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變頻調(diào)速技術(shù)及其應(yīng)用講授者：王孝儉 水利與建筑工程學(xué)院 多年來，國家經(jīng)貿(mào)委一直會(huì)同國家有關(guān)部門致力于變頻調(diào)速技術(shù)的開發(fā)及推廣應(yīng)用，在技術(shù)開發(fā)、技術(shù)改造方面給予了重點(diǎn)扶持，組織了變頻調(diào)速技術(shù)的評(píng)測推薦工作，并把推廣應(yīng)用變頻調(diào)速技術(shù)作為風(fēng)機(jī)、水泵節(jié)能技改專項(xiàng)的重點(diǎn)投資方向，同時(shí)鼓勵(lì)單位開展統(tǒng)貸統(tǒng)還方式，抓開發(fā)、抓示范工程、抓推廣應(yīng)用。國家成力了風(fēng)機(jī)水泵節(jié)能中心，開展信息咨詢和培訓(xùn)。1995 ~ 1997年3年間我國風(fēng)機(jī)水泵變頻調(diào)速技術(shù)改造投入資金3.5億元，改造總?cè)萘窟_(dá)100萬kW，可年節(jié)電7億kWh，平均投資回收期約2年。 1997年朱榕基總理在國家經(jīng)貿(mào)委上報(bào)的“關(guān)于風(fēng)機(jī)、水泵節(jié)能改造工作情況的報(bào)告”上明確指示“這件事抓得好”。1998年1月1日實(shí)施的《中華人民共和國節(jié)約能源法》第39條，已將變頻調(diào)速列入通用節(jié)能技術(shù)加以推廣。在國家經(jīng)貿(mào)委《“九五”資源節(jié)能綜合利用工作綱要》中，變頻調(diào)速已被列入重點(diǎn)組織實(shí)施的10項(xiàng)資源節(jié)約綜合利用技術(shù)改造示范工程之一。由國家經(jīng)貿(mào)委和國家計(jì)劃委員會(huì)在2001年制訂了《節(jié)約用電管理辦法》，著重推薦了變頻調(diào)速技術(shù) . 變頻調(diào)速技術(shù)及其應(yīng)用一、變頻調(diào)速技術(shù)的概念二、變頻調(diào)速技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)三、變頻調(diào)速技術(shù)的調(diào)速原理四、變頻調(diào)速器的分類五、變頻器的主要性能指標(biāo)六、變頻器在各個(gè)領(lǐng)域的典型應(yīng)用 七、變頻調(diào)速技術(shù)涉及的控制技術(shù) 八、變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì) 一、變頻調(diào)速技術(shù)的概念 1、什么叫變頻調(diào)速技術(shù) 變頻調(diào)速技術(shù)是一種以改變電機(jī)供電電源頻率和電壓來達(dá)到電機(jī)調(diào)速目的的技術(shù) 目前，無論哪種機(jī)械調(diào)速，都是通過電機(jī)來實(shí)現(xiàn)的。從大范圍來分，電機(jī)有直流電機(jī)和交流電機(jī)。過去的調(diào)速，多數(shù)用直流電機(jī)，由于直流機(jī)調(diào)速容易實(shí)現(xiàn)。但直流機(jī)固有的缺點(diǎn)：滑環(huán)和碳刷要經(jīng)常拆換，給人們帶來太大的麻煩。 因此有人就想，如果把可靠簡單的籠式交流電機(jī)用來調(diào)速那該多好！因而就出現(xiàn)了定子調(diào)速、變極調(diào)速、滑差調(diào)速、轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速、串極調(diào)速、液力偶合調(diào)速等交流調(diào)速方式。當(dāng)然也出現(xiàn)了滑差電機(jī)、繞線式電機(jī)、同步電機(jī)、這些都是交流電機(jī)。 2、什么是變頻器? 變頻器的全稱為變頻變壓調(diào)速器。變頻器是利用電力半導(dǎo)體器件的通斷作用將工頻電源變換為另一頻率的電能控制裝置。 