高壓變頻器質量判斷的十個要點（上）
一、發展概況簡述
變頻器問世已近30年，中國的變頻器發展也有20年的時光，變頻器具有如下特點：
1、調速性能好，調速范圍廣。輸出功率從0～400Hz，通用型，0～120Hz，水泵風機調速精度高0.1%，因頻率分辨率是0.1%且是無級調速，用矢量控制時精度可達0.01%,速度的穩定性好，被設定值不變，動態響應快10～30ms級等優點。所以問世后幾乎取代過去一切的調速系統——直流調速、滑差調速、串級調速、繞線式轉子內反饋調速等方法。
2、節電率較高。一般至少可達10%，甚至40～50%，看負載類型及使用的工況運行參數，以及實施節電方法與措施，有關運行參數的設定等。
正因為上述兩大突出的優點，所以變頻器每年以20%的遞增率在發展著，到目前國外使用普及率高達80～85%，國內使用普及率達25～30%，這是節能降耗、低碳排放、增加效益、減少成本、提高產品質量、是想電氣化的有效手段和方法，預估以后20年仍不會衰減，具有強大的生命力，發展前景十分美好。
二、產品的技術品位
變頻器的技術品位的高低是逐步發展而成型的，隨著使用要求的提高及技術的發展，器件的品質，功能的擴展，自動化技術的進步而逐步前進的。一般判斷產品的質量有以下十個要點是首先要考慮的，如下：
1、變頻器的控制方式
控制方式是決定變頻器性能的首位，它取決于軟件編程技術。隨著時代的前進，技術發展，變頻器控制方式有：
（1)V／f=C屬開環控制；
（2)SVPWM空間電壓矢量控制，屬開環控制；
(3)矢量控制VC,屬閉環控制，有電流I，磁通φ，轉矩T，轉速n四種；一般內環是φ、T、I任選一種，外環是n（或w）。
(4)直接轉矩控制DTC屬閉環控制，在n=0時可有400%Te，以上四種常用的。
2000年后國外出現無反饋裝置的變頻器，即不需要另外加裝傳感器或編碼器，利用變頻器在工作時的電流、電壓、磁通、轉速變化，通過檢測、解耦等器件裝置，反饋到輸入端 詳見圖1、表1、表2。自問世后深受用戶歡迎和青睞，主要是方便使用，功能不亞于有速度傳感器反饋裝置的變頻器。目前高壓變頻器控制方式以A、B兩種為多數。無反饋裝置在試制中，C處于研發中。
2．獨特的幾種變頻器的控制方法
（1)優化PWM矢量控制
正弦脈寬調制SPWM具有電路簡單、線性度好的優點，但輸出電壓不高，最大線性輸出電壓幅值僅為輸入電壓的/2=0.866,其實質是相電壓控制法。優化PWM矢量控制模式采用雙調制過程，即三角波相位預及調制信號(0～50Hz)的幅值共同調節來控制IGBT的開關工作狀態，方法是通過開關角α（30°～60°)及調制深度α=正弦波幅值／三角波幅值<0．95。特點是總諧波電流損耗小，脈動轉矩小。當α=0.92～0．95時，諧波損耗最小，尤其當載波頻率較低時，能充分顯示出其優越性，表現為輸出電壓提高約20％，諧波減小，但信號波調制深度與開關角之間的線性度受到影響。隨著α加大電壓受控性變小，但總諧波電流失真THD值仍較小，因此常被選用。
（2) PWM的調制方法控制
①同步調制
在一個調制信號周期內包含三角波的個數不變，在改變信號周期的同時成比例改變載波周期，使≥3，且必須是奇數。在開關頻率較低時，可以保證輸出波形的對稱性，但在較低頻率時，載波數量顯得稀疏，從而產生電流波形脈動諧波加大，因此只適用在f>20Hz頻率段工作，目前的V／F方式即如此。
②異步調制
調制信號周期變化的同時載波周期仍保持不變，即，這種調制特點是在低頻工作時對減小諧波損耗及轉矩脈動大有改善，適用f<20Hz低頻工作段。
③隨機調制
按調制信號的周期及輸出的電壓值，能自動選擇調制方式與調制深度a及開關角α，以適應工作頻率變動幅值較大、負載轉矩或功率變動大及有沖擊性的閉環系統。這種調制方式是從根本上解決SPWM在低頻工作段存在先天不足，即轉矩變小、轉矩脈動、諧波較大的缺點，但軟件技術上有一定難度，幾乎國內外沒有這類調制方式的產品。近
（3）按電動機U型特性曲線與V／f配合方式的控制
按電動機U特性曲線與V／f配合的控制方式——眾所同知，V／f控制是靜態的調壓，即當f一定時，電壓也一定了，它沒有按電動機負載率β的大小進行最佳控制。日本AREX公司10年前獲得世界公認的超能士節能控制器，多了一個環節，可按實際的負載率β來自動搜索(通過專用集成電路)，輸出最小的工作電壓和最小工作電流(U形特性曲線)，因此是最節電的，比一般變頻器在相同工況條件下，能多節電8％～10％，而且cos，是個動態調功控制器，特別適用風機、水泵類負載。在節能運行時，效果特好，早期產品為SMX系列，近年為擴大使用范圍，適用調速需要，新品種為VMX系列。后來日立J300系列變頻器在節能運行時也有此功能。電動機的U形特性曲線見圖2。
