由于變頻器適用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，所采用技術(shù)也不斷拓寬。以下將分別對(duì)主電路、控制電路、傳感器、多功能化、小型化、系統(tǒng)化等方面分別敘述。
1)主電路的新技術(shù) 為追求變頻器的小型化，人們費(fèi)盡心機(jī)，可以說(shuō)主要是不斷地和減少元器件的發(fā)熱作斗爭(zhēng)?，F(xiàn)在主電路中占發(fā)熱量為50%~70%的IGBT的損耗已大幅度減少，由于采用了柵極——控制極新技術(shù)，使集電極一射極間的飽和電壓UCE(sat)大為降低，從而開(kāi)發(fā)出第四代IGBT。采用這種新器件使低損耗成為可能。主電路模塊可做到小型、低價(jià)且保護(hù)功能完善，為目前普遍應(yīng)用的IPM(Intelligent Power Module)。
此外，為降低電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的噪聲，常把開(kāi)關(guān)頻率提高到10~15kHz;但由此亦帶來(lái)負(fù)面影響，即對(duì)附近的機(jī)器產(chǎn)生電磁干擾。解決的辦法是降低開(kāi)關(guān)時(shí)電壓脈沖的du/dt，一般通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路技術(shù)將此值限制在500V/μs以下。變頻器中的另一個(gè)噪聲源是由于控制電源采用DC/DC整流器而產(chǎn)生的。若改用半諧振電路可得到滿(mǎn)意結(jié)果。圖1-1表示采用新電路后測(cè)出的噪聲分貝數(shù)與原有電路作比較。由圖可見(jiàn)在頻帶為30~50MHz范圍內(nèi)，可降低15~20dB。
對(duì)主電路的再一個(gè)要求是對(duì)輸入側(cè)諧波電流的限制。一般通用變頻器的電源側(cè)多用不控二極管整流器，電流輸入端將會(huì)產(chǎn)生諧波電流。為此，各國(guó)都規(guī)定了限制諧波規(guī)范，使人們對(duì)限制諧波入網(wǎng)的必要性有更進(jìn)一步認(rèn)識(shí)。一些變頻器(含簡(jiǎn)易型變頻器在內(nèi))產(chǎn)品裝備了經(jīng)濟(jì)型的限制諧波部件，即如圖1-2所示的直流電抗器接線(xiàn)端子。采取各種措施使功率因數(shù)增加到1，達(dá)到主電路高效。
圖1-1 發(fā)射電磁噪聲的數(shù)據(jù)例
a)原有方式b)新方式
2)最新的控制技術(shù) 通用變頻器在快速響應(yīng)和高性能方面，現(xiàn)在也提出高的指標(biāo)，以滿(mǎn)足新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的需求。實(shí)現(xiàn)控制高速化的主要?jiǎng)恿χ皇俏⑻幚砥鞯母咝阅芑?。幾十年前，在變頻器上用16位微機(jī)就認(rèn)為控制速度夠高了;現(xiàn)在一般是用32位微機(jī)，被稱(chēng)為RISC(Reduced Instruction Set Computer，精簡(jiǎn)指令集計(jì)算機(jī))其處理速度大大提高，控制運(yùn)算處理的速度幾乎提高2倍以上。在伺服控制變頻器上，過(guò)去多用軟件處理的運(yùn)算已用ASIC (AppilcationSpecific IC，專(zhuān)用集成電路)等的硬件處理來(lái)代替。這樣，控制周期將加快10倍，使整個(gè)控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度大大加快，大約提高響應(yīng)速度的5倍。
圖1-2 通用變頻器的主電路
由控制方式可見(jiàn)，即使普通的通用變頻器也進(jìn)入了矢量控制的新時(shí)代。在高功能的一類(lèi)機(jī)型中，只要用戶(hù)選購(gòu)一種備用電路板，就可使通用變頻器變成一個(gè)帶速度傳感器PG(Pulse Generator，脈沖發(fā)生器)的矢量控制變頻器。因此，可以說(shuō)現(xiàn)在已進(jìn)入提供低價(jià)、高性能的矢量控制變頻器的新時(shí)代。
矢量控制的控制性能與驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行中的參數(shù)能否正確把握有很大關(guān)系。故在矢量控制變頻器上應(yīng)增設(shè)參數(shù)自調(diào)整功能。除了在設(shè)備停轉(zhuǎn)的離線(xiàn)情況下自檢測(cè)外，尚須具有在運(yùn)行中由于溫度變化在線(xiàn)測(cè)出電動(dòng)機(jī)參數(shù)改變的自調(diào)整功能。
伺服控制型變頻器除上述自調(diào)整功能外，尚需實(shí)時(shí)檢測(cè)負(fù)載慣量的技術(shù)，結(jié)合負(fù)載求得一種良好的控制響應(yīng)。
在通用變頻器上，已開(kāi)發(fā)出一種獨(dú)特的力矩矢量控制方式以改善控制性能。但若用于極低速運(yùn)轉(zhuǎn)范圍內(nèi)，其力矩的運(yùn)算精度尚有待提高，其原因是由于磁滯損耗引起的鐵損未進(jìn)行補(bǔ)償，若充分考慮此因素會(huì)提高低速的控制性能。低速區(qū)的另一問(wèn)題是低速時(shí)速度不均勻不穩(wěn)定問(wèn)題;其原因是由于輸出電壓的波形畸變未得到補(bǔ)償。以上問(wèn)題解決后，變頻器的低速性能會(huì)得到明顯改進(jìn)。
