今日自动化技术应用在中国

2 综述 SURVEY LECTURE 机本身固有的优点 ( 结构简单坚固耐用经济可靠动态响应好等 ), 并且很好地解决了交流电机调速性能先天不足的问题交流变频调速技术以其卓越的调速性能显著的节电效果以及在国民经济各领域的广泛适用性, 而被公认为是一种最有前途的交流调速方式, 代表了电气传动发展的主流方向变频调速技术为节能降耗改善控制性能提高产品的产量和质量提供了至关重要的手段变频调速理论已形成较为完整的科学体系, 成为一门相对独立的学科 20 世纪是电力电子变频技术由诞生到发展的一个全盛时代最初的交流变频调速理论诞生于 20 世纪 20 年代, 直到 60 年代, 由于电力电子器件的发展, 才促进了变频调速技术向实用方向发展 70 年代席卷工业发达国家的石油危机, 促使他们投入大量的人力物力财力去研究高效率的变频器, 使变频调速技术有了很大发展并得到推广应用 80 年代, 变频调速已产品化, 性能也不断提高, 发挥了交流调速的优越性, 广泛地应用于工业各部门, 并且部分取代了直流调速进入 90 年代, 由于新型电力电子器件如 IGBT( 绝缘栅双极型晶体管 Insolated Gate Bipolar Transistor) IGCT( 集成门极换流型晶闸管 Integrated Gate Commutated Thyristor) 等的发展及性能的提高计算机技术的发展, 如由 16 位机发展到 32 位机以及 DSP( 数字信号处理器 Digital Signal Processor) 的诞生和发展 ( 如磁场定向矢量控制直接转矩控制 ) 等原因, 极大地提高了变频调速的技术性能, 促进了变频调速技术的发展, 使变频器在调速范围驱动能力调速精度动态响应输出性能功率因数运行效率及使用的方便性等方面大大超过了其它常规交流调速方式, 其性能指标亦已超过了直流调速系统, 达到取代直流调速系统的地步目前, 交流变频调速以其优异的性能而深受各行业的普遍欢迎, 在电力轧钢造纸化工水泥煤炭纺织铁路食品船舶机床等传统工业的改造中和航天航空等高新技术的发展应用中无不看到变频调速技术的踪影, 变频调速技术取得了显著的经济效益变频调速技术的现状具有以下特点 (1) 在功率器件方面, 近年来高电压大电流的 SCR GTO IGBT IGCT 等器件的生产以及并联串联技术的应用, 使高电压大功率变频器产品的生产及应用成为现实 (2) 在微电子技术方面,16 位 32 位高速微处理器以及 DSP 和 ASIC( 专用集成电路 Application Specific IC) 技术的快速发展, 为实现变频器高精度多功能化提供了硬件手段 (3) 在控制理论方面, 矢量控制磁通控制转矩控制智能控制等新的控制理论为研制高性能变频器的发展提供了相关理论基础 (4) 在产品化生产方面, 基础工业和各种制造业的高速发展, 促进了变频器相关配套件的社会化专业化生产一致性的主电路拓扑结构, 而是限于功率器件的电压耐量和高压使用条件的矛盾, 国内外各变频器生产厂商, 采用不同的功率器件和不同的主电路拓扑结构, 以适应不同的电压等级和各种拖动设备的要求, 因而在各项性能指标和适用范围上也各有差异一般来讲, 在高压供电而功率器件耐压能力有限的情况下, 可采用将功率器件串联的方法来解决但是功率器件在串联使用时, 因为各器件的动态电阻和极间电容不同, 而存在静态均压和动态均压问题如果采用与器件并联 R 和 Rc 的均压措施, 会使电路复杂, 损耗增加 ; 同时, 器件的串联对驱动电路的要求也大大提高, 要尽量做到串联器件同时导通和关断, 否则由于各器件开断时间不一致, 承受电压不均, 会导致器件损坏甚至整个装置崩溃谐波问题是所有变频器的共同问题, 尤其在高压大功率变频调速中更为突出谐波会污染电网, 殃及同一电网上的其它用电设备, 甚至影响电力系统的正常运行 ; 谐波也会干扰通讯和控制系统, 严重时会使通讯中断系统瘫痪 ; 谐波电流还会使电动机损耗增加, 因而发热增加, 效率及功率因数下降, 以至不得不降额使用还有效率问题, 变频调速装置的容量愈大, 