關于變頻調速技術教學方法的研究與探討

張菊艷

［摘要］變頻調速技術是一門理論性強、應用廣泛、注重工程實踐的課程，綜合運用了許多方面的知識，體現了強電與弱電的結合、機電一體化的結合，這是一項綜合、復雜、難度較大的技術，如何讓學生學好這門課程值得我們去研究與探討。

［關鍵詞］變頻器變頻調速技術電能轉換控制方法

［中圖分類號］G642［文獻標識碼］A［文章編號］2095-3437（2014）11-0175-02自從20世紀80年代大規模集成電路可以生產以來，逆變電路中的瓶頸電力電子器件的制造與生產變為現實，交流變頻調速技術得到長足發展。我們知道，變頻調速技術應用領域很廣，如交通、機床設備、電力、控制、各種家用電器等。正是因為如此，工科院校相關專業都設置了本課程。

變頻調速技術課程綜合運用了許多方面的知識，體現了強電與弱電的結合、機電一體化的結合，這是一項綜合、復雜、難度較大的技術，如何讓學生學好這門課程值得我們去研究與探討。

一、應重視基礎理論課的學習

電路理論、電力電子技術起到支撐作用，變頻器主電路中，整流電路將大容量的交流電轉變成直流電，逆變電路中電力電子器件起到關鍵作用，逆變電路的性質及相關元件、器件對形成的交流電作用很大，所以，學好本課程首先應打好基礎，從每一步、每一個環節入手，這樣分析電路的工作過程的方法就容易掌握。

單片機技術在變頻器中屬于中央處理單元，負責對輸入信號的處理與控制，在學習過程中，應重視操作、調試環節的學習，對信號的處理與變化過程準確把握。

二、本課程學習的重難點

變頻調速拖動系統是由變頻器供電的電動機帶動生產機械運轉的系統，通過調節三相交流電頻率，就調節了異步電動機轉子的轉速，這就是三相交流異步電動機變頻調速原理。

變頻調速的最大特點是：電動機從高速到低速，其轉差率始終保持最小的數值，因此變頻調速時，異步電動機的功率因數都很高。可見，變頻調速是一種理想的調速方式。但它需要由特殊的變頻裝置供電，以實現電壓和頻率的協調控制。

本課程的難點在于: 對于變頻調速系統控制方式的學習掌握。目前，變頻技術中廣泛應用PWM控制技術，通過對開關元件控制端兩種信號即載波與調制波的控制與調節，使逆變器輸出三相頻率和幅值都可調節的脈沖信號。

要想獲得理想的交流電，就應使電機轉子轉動無脈動，因為電機噪音小、溫升變化不大，可以提供合適的動力。

為了達到控制目標，交流變頻調速技術就要從各個方面入手。控制方法方面，現在已經有通用控制方式、矢量控制方式、直接轉矩控制方式、轉差頻率控制方式等。引用先進的控制理論包括電動機和機械模型的控制策略，有矢量控制、磁場控制和直接轉矩控制等。基于現代理論的控制策略，有滑模變結構技術、模型參考自適應技術和采用微分幾何理論的非線性解耦、魯棒觀察器，還有在某種指標意義下的最優控制技術和逆奈奎斯特陣列設計方法等。基于智能控制思想的控制策略，有模糊控制、神經網絡、專家系統和各種各樣的自優化、自診斷技術等。

高速度的數字控制：以32位高速微處理器為基礎的數字控制模塊的運用有足夠的能力實現各種控制算法。

為了滿足功率損耗小，逆變器件承受電壓、電流變化率小的要求，高壓變頻器應運產生，較好地解決了相關問題。

變頻器的應用領域越來越廣，變頻器的功能越來越強大，如何快速地對變頻器進行調試或者對變頻器進行監控成為目前變頻器應用領域中的一個重要課題。變頻器的功能碼參數越來越多，如果用傳統的手動輸入法就會耗費很多時間，如果能夠通過計算機通訊進行參數傳送，將會變得非常快捷和準確。另外，通過計算機應用組態軟件，還可以方便實現多臺變頻器通過計算機聯網運行，達到工業控制的效果。

所以，我們看到，本課程理論知識難度大，綜合運用知識方面要求高，為了避免枯燥的純理論學習帶來的問題，還應結合實際，加強實踐環節的學習，互相彌補，提高學習效果。

三、實踐環節的培養學習

為了更好地掌握變頻調速技術，還應重視和加強實踐環節的學習，努力培養學生的學習興趣，通過實際運用，解決工程實踐問題。

比如，恒壓供水控制系統，當采用普通的閥門控制法時，供水的供求關系不能得到很好滿足，水泵運行效率低下。進行變頻技術改造后，實現了恒壓供水，既保證了水流對管道壁的壓力維持恒定，又滿足了供水的供需平衡關系，達到了節能效果。