變頻器采用大功率電力電子器件作為功率元件，以單片機(jī)為核心進(jìn)行控制，采用SPWM正弦脈寬調(diào)制方式，是電力電子與計(jì)算機(jī)控制相結(jié)合的機(jī)電一體化產(chǎn)品.它將隨著功率元件和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，結(jié)構(gòu)上做到體積小，重量輕；性能上優(yōu)于以往的變極調(diào)速、串阻調(diào)速、串極調(diào)速、滑差電機(jī)調(diào)速等交流電機(jī)調(diào)速方式，并且將會(huì)逐步以這種嶄新的調(diào)速技術(shù)取代直流電機(jī)調(diào)速.用交流異步電機(jī)取代直流電機(jī)，將使調(diào)速系統(tǒng)更加簡單 。 3、變頻調(diào)速是時(shí)代的產(chǎn)物 到20世紀(jì)80年代，由于電力電子技術(shù)，微電子技術(shù)和信息技術(shù)的發(fā)展，才出現(xiàn)了對(duì)交流機(jī)來說最好的變頻調(diào)速技術(shù)，它一出現(xiàn)就以其優(yōu)異的性能逐步取代其它交流電機(jī)調(diào)速方式，乃至直流電機(jī)調(diào)速，而成為電氣傳動(dòng)的中樞。因而說變頻調(diào)速是時(shí)代的產(chǎn)物，只有在技術(shù)高度發(fā)展的今天，才能實(shí)現(xiàn)。 一是它的逆變部分都基于電流很大、電壓很高的電力電子器件來完成的。什么叫逆變：就是直流變交流（ DC — AC ）那么交流變直流就叫整流（ AC — DC ）。 雙極型： SCR（晶閘管） GTR （電力晶體管）、 GTO（門極可關(guān)斷晶閘管）、 SITH（靜電感應(yīng)晶閘管）等。 單極型：SIT（靜電感應(yīng)晶體管）、MOSFET（功率場控晶體管）等。 復(fù)合型： IGBT（絕緣柵雙極型晶體管） 、 MCT（MOS控制晶閘管）等。 二是它的控制部分和負(fù)載狀態(tài)的檢測是由 CPU （ 32 位計(jì)算機(jī)）來完成，這是微電子器件發(fā)展的結(jié)果。以32位高速微處理器為基礎(chǔ)的數(shù)字控制模板有足夠的能力實(shí)現(xiàn)各種控制算法。 三是內(nèi)置 4 — 20mA 接口和 RS485等各種接口可以和儀表、計(jì)算機(jī)、可編程序控制器、DCS 相接，通過總線Profibus、Interbus 通訊。具有遠(yuǎn)程控制的功能，容易對(duì)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。 二、變頻調(diào)速技術(shù)的優(yōu)點(diǎn) 1、變頻調(diào)速技術(shù)的三大優(yōu)點(diǎn) （1）具有顯著的節(jié)電效果。 （2）具有卓越的調(diào)速性能。 高速響應(yīng)、低噪聲、大范圍、高精度平滑無級(jí)調(diào)速。 （3）在國民經(jīng)濟(jì)各領(lǐng)域的廣泛適用性。 由于變頻調(diào)速技術(shù)的三大優(yōu)點(diǎn)，使變頻調(diào)速技術(shù)為節(jié)能降耗、改善控制性能、提高產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量提供了至關(guān)重要的手段。 2、變頻調(diào)速器的優(yōu)良性能 目前變頻調(diào)速器已全部采用了數(shù)字化技術(shù)，并且日趨小型化、高可靠性和高精度。