圖1-3一臺(tái)3.7kW電動(dòng)機(jī)采用變頻調(diào)速，在1Hz空載運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)速不均勻的測(cè)量數(shù)據(jù)。由圖可見(jiàn)，在波形中高于工作頻率6倍的不穩(wěn)定成分大大降低。
3)新的傳感器技術(shù) 對(duì)于伺服控制變頻器，為進(jìn)行高速運(yùn)算處理達(dá)到高精度控制，選用合適的旋轉(zhuǎn)位置傳感器是十分重要的，往往由于它而影響系統(tǒng)的整體性能。一般這種傳感器采用高分辨率的數(shù)字編碼器，多用16位的編碼器。隨著分辨能力即位數(shù)的增高，編碼發(fā)送器和伺服系統(tǒng)放大器之間的配線(xiàn)根數(shù)增加。新的做法是將原來(lái)信號(hào)的并行傳送方式改為串行傳送。
圖1-3 轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定的測(cè)量數(shù)據(jù)(1Hz，空載時(shí))
4)高功能化、多功能及智能化技術(shù) 近來(lái)市場(chǎng)對(duì)變頻器的要求是多功能，盡可能減少些設(shè)備，用軟件實(shí)現(xiàn)多功能及智能化技術(shù)，期望迫切的是維修功能。新的機(jī)械成套裝備，往往采用多臺(tái)變頻器，人們擔(dān)心由于一臺(tái)變頻器故障而使整臺(tái)設(shè)備停止運(yùn)轉(zhuǎn)。為了避免這種不良后果，要求在每臺(tái)變頻器開(kāi)動(dòng)前都要仔細(xì)地做好檢查保養(yǎng)工作。
一般影響變頻器壽命的一些部件，新開(kāi)發(fā)的變頻器可以事先，例如對(duì)電容的電容量，總運(yùn)行時(shí)間和環(huán)境濕度進(jìn)行測(cè)定，綜合評(píng)估后預(yù)告該部件的壽命。開(kāi)發(fā)的這種新型變頻器已得到用戶(hù)好評(píng)。
又例如，對(duì)于大慣性負(fù)載起停的特殊功能開(kāi)發(fā)，帶這類(lèi)負(fù)載時(shí)，當(dāng)瞬時(shí)停電后再起動(dòng)或者由于外部風(fēng)力作用于葉片上，當(dāng)變頻器再起動(dòng)時(shí)都要求無(wú)沖擊地平滑起動(dòng)。為此，變頻器應(yīng)附加起動(dòng)的特殊控制環(huán)節(jié)，即設(shè)定適當(dāng)?shù)恼答佔(zhàn)约ふ袷?，以此振蕩頻率來(lái)推算電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速再確定起動(dòng)頻率值。該方式推定速度時(shí)已考慮到轉(zhuǎn)速的方向，故在運(yùn)行中不管是正向還是反向，均可無(wú)沖擊地平滑再起動(dòng)。
5)小型化技術(shù) 小型化技術(shù)在通用變頻器產(chǎn)品上已取得很大成績(jī)，現(xiàn)進(jìn)一步要在伺服控制型變頻器上推進(jìn)。具體的做法如下：
a)逆變器和伺服電路的小型化技術(shù) 實(shí)現(xiàn)小型化的關(guān)鍵是冷卻技術(shù)，冷卻風(fēng)扇原來(lái)一直是用鋁鑄造，從冷卻效率的觀(guān)點(diǎn)，應(yīng)用鉚焊和壓接較好。此外，部件的集成技術(shù)和高密度貼裝技術(shù)對(duì)小型化有很大貢獻(xiàn)，支架等部件的貼裝技術(shù)和系統(tǒng)的LSI化是未來(lái)研究的重要課題。
b)電動(dòng)機(jī)的微型化 伺服電動(dòng)機(jī)達(dá)到無(wú)損耗并微型化是研究的重要課題。為使伺服電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)微型化需解決如下技術(shù)問(wèn)題：①采用稀土類(lèi)永久磁鐵;②線(xiàn)圈下線(xiàn)工藝的改進(jìn);③用高熱傳導(dǎo)樹(shù)脂進(jìn)行澆注的冷卻技術(shù)。若采用上述技術(shù)的開(kāi)發(fā)成果，電動(dòng)機(jī)的體積將減小為原來(lái)的1/3，從而實(shí)現(xiàn)微型化。
6)系統(tǒng)化的對(duì)應(yīng)技術(shù) 在實(shí)現(xiàn)了通用變頻器的多功能和伺服型變頻器的高速響應(yīng)后，要求進(jìn)一步考慮變頻器與系統(tǒng)或網(wǎng)絡(luò)的連接，例如要求變頻器和上位控制的可編程序控制器( PLC)通過(guò)串行通信連接的系統(tǒng)化課題。
一般通用變頻器裝備有帶RS-485的標(biāo)準(zhǔn)功能，此外還通過(guò)專(zhuān)用的開(kāi)放總線(xiàn)方式運(yùn)行。開(kāi)放總線(xiàn)可適用于不同行業(yè)和地區(qū)的多種方式，連接和使用非常簡(jiǎn)便。
由于伺服型變頻器的信號(hào)高速響應(yīng)能力強(qiáng)故，它與PLC可進(jìn)行高速的串行通信。該總線(xiàn)由25MHz、3V系統(tǒng)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，故耐噪聲能力強(qiáng)，非常有利于伺服系統(tǒng)的高速控制。
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