调速系统的效率问题也就愈加重要采用不同的主电路拓扑结构, 使用的功率器件的种类和数量的多少, 以及变压器滤波器等的使用, 都会影响系统的效率为了提高系统效率, 必须设法尽量减少功率开关器件和变频调速装置的损耗可靠性和冗余设计问题 : 一般的高压大功率拖动系统都要求很高的系统可靠性, 尤其是国民经济的重要部门如电力能源冶金矿山和石化等行业, 一旦设备出现故障, 将会造成人民生命财产的巨大损失因此高压变频装置设计中是否便于采用冗余设计及旁路控制功能也是至关重要的根据高压变频器有无直流环节, 可以分为交交变频器和交直交变频器 ; 根据直流环节滤波元件的性质又可以分为电流源型变频器和电压源型变频器 ; 电流源型变频器又可以分为负载换流式晶闸管变频器 (LCI) 和采用自关断器件 (GTO SGCT) 的电流源型变频器 ; 电压源型变频器则可以分为 :a) 功率器件串联二电平直接高压变频器,b) 采用 HV IGBT IGCT 的多电平电压源变频器,c) 采用 LV IGBT 的单元串联多重化电压源变频器等, 如图 1 所示 3 国内外高压变频器的分类比较和应用情况目前世界上的高压变频器不象低压变频器一样具有成熟的图 1 高压变频器分类今日自动化技术应用在中国 36

3 高压变频调速技术应用现状与发展趋势徐甫荣陈辉明上世纪未以前, 高压大功率变频器都采用国外进口品牌如美国罗克韦尔公司的 Power FlexTM7000 高压变频器, 是采用 SGCT 功率器件串联的交一直一交电流源型变频器, 与电动机的特性有关, 调试比较困难 ; 并且 du/dt 较大, 对电机的绝缘影响较大是进入我国火电厂节能改造工程最早的产品美国罗宾康 (ROBICON) 公司的单元串联多电平变频器, 采用低压 IGBT 功率器件, 号称完美无谐波变频器也是进入我国较早, 且使用最多的产品它的优点是电压电流波形好, 谐波含量小, 对电动机影响小欧洲 ABB 公司的 ACS1000 高压变频器, 是采用 IGCT 器件的三电平变频器, 最高电压到 4.16kV 若用在我国 6kV 高压电动机上, 要进行星一三角改接, 不利于进行工频旁路切换 ( 切换前要先进行三角一星形改接 ), 所以限制了它在我国火电厂的使用目前在我国发电厂使用量很少德国西门子公司的 SIMOVERT MV 系列高压变频器,6kV 电压可做到 2000kW 它实际上采用的是高一低一高方式其核心的逆变器是采用高压 IGBT 器件的三电平变频器, 输出电压为 2.3kV, 通过一个集成升压滤波器将电压升到 6kV, 并兼有滤波作用也是进入我国较早的产品, 目前使用量已超过 200 台套法国阿尔斯通公司的 ALSPA CDM6000 系列高压变频器, 是采用 IGBT 器件的飞跨电容四电平变频器, 可四象限运行, 输出波形较好, 谐波含量和 du/dt 较小 (du/dt<500v/us) 在冶金矿山使用较多, 在我国电厂使用很少国外产品的共性是质量好, 可靠性高, 但价格也很高, 且对我国电网的适应能力差, 用户界面差 ( 未汉化 ), 售后服务响应差备品备件供应差且价格昂贵以上因素给国内用户带来很大的不便进入新世纪以来, 国产高压变频器企业迅速崛起, 并以惊人的速度占领市场北京利德华福公司的高压变频器销售业绩, 到 2006 年 6 月份已突破 600 台套还有成都东方日立 ( 原东方凯奇 ) 公司, 北京合康亿盛公司山东新风光公司成都佳灵公司中山明扬公司哈尔滨九洲公司广州智光公司上海科达公司深圳的微能科技和康沃公司等也都先后进入这个领域, 并且必然会有更多的企业加入进来这将对我国高压变频器品牌占领国内市场起到积极的作用并为我国创建节约型社会送来强劲的东风国产品牌在可靠性和生产工艺上正在迎头赶上, 其最大的优势是适合中国国情和用户的需要, 可以进行特殊设计, 用户界面友好, 操作方便, 价格便宜最主要的是良好的售前售后服务和备品备件的提供, 以及操作维护人员的培训工作, 更是国外品牌的产品所无法比拟的在上世纪未, 用户是唯进口品牌是论, 根本不考虑国产品牌, 而现在情况正好反过来了, 许多用户主动要求选用国产品牌, 