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发表于：2005-09-03 21:34:00

楼主

动向变频器进入实用期已超过了1／4个世纪，在此期间，作为变频器技术基础的电力电子技术和微电子技术都经历丁飞跃性的发展，随着新型电力电子器件和高性能微处理器的应用以及控制技术的发展，变频器的性能价格比越采越高，体积越来越小，而厂家用仍然在不断地为实现变频器的进一步小型轻量化、高性能化和多功能化而做着新的努力。从技术方面来看，随着变频器市场的进一步扩大，今后变频器技术将会随着与交频器有关的技术的发展在下面几个方面进一步得到发展： (1)大容量和小体积化， (2)高性能和多功能化， (3)易操作性的提高， (4)寿命和可靠性增加， (5)无公害化．大容量化和小体积化将会随着电力半导体器件的发展而不断得到发展。近年来，采用电压驱动的电力半导体器件IGBT（Isolated Gate Bipolar Transistor，隔离门极双极晶体管）发展很快，并在迅速进入传统上使用BJT(双极功率晶体管)和功率MOSFET《场效应管》的各种领域。此外，以IGBT为开关器件的IPM(Intelligent Power Module，智能功率模块)和单片功率IC芯片也在不断得到发展。由于IPM和单片功率IC芯片将功率开关器件与驱动电路，保护电路等集成在同一封装内，具有高性能和可靠性好的优点，所以随着它们在大电流化和高耐压化方面的发展，必将在中小型变频器中得到更加广泛地应用。随着微电子技术和半导体技术的发展，用于变频器的CPU和半导体器件以及各种传感器的性能越来越高。而随着变频器技术的发展，交流调速理论日益成熟，现代控制理论也在不断得到新的应用。这些都为进一步提高变频器的性能提供了条件。此外，随着变频器的进一步推广应用，用户也在不断提出各种新的要求，促使变频器的生产厂家不断地在提高变频器性能和增加变频器功能方面作出新的努力，以满足用户的需要和争取在激烈的市场竞争中立于不败之地。随着变频器市场的不断扩大，如何进一步提高变频器的易操作性，使普通的技术人员甚至非技术人员也能很快掌握变频器的使用技术已经成为厂家必须考虑的问题。因为只有容易操作的产品才能够不断获得新的用户，并进一步扩大市场，所以今后的新型变频器将更加容易操作。随着半导体技术的发展和电力电子技术的发展，变频器中所使用的各种元器件的寿命和可靠性都在不断提高，这些都将使变频器本身的寿命和可靠性进一步增加。近年来，人们对环境问题非常重视，并因此而出现了“绿色产品”的名称。因此，对于变频器来说，也必须考虑其对周围环境的影响。在变频器推广应用的初期，噪声问题曾经是一个比较大的问题。随着IGBT的低噪声变频器的出现，这个问题已经基本上得到了解决。但是，随着噪声问题的解决，人们的目光又转向了变频器对周围环境的其它影响并在不断探索新的解决办法。例如，对于采用了二极管整流电路和电压形PWM逆变电路的变频器来说，变频器本身造成的高次谐波将给电源电压和电流带来畸变，并影响接于同一电源的其它设备。但是，通过在变频器中采用PWM整流电路，就可以基本上解决这个问题。虽然因为价格和控制技术等方面的原因目前采用PWM整流电路的变频器尚未得到推广，但是，随着变频器技术的发展和人们对环境问题的重视，不断减少变频器对环境的影响直至推出真正的无公害变频器也已经成为大势所趋。 3.3.1主控制电路变频器主控制电路的中心是一个高性能的微处理器，并配以PROM、RAM、ASIC芯片和其它必要的周边电路，它通过A / D、D／A等接口电路接收检测电路和外部接口电路送来的各种检测信号和参数设定值，利用事先编制好的软件进行必要的处理，并为变频器的其它部分提供各种必要的控制信号或显示信息。例如，在一个通用变频器中主控制电路主要完成以下任务： (1)输入信号的处理。变频器的输入信号包括频率(速度)指令信号和运行、停止、正转、反转的操作控制信号。变频器的频率(速度)输入指令信号有两种：模拟指令信号： 0～10V的电压指令信号或4～20mA的电流指令信号。数字指令信号；来自RS—232C、RS—485或数字接口电路卡(通常为选件)等的数字信号。上述模拟指令信号经过A／D变换器转变为数字信号后送入微处理器，而数字信号则经过绝缘放大器后被送入微处理器。此外，运行、停止、正转、反转以及保护电路的复位信号等顺序控制信号通常也采取光耦绝缘方式送入微处理器。 (2)加减速速率调节功能。外部设定频率指令通常是如图3—20a所示的阶跃型信号。为了使变频器和电动机能够适应这样的突变信号，以达到在抑止变频器电流突变的同时减少机械系统所受冲击的目的，就要求变频器具有自动将阶跃信号类的突变信号转换为如图3—20b所示的变化较小的频率(速度)指令的功能。