（4）模糊控制方式
模糊控制(FUZZY)
此方式按電動機參數及運行狀態，通過模糊控制方法控制，特別適用通用單片機如8031等為CPU的場合應用，模糊控制軟件簡化不要數學模型，又可對多變量實時控制，隨機變量能達一定精度要求，在冰箱、空調、洗衣機、微波爐等家電應用較廣。當然模糊控制也適用變頻器的控制，如Vacon變頻器就采用模糊電流矢量控制(見圖3)。
（5）自整定(電動機參數在線測量控制)
（6）最近有綠色無諧波問世
3．未來發展的幾種控制方式
（1)智能型控制方式：
①以變頻器、電動機、負載(風機、水泵等)的三個效率乘積最大為依據，通過模糊控制技術后，輸入到變頻器，見結構框圖4（北京四方方圓）。
②加裝無源濾波器，主要消除5次、7次的逆序諧波，使變頻器的THD％指標值低于諧波標準，幾乎接近為零，這樣cosl，真正實現無諧波綠色變頻器的愿望。
③最后效果。在不同的負載率條件下，系統效率高達90％以上，采用先進的濾波技術，使輸出諧波含量低于國家標準。功率因數達到0．96以上，動態響應時間不大于30ms，總之在相同工況條件下，能夠多節省電量10％以上。
（2）雙PWM型控制方式
當今電壓型交一直一交的主電路應用十分廣泛，SPWM調制僅用在逆變器部分，而整流器是三相不可控的。因輸入有諧波存在，cosφ也較低，損耗較大，對電網有一定影響。隨著變頻器的廣泛應用，對電網的諧波污染問題又提到議事日程，經專家研討，認為采用雙PWM控制，即整流橋也采用可控IGBT的SPWM方法是有效的。從理論分析cosφ=1，無諧波，有綠色變頻器的美稱，并能實現回饋再生制動。雙PWM變頻器結構見圖5。
（3)采用矩陣開關控制方式——指逆變器DC／AC變換器采用矩陣開關方式。矩陣變頻器具有cosφ可調，無中間直流環節，輸出電壓幅值、相位和頻率可調等優點，具有良好的變頻能力，輸入cosφ≈l，輸出電流波形好，諧波小，矩陣變頻器是一種直接交一交變換。開關器件為全控器件SCR控制方式為斬控方式。交一交變頻器則采用移相控制SCR實現交流電流與交流電動機之間功率直接變換，可實現能量雙向流動。變頻效率高，但存在輸出工作頻率低的缺點，它與雙PWM性能類似。日本富士2010年已有產品可供，用于高速電梯為主MXT型，屬PG矢量控制，精度模擬量輸入在最高速時±0.1%，數字量輸入±0.005.監測PG是脈沖編碼器有轉矩／速度指令、自整定功能、距離推測。THD<5%、cosφ>0.99損耗降1/3，原有的電介大電容、交流電抗器、濾波器都不要。
（4)采用軟開關控制方式——指逆變器DC／AC變換器以接通在電壓U=0，斷開在電流I=0的狀態下進行。這樣IGBT功率損耗最小，理想值為零，結溫最低，大大減少工作過程的發熱量，使散熱器及風量減少到最小程度，使容量可大大提高。
4．功率模塊
即逆變器DC／AC變換使用器件，它是變頻器的重要的組成部分，其模塊的質量對變頻器至關重要，其器件的價值要占變頻器總價值的50％左右，所以值得引起制造廠及用戶的關注，是理所當然的。目前低壓或高壓變頻器常用功率模塊有IGBT、IGBT一HV、IGCT、SGCT、IEGT、SiC等。在這個問題上要注意如下：
（1)模塊的封裝型式有單個(中，大功率)或IPM、PIM組合方式。
（2)使用的安全系數，電壓3～5倍的額定電壓，電流3～5倍的額定電流，這樣靜態工作時器件負擔小，動態工作時亦有足夠的裕量，確保使用具有較大的安全可靠性，這點在國外的產品中是這樣的，所以主電路的功率模塊，損壞率幾乎為零，然而國內的電壓只有2～3倍額定電壓，電流2～3倍額定電流。這時靜態工作時亦沒事，但動態工作時，往往因安全系數偏小，造成器件損壞可能性就高了，約為2～3％，特別是高壓變頻器，電壓高3kV、6kV、10kV電流亦較大，而IGBT采取串、并聯連接方式，這時必須關心靜態均壓及動態均壓的方式，使用電阻、電容器的耐壓、電流、功率值安全系數過小了，不但引起保護電路器件的損壞，在國內IGBT多數只是封裝，尤其高電壓、大功率的器件，多數是國外引進的。如美國IR公司(國際半導體公司、德克薩斯公司等)。日本的東芝、三菱、日立公司等。德國的西門子、西門康。中國的英飛凌公司等。一般大公司的品牌產品，可靠性高、信譽度好、可放心使用。事實確也如此，古人云：“不怕不識貨，只怕貨比貨”的論斷。