而不要进口品牌国外的高压变频器生产公司为了占领中国市场, 也都纷纷在国内设立组装厂, 象进线变压器等也由国内配套厂提供, 产品的设计也越来越适应中国用户的要求, 价格也有所下降国内的产品大多数采用单元串联多电平电路, 也有少数采用三电平电路和功率器件直接串联二电平电路的对于我国目前以节能为目的的用户来说, 单元串联多电平电路, 在性能上还是占有一定优势的随着使用领域的扩大, 还有待于开发出性能更好的产品来成都佳灵电气公司经过多年研制, 解决了功率器件 IGBT 的直接串联技术问题, 使真正无输入输出变压器的直接高压变频器成为现实这不但大大提高了变频器的效率, 并大大减小了变频器的体积和重量采用抗共模电压技术以取消输入变压器, 采用了输出滤波器和优化的 PWM 波形, 大大降低了谐波含量, 可使总谐波含量 (THD) 降低到 2% 以下采用二电平逆变, 使电路结构和控制简单, 缩小了体积, 降低了成本广东明阳龙源电力电子有限公司开发的三电平电压源型高压变频装置主要应用于电厂水厂钢厂矿山冶金化工石油等工业领域的高压电动机节能驱动, 控制风机水泵轧钢机等设备的节能运行, 应用效果显著该公司生产的 ML-VERT-S 系列高压变频器采用二极管中点钳位三电平电压源逆变器构成主电路, 开关器件在国内最先使用 ABB 公司先进的大功率集成门极换相晶体闸流管 (IGCT) 串联技术, 满足国内 6kV 电动机直接高 - 高方式驱动的要求目前国内投运的高压变频器已接近 3000 套, 分别为 : (1) 罗宾康公司 450 套 (2) 西门子公司 300 套 (3) 罗克韦尔 (AB) 公司 200 套 (4)ABB 公司 160 套 (5) 利德华福公司 650 套 (6) 东方日立公司 480 套 (7) 中山明阳龙源公司 180 套 (8) 哈尔滨九洲公司 120 套 (9) 成都佳灵公司 80 套 (10) 山东新风光 60 套 (11) 上海科达公司 50 套 (12) 广州智光公司 40 套 (13) 湖北三环公司 16 套 (14) 其他公司品牌约 200 套左右 4 高压变频调速中的关键控制技术及其发展 (1) 矢量控制技术 1971 年西门子公司提出的矢量变换控制是一种新的控制思想和控制理论其基本思想是把交流电机模拟成直流电机进行控制它是以转子磁场定向, 采用矢量变换的方法实现交流电动机的转速和磁链控制的完全解耦迄今为止, 矢量控制技术已经获得了长足的发展 (2) 无速度传感器矢量控制技术近年来高性能异步电机调速系统得到广泛的应用, 而速度传感器的安装维护以及低速性能等方面的问题, 影响了异步 37 今日自动化技术应用在中国

4 综述 SURVEY LECTURE 电机调速系统的简便性廉价性和可靠性无速度传感器异步电机的控制已越来越受到人们的关注和重视无速度传感器矢量控制变频器既具有矢量控制高性能的优点, 又具有通用变频器没有速度传感器的长处, 但是, 在进行矢量控制时如何获得速度信号是无速度传感器矢量控制的技术关键无速度传感器控制系统获得速度信号的方法是直接计算参数辩识状态估计间接测量等手段, 根据电机定子较易测量的定子电压电流计算出与速度有关的量, 从而得到转子速度, 并将其用于速度反馈系统之中常用的方法有 : 利用电机的基本方程式 ( 静态和动态 ) 导出速度的方程式进行计算根据模型参考自适应控制的理论, 选择合适的参考模型和可调整模型, 利用自适应算法辩识出速度, 利用电机的齿谐波电势计算速度等从 1983 年提出无速度传感器矢量控制策略以来, 一直受到学术界和产业界的高度重视, 日立安川电机等公司于 1987 年分别发表了研究成果, 并相继推出了产品目前, 无速度传感器矢量控制变频器的调速范围为 1 50 左右, 个别厂商有 1 75 甚至更高的产品 (3) 直接转矩控制技术直接转矩控制技术 ( 简称 DTC), 是近 10 年继矢量控制技术之后发展起来的又一种新型的高性能交流变频调速技术实际上, 由于转子磁链难以准确观测, 系统特性受电机参数的影响比较大, 而且矢量变换比较复杂, 存在着某些理论与实践不符的情形 