这就是变频器的加减速速率调节功能。加减速速率调节功能的基本作用是，对于图3—20a所示的指令变化，使电动机按照事先设定的加速时间TA和加速时间TD沿直线进行加减速，如图3—20b所示。此外，为了使加减速过程更加平滑，新型变频器都还具有S形加减速功能。所谓S形加减速功能指得是使电动机在加速和减速的初始段具有如图3—20b中心线所示的弧形曲线，以达到进一步减少机械系统冲击的目的。这种S形加减速功能还可以通过对ts1～ts4等时间的设定进行调节。 (3)运算处理。在变频器中，各种所需的算法已经被事先存储在控制电路的PROM中，并在工作过程中被调用。在进行V／f控制时，运算电路输出一个与加减速调节器的输出信号(实际的频率指令)相对应的电压信号，而在进行转差频率控制和矢量控制时，则根据所选控制方式进行各种必要的运算后输出相应的电压信号。此外，运算电路还可以进行各种和保护功能有关的计算，并根据需要输出各种保护信号，为变频器或电动机提供保护。 (4)PWM波形的演算。在PWM控制变频器中，PWM波的生成方式有两种，利用专用电路(如PAL或GAL)生成或由CPU经过计算后直接生成。由于后者的方式更加灵活，随着变频器采用的CPU性能的提高，后者已经逐渐成为主流。随着半导体技术的发展，新型变频器的控制电路中以高性能微处理器和用户特制的LSI为中心的DDC控制方式已经成为主流，进一步提高了控制性能，增强了功能和可靠性。为了满足变频器的各种特殊需要，目前各大变频器厂家都有自己专用的ASIC芯片。这些芯片将变频器控制中所需要的各种功能集中在一起(有的还包括DSP的功能)，从而达到了增强功能，缩小体积，提高可靠性的目的。而且，随着微处理器性能的提高，过去由硬件电路实现的许多功能现在都改为由软件来完成，因而大大降低了成本，并提高了可靠性。此外，为了进—步提高变频器的运算处理能力，在某些矢量控制变频器中还采用了双CPU结构，专门用一个CPU进行矢量控制所需要的各种计算。 3．3．2主电路驱动电路在一般情况下，主电路驱动电路指的是逆变电路的基极或门板驱动电路，而对于带有电源回馈功能的大容量变频器来说，主电路驱动电路还包括对整流电路的控制电路。基极或门极驱动电路的主要作用是为变频器逆变电路的换流器件提供驱动信号。当逆变电路的换流器件为晶体管时，称为基极驱动电路，而当逆变电路的换流器件为IGBT、晶闸管或GTO时，称为门极驱动电路。基极(门极)驱动电路的动作和功能因主电路的半导体换流器件而异，并具有以下的特征： (1)对于功率晶体管、IGBT和功率MOSFET来说，为了达到快速关断换流器件的目的，需要设置施加反向电压(电流)的回路。 (2)由于晶闸管不具有自我关断的能力，所以门极驱动电路非常简单。 (3)对于GTO来说，由于需要为门极提供反向电流才能够关断器件，所以电路较为复杂。表3—1给出了驱动电路的一些例子。 3．3．3信号检测电路检测电路的主要作用是将变频器和电动机的工作状态反馈至微处理器，并由微处理器按照事先确定的算法进行处理后为各部分电路给出所需的控制信号或保护信号，以达到控制变频器输出和为变频器及电动机提供必要的保护的目的。在通用变频器中，检测电路主要包括直流电压检测电路、电流检测电路、输出电压检测电路、给变频器和电动机提供电子热保护所需要的温度检测电路。而在矢量控制变频器中则除了上述检测电路之外，还包括速度检测电路、磁通检测电路等。在电流和电压的检测方面所用的检测器件主要是霍尔元件。这是因为霍尔元件无论对直流信号还是交流信号都可以给出线性度很好的检测输出信号，便于进行高精度的控制，所以得到了广泛的应用。目前变频器控制回路都已经实现了数字化，所以在转速检测方面多采用光码盘或磁码盘进行检测，并在变频器内部通过算法处理得到电动机的实际转速。变频器的温度检测通常包括电动机转子电阻的温度检测和变频器本身的异常温升检测。由于热敏电阻可以对温度的连续变化进行检测，所以被用于检测异步电动机转子电阻的温度变化，以便根据检测结果进行必要的补偿。而双金属片式的热传感器则被用来检测变频器散热片的温升，以便在变频器因过载而发生异常温升时对主电路半导体换流器件进行保护。 3.3．4 保护电路保护电路的主要作用是由微处理器对检测电路得到的各种信号进行算法处理，以判断变频器本身或系统是否出现了异常。当检测到变频器或系统的异常时，则进行各种必要的处理，包括停止变频器的输出，以对变频器和系统提供保护。当按照保护功能的目的考

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