在實踐教學過程中，應重視變頻器的正確操作，對變頻器的結構、組成、工作原理等要求學生進一步鞏固理解，并掌握主電路的接線、控制電路的接線、外圍設備的連接等。更重要的是能夠根據控制對象合理設定功能參數，實現變頻技術的控制效果。

在此基礎上，提高并加深學生運用變頻技術的知識與能力，比如用上位機進行變頻器的操作、運用變頻器進行閉環控制達到電機的恒速運行等。

四、著眼現在，展望未來

在課程教學過程中，還應看到變頻調速技術發展的趨勢。由于變頻調速技術課程一般安排在四年級學習，同學們面臨著就業、繼續深造的選擇，因此更應開闊視野，積極進取。

20世紀末，交流變頻調速技術以電力電子功率變換技術、微電子控制技術為核心得到了驚人的發展，展望本世紀，變頻技術將會有更大發展。

˙功率變換器的高頻、低損耗化、模塊化、高耐壓、大容量化、智能化；

˙電動機及其驅動變頻器的一體化；

˙控制技術的矢量化、直接轉矩控制化、數字化、智能化、網絡化；

˙無速度傳感器矢量控制；

˙變頻裝置無諧波化，采用多電平、多重化、帶就地補償；

˙工作負荷參數的模型化；

˙新理論、新機理、新材料的出現將會出現新概念功率變換器件、新概念變換裝置。

在開關器件方面：目前IGBT和IGCT占領了大功率器件的應用領域，已成為變頻調速技術的主流，就功率裝置的電流和電壓而言，IGBT和IGCT這兩種器件具有很大的互補性，IGBT更適于功率較小的裝置，而IGCT則更適于功率較大的裝置。IGCT在功率、可靠性、速度、效率、體積等方面均達到了新的標準。IGCT未來仍有巨大的潛力。

主電路功率器件正進入以新型器件為主的新時代，作為電力電子技術發展的決定性因素，電力電子器件的研發及關鍵技術突破，必然會促進電力電子技術的發展，進而促進變頻調速技術的發展。

在變頻電路拓撲結構方面：基于雙PWM技術的交-直-交變頻器和矩陣式變頻器是變頻調速技術的最新發展趨勢。其主要優點是：輸出電壓和輸出電流的低次諧波含量都較小，輸入功率因數可調，輸出頻率范圍寬，可進行四象限運行，符合當今“綠色變頻”的概念。

控制方面：所包含的關鍵技術有：磁通的觀測、無速度傳感器控制、參數辨識、參數變化的補償等。同時使用微電子技術所提供的DSP、CPU、ASIC等。

PWM及多電平技術：消除機械和電磁噪聲的最佳方法并不是盲目提高工作頻率，隨機PWM技術可以提供一種新途徑。由于PWM逆變器的開關損耗隨著功率和頻率的增加而迅速增加，因此，在高頻化和大功率方面有大量工作。解決的方法是采用諧波技術及在此基礎上發展起來的軟開關技術。同時，多電平逆變器也越來越受到人們的重視，開關損耗的問題轉化為多管串聯后的均壓問題。

變頻器的網絡化配置：在網絡化日益普及的今天，與普通的點對點硬線連接方式相對而言，高速通訊連接的變頻器系統可以在最大限度上降低系統維護時間，提高生產效率，減少運行成本。用戶可以有更大的自由根據生產過程來選擇PLC型號和品牌，并非常簡單地集成到現有的網絡中去。而且通過現場總線模塊，可以不考慮變頻器的型號，以同一種語言與不同功率段、不同型號的變頻器進行組構。由于采用了通訊方式，可以通過PC來方便地進行組態和系統維護，包括上傳、下載、監控、參數的讀寫等。

五、總結

交流變頻調速技術是一門實踐性和應用性很強的課程，是電氣類專業改革教學方案中設置的一門主干課程，是近幾十年迅猛發展起來的先進技術。在教學過程中，加強定性分析，盡量減少大篇幅數學推導，提高學生的學習興趣，注重培養學生的工程素質、動手能力及創新意識。

［參考文獻］

［1］張燕賓,李鶴軒.電動機變頻調速圖解［M］.北京:中國電力出版社，2003.

［2］陳伯時,陳敏遜.交流調速技術［M］.北京:機械工業出版社，1998.

［3］王樹.變頻調速系統設計與應用［M］.北京:機械工業出版社，2005.

［責任編輯：鐘嵐］