1985 年, 德国的 M.Depenblock 首次提出 DTC 的理论它直接在定子坐标系下分析交流电机的数学模型, 采用定子磁场定向而无需解耦电流, 直接控制电动机的磁链和转矩, 着眼于转矩的速度响应, 以获得高效的控制性能这种控制技术与矢量控制技术相比, 对电机参数不敏感, 不受转子参数的影响, 简单易行, 在很大程度上克服了矢量控制技术的缺点, 具有广阔的发展和应用前景 (4)PWM 控制技术随着电压型逆变器在高性能电力电子装置, 如交流传动, 不间断电源和有源滤波器的应用越来越广泛,PWM 控制技术作为这些系统的共用及核心技术, 引起人们的高度重视, 并得到深入研究所谓 PWM 技术就是利用半导体器件的开通和关断把直流电压变成一定形状的电压脉冲序列来实现频率电压控制和消除谐波的一门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, 可以明显改善变频器输出波形, 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 整流器现在已开发成功, 利用它可以实现输入电流正弦和电网功率因数为人们称 PWM 整流器是对电网无污染的绿色变流器目前已经提出并得到应用的 PWM 控制方案就不下数十种, 尤其是微处理器应用于 PWM 技术数字化以后, 花样更是不断翻新, 从最初追求电压波形的正弦, 到电流波形的正弦, 再到磁通的正弦 ; 从效率最优, 转矩脉动最少, 再到消除噪音等, PWM 控制技术的发展经历了一个不断创新和不断完善的过程目前仍有新的方案不断提出, 这说明该项技术的研究方兴未艾不少方法已趋成熟, 并有许多已在实际中得到应用 PWM 控制技术一般可分为三大类, 即正弦 PWM 优化 PWM 及随机 PWM, 从实现方法上来看, 大致有模拟式和数字式两种, 而数字式中又包括硬件软件或查表等几种实现方式, 从控制特性来看主要可分为两种 : 开环式 ( 电压或磁通控制型 ) 和闭环式 ( 电流或磁控制型 ) 随着计算机技术的不断进步, 数字化 PWM 已逐步取代模拟式 PWM, 成为电力电子装置共用的核心技术交流电机调速性能的不断提高在很大程度上是由于 PWM 技术的不断进步目前广泛应用的是在规则采样 PWM 的基础上发展起来的准优化 PWM 法, 即三次谐波叠加法和电压空间矢量 PWM 法, 这两种方法具有计算简单实时控制容易的特点 (5) 数字化控制技术控制技术的数字化是静止变频装置的核心技术, 是今后的发展趋势目前市场上的变频装置几乎全面实现了数字化控制, 由于元件的高性能和小型化, 使变频装置实现了控制的高精度, 采用 DSP 和 ASIC 实现了快速运算和高精度控制, 可以得到良好的电流波形使变频器的噪音大幅度降低由于应用微电子技术和 ASIC 技术, 装置的元器件数量得以大幅度减少, 从而使变频装置的可靠性大幅度提高早期由于受 CPU 处理速度限制和离散化延迟时间的影响, 电流控制响应为数毫秒, 速度控制响应为十毫秒左右近年来 CPU 处理速度的提高和应用 DSP ASIC 控制使扫描时间大幅度缩短, 目前电流响应为 0.1~0.7ms, 速度响应为 2~4ms, 足以满足传动领域的控制要求 (6) 自整定技术在变频调速系统中自整定技术的应用日益广泛, 它可以根据速度和负载的变化自动调速控制系统的参数, 使得系统具有快速的动态响应自整定技术分为离线式和在线式两种离线式的研究成果已经在相当多的产品中应用, 它是在运行系统程序之前通过运行一段自整定程序, 辩识相关数据, 并修改系统程序的相关参数, 以期获得良好的系统控制性能离线式自整定的缺点是当系统运行后, 不能实时修改系统参数, 因而系统不能获得最佳控制性能在线式自整定可以实时修改控制器的参数, 因而可以获得最佳控制性能自整定技术的研究课题包括 : 扩大应用范围提高精度在线自整定等同时, 改进控制技术, 提高系统鲁棒性也和自整定技术紧密相联系 (7) 交流传动系统的智能控制现代控制理论和智能控制理论在交流传动领域应用十分活跃, 在控制量 ( 如磁链速度转矩磁极位置 ) 的检测估计中已有相当成熟的研究成果, 部分成果在产品中得到应用尤其是应用观测器的理论构造系统状态观测器, 估算系统中难以用传感器检测到的物理量, 改善系统控制性能, 取得了良好今日自动化技术应用在中国 38

5 高压变频调速技术应用现状与发展趋势徐甫荣陈辉明的效果模糊逻辑神经元网络变结构控制相结合的智能控制理论在交流传动系统中具有良好的应用前景智能控制是从解决工程和技术问题的实践中产生和发展起来的, 随着自动化程度的提高和普及, 受控对象日趋复杂, 对于许多难以获得数学模型或模型复杂的过程, 应用经典和现代控制理论往往不能取得令人满意的控制效果, 甚至完全无能为力, 可是在手动控制中, 熟练的操作人员却可以驾驭自如由此, 人们很自然地产生了在自动控制技术中借鉴熟练人员经验的想法计算机控制技术的发展为实现这一愿望提供了可能, 计算机在逻辑推理判断识别决策学习等方面的功能可以承担按照熟练操作人员和专家的经验与方法进行控制的工作另一方面, 许多探索如何实现人脑思维功能的学术领域, 如人工智能专家系统神经网络模糊逻辑等的研究也取得了可喜的进展, 这些研究成果从不同的角度提出了各种仿照人的知识思维进行控制的方法, 统称为智能控制它的发展也给交流调速系统的控制策略带来了新思想新方法, 使交流传动系统的智能控制已成为当前的一个研究热点 5 高压变频调速技术的发展趋势 20 世纪末, 交流电动机变频调速技术以电力电子功率变换技术微电子控制技术为核心得到了惊人的发展, 展望 21 世纪, 变频调速技术将会有更大发展功率变换器的高频低损耗化自关断化模块化高耐压大容量化 ; 矩阵变频器的出现的推广变频器在同步电动机的应用控制技术的数字化矢量控制化直接转矩控制化无速度传感器矢量控制操作系统的网络化硬件通用化调试维护软件化变频装置无谐波化, 采用多电平多重化带就地补偿工作负荷参数的模型化新理论新机理新材料的出现将会出现新概念功率变换器件新概念变频装置下面分别加以下介绍 : (1) 在开关器件方面 :IGBT 变频器已成为 20 世纪 90 年代变频调速技术的主流, 在 21 世纪初相当长的一段时间内仍将是电气传动领域的主导变频器在 21 世纪,IPM 及智能化变频器将会有很大的发展功率变换驱动检测控制保护等功能的集成化促成了功率器件及变频器的智能化, 实现高效节能多功能高性能高附加值, 同时将研究开发新电力电子器件 IGCT IEGT( 集成发射式门极晶闸管 Integrated Emit Gate Thyristor) GaAs( 砷化镓 ) SiC( 碳化硅复合器件 ) 光控 IGBT 及超导功率器件等新功能变频器 (2) 在变频电路拓扑结构方面 : 基于双 PWM 能量回馈的绿色变频电路是变频调速技术的发展趋势, 即整流部分也采用电力电子自关断器件构成, 并对其进行 PWM 控制一方面使交流输入电流波形为正弦, 且功率因数为 1; 另一方面实现能量向电网回馈, 保证变频器四象限运行除此之外,PWM 整流电路还有助于减小直流环节滤波电容的容量, 随着电力半导体器件性能的不断提高和价格的不断下降, 这种结构会得到广泛地推广和应用 (3) 在变频控制电路方面 : 现在变频装置几乎已实现了数字化控制, 但控制技术的微电子数字化仍是今后的发展趋势变频装置的数字化技术是从 20 世纪 80 年代中期开始逐步发展到 16 位 32 位微处理器, 目前普遍采用 DSP (4) 矢量控制技术及直接转矩控制技术 : 矢量控制依然是高性能交流电机调速系统的主流控制策略它所包涵的关键技术有 : 控制理论和方法, 如 PWM 技术, 磁通的观测, 速度辩识, 无速度传感器控制 ; 电机铁损补偿, 参数辩识, 参数变化的补偿 ; 主电路使用新型电力半导体器件, 提高开关频率, 改善电压或电流波形, 同时使用微电子技术所提供的 DSP CPU ASIC 等直接转矩控制技术在低速范围还存在着很多难题, 尤其是定子电阻的辩识问题, 已经成为它进一步发展的障碍, 困扰着各国的学者对于矢量控制低速范围已有了相应的解决方法, 这些对于直接转矩控制系统的低速性能, 具有重大的和现实的指导意义实践证明, 已经不可能从电机本身来完善直接转矩控制技术, 必须另辟途径现代控制理论的发展为交流调速电气传动系统的控制提供了坚实的理论基础, 各国学者也越来越多地把现代控制技术应用于交流电机的调速控制中直接转矩控制作为一种新兴的更为先进的技术, 需要各种先进的辅助技术作为支撑, 各种新技术的推广应用给直接转矩控制技术注入新的活力, 促进它的不断完善和发展最近, 人工神经网络已开始应用于直接转矩控制技术中, 这是一个有益的尝试, 也是一个良好的开端将现代控制理论应用于直接转矩控制技术的研究, 无疑是这种新技术的发展趋势, 也是当前值得深入研究的课题直接转矩控制变频器的商品化进程将取得重大进展 (5)PWM 及多电平技术 : 消除机械和电磁噪音的最佳方法并不是盲目地提高工作频率, 随机 PWM 技术可以提供一种新途径由于 PWM 逆变器的开关损耗随着功率和频率的增加而迅速增加, 因此, 在高频化和大功率方面还有大量工作目前提高开关频率的一个方法是采用谐波技术及在此基础上发展起来的软开关技术在大功率装置方面, 除尽量采用优化 PWM 模式外, 多电平逆变器也越来越受人们的重视, 此时开关损耗问题转化为多管串联的均压问题 (6) 以网络配置为主的系统化变频器的网络化配置主要基于 3 个层面 : 设备层, 控制层和信息层其中变频器作为执行器, 可以配接最基本的 RS232/RS485 串行通迅协议 Profibus 等的现场总线协议以及 Internet 局域网协议针对不同的控制系统和不同的用户要求, 配置和选用不同的网络协议网络化配置的变频器具有以下显著的特点 : 高精度的频率设定; 39 今日自动化技术应用在中国

6 综述 SURVEY LECTURE 远程控制与工厂信息化的基本要素; 远程诊断系统通过网络设定频率是一种高精度的频率设定, 其具有通迅速率高, 稳定可靠, 接线简单等优点, 而且在模拟量控制时, 输出端经过一个数模转换器, 经过导线, 进入输入端 ( 变频器 ) 又经过一个模数转换器才能参与控制, 两个转换器位数不同和导线损耗都可能造成一定误差, 而通迅传递直接是数字量不需要转换, 没有误差, 在传输过程中不会造成损耗, 而且响应速度也会很高变频器经常被用于系统复杂工作环境恶劣高负荷长时间运行的工况中, 如无人值守泵站油田磕头机等变频器故障率在这种环境中自然比较高, 一般都采取事后维修的方式进行, 随着电子技术的发展, 传统的维修方式将变为故障预报和整机在线维修有必要对其实现在线工作状态的监测以及常规故障机理的综合分析研究, 以便对其故障的事先诊断分析目前大功率变频器的故障诊断远程监控系统及智能控制方面取得了较大的进展, 并已经投入实际运行在网络化日益普及的今天, 与普通的点对点硬线连接方式而言, 通过高速通迅连接的变频器系统可以最大程度上降低系统维护时间提高生产效率减少运行成本目前安装的现场总线模块有 Profibus DP Interbus DeviceNet CAN Open 和 Modbus Plus 等用户可以有更大的自由根据生产过程来选择 PLC 型号和品牌, 并非常简单地集成到现有的网络中去而且通过现场总线模块, 可以不考虑变频器的型号, 而以同一种语言来与不同功率段不同型号的变频器进行组构, 如功率速度转矩电流设定值等由于采用了通迅方式, 可以通过 PC 机来方便地进行组态和系统维护, 包括上传下载复制监控参数读写等 (7) 与同步电机的配合应用交流同步电动机已成为交流可调速传动中的一颗新星, 特别是永磁同步电动机电机是无刷结构, 功率因数高效率也高, 转子转速严格与电源频率保持同步同步电机变频调速系统有他控变频和自控变频两大类, 自控变频同步电机在原理上和直流电机极为相似, 用电力电子变流器取代了直流电机的机械换向器, 如采用交 - 直 - 交变压变频器时叫做直流无换向器电机或称无刷直流电动机传统的自控变频同步机调速系统有转子位置传感器, 现正开发无转子位置传感器的系统, 且已经取得重大进步和在市场的成功应用同步电机的他控变频方式也可采用矢量控制, 其按转子磁场定向的矢量控制比异步电机更为简单参考文献 [1] 徐甫荣. 高压变频调速技术应用实践. 中国电力出版社.2007(2). [2] 张承慧等. 变频调速及其控制技术的现状与发展趋势. 变频器世界. 2001(12). [3] 李方圆. 浅谈变频器应用和发展的几个趋势. 第三届变频器行业企业家论坛论文集. 2004(8). ( 上接第 29 页 ) 使用 ILC 系列和 RFC 系列高性能可编程控制器, 冗余光纤网采用 Factory Line 工业以太网冗余光纤以太网铺设在整个隧道内, 总长可达 10 公里, 采用菲尼克斯双冗余光纤, 传输速率 100Mbps, 将现场数据通过光纤网送至中央控制室的各个监控站, 监控站使用菲尼克斯工业 PC 和 VMT50 系列产品, 并运行 Visu+ 监控软件监控站完成各种交通监控功能, 然后将各种数据送至中央管理计算机系统, 以完成各种管理功能远程工作站可以完成对本隧道交通监控计算机系统的远程检测与诊断图 6 AUTOMATIONWORX 隧道交通控制与管理系统由此可见, 菲尼克斯电气公司推出的 I T 动力自动化 AUTOMATIONWORX 系统完全采用从 IT 信息技术到最新故障予报技术的标准主流技术, 将现场总线技术完全融合到基于工业以太网解决方案, 实现了信息的垂直与水平无缝集成作为全球性公司完全了解世界市场和工业的全部需求, 提供的每个自动化解决方案都能实现提高生产率降低能耗, 满足各行各业需要, 菲尼克斯电气公司已经成为工业自动化系统单一供应商, 并已成为基于 PC 自动化领域的龙头企业参考文献 [1]Roland Bent. From the Terminal Block to IT- Powered Automation. INTERBUS 现场总线诞生 20 周年暨行业发展高峰论坛论文集,2007. [2]Phoenix Contact. Components and Systems, AUTOMATION,2007/2008. [3]Alexander Bormann, Ingo Hilgenkamp. Industrial Networks, Ethernet Communication for Automation Application. Phoenix Contact GmbH & Co. KG, Blomberg, Germany, [4] Function Block for Industrial Process Measurement and Control System, Part1: Architecture. [5] Moving up to Industrial Ethernet: PROFINET. The Industrial Ethernet Book, Dec [6]er Wenzel. Vertical integration to the field level under Profinet. The industrial Ethernet Book, Dec 今日自动化技术应用在中国 40

电子技术基础 ( 第版 ) 3. 图解单相桥式整流电路 ( 图 4-1-3) 电路名称电路原理图波形图整流电路的工作原理 1. 单相半波整流电路 u 1 u u sin t a t 1 u 0 A B VD I A VD R B

电子技术基础 ( 第版 ) 3. 图解单相桥式整流电路 ( 图 4-1-3) 电路名称电路原理图波形图整流电路的工作原理 1. 单相半波整流电路 u 1 u u sin t a t 1 u 0 A B VD I A VD R B 直流稳压电源第 4 章 4.1 整流电路及其应用学习目标 1. 熟悉单相整流电路的组成, 了解整流电路的工作原理. 掌握单相整流电路的输出电压和电流的计算方法, 并能通过示波器观察整流电路输出电压的波形 3. 能从实际电路中识读整流电路, 通过估算, 能合理选用整流元器件 4.1.1 认识整流电路 1. 图解单相半波整流电路 ( 图 4-1-1) 电路名称电路原理图波形图 4-1-1. 图解单相全波整流电路