從應(yīng)用角度看，除了具有變頻調(diào)速技術(shù)的三大優(yōu)點(diǎn)外還具有如下的優(yōu)良性能：   （1）體積小、重量輕、占地面積��；   （2）保護(hù)功能完善，能自診斷顯示故障所在，維護(hù)簡便； （3）操作方便、簡單； （4）內(nèi)設(shè)功能多，可滿足不同工藝要求；     （5）具有通用的外部接口端子，可同計(jì)算機(jī)、PLC聯(lián)機(jī)，便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制；     （6）軟起動(dòng)、軟停機(jī)，具有電流限定和轉(zhuǎn)差補(bǔ)償控制；     （7）電動(dòng)機(jī)直接在線起動(dòng)，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，起動(dòng)電流小，減小對(duì)電網(wǎng)和設(shè)備的沖擊，并具有轉(zhuǎn)矩提升功能，節(jié)省軟起動(dòng)裝置；     （8）功率因數(shù)高，節(jié)省電容補(bǔ)償裝置；    （9）與鼠籠式；轉(zhuǎn)子電動(dòng)機(jī)結(jié)合，使調(diào)速系統(tǒng)維護(hù)更加簡單經(jīng)濟(jì)。 三、變頻調(diào)速節(jié)能原理 1、變頻調(diào)速原理 由電工學(xué)可知，三相異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速表達(dá)式如下： n=60f(1-s)/p  式中：f為電源頻率；p為電機(jī)的極對(duì)數(shù)；n為電機(jī)的轉(zhuǎn)速；s為轉(zhuǎn)差率， s =(n0-n)/n0。 電機(jī)轉(zhuǎn)速的單位為轉(zhuǎn)每分（r/min) （1）變極調(diào)速：調(diào)速是有級(jí)的，電機(jī)特制。 （2）變轉(zhuǎn)差率調(diào)速：設(shè)備簡單，投資少，可平滑調(diào)速，能量損耗較大，運(yùn)行費(fèi)用大�！� （3）變頻調(diào)速： 由式(1)可知，電機(jī)轉(zhuǎn)速n與電源頻率f成正比，只要改變頻率f即可改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，當(dāng)頻率f在0～50Hz的范圍內(nèi)變化時(shí)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速可在0～3000 r/min變化，調(diào)節(jié)范圍非常寬。變頻調(diào)速就是通過改變電動(dòng)機(jī)電源頻率實(shí)現(xiàn)速度調(diào)節(jié)的。當(dāng)頻率的變化幅度很小時(shí)，宏觀上認(rèn)為電機(jī)轉(zhuǎn)速的變化是連續(xù)的，是無級(jí)差的。 2、變頻調(diào)速的節(jié)能原理 水泵的節(jié)電原理就是用調(diào)速控制代替節(jié)流閥控制流量，這是一個(gè)節(jié)電的有效途徑。 水泵消耗的軸功率為 P=γQH/η 式中：γ為流體容重；η為泵的效率. 以水泵為例，水泵調(diào)速運(yùn)行節(jié)電的理論之一是水泵學(xué)比例律.由水泵學(xué)比例律可知，對(duì)于同一臺(tái)水泵，當(dāng)以不同轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)，水泵的流量Q，揚(yáng)程H，軸功率P與轉(zhuǎn)速n有如下關(guān)系 Q1/Q2=n1/n2 ，(1) H1/H2=(n1/n2)2 ，(2) P1/P2=(n1/n2)3 .(3) 流量與轉(zhuǎn)速成正比，揚(yáng)程與轉(zhuǎn)速的平方成正比，軸功率與轉(zhuǎn)速的立方成正比.由此可見，當(dāng)降低轉(zhuǎn)速時(shí)，功率的減少量遠(yuǎn)比流量的減少量大得多.風(fēng)機(jī)也遵循這個(gè)規(guī)律，即風(fēng)量與轉(zhuǎn)速成正比，風(fēng)壓與轉(zhuǎn)速的平方成正比，軸功率與轉(zhuǎn)速的立方成正比.因此，降低水泵或風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，就有可能使單位供水量或風(fēng)量的電耗減少. 若轉(zhuǎn)速下降 20%，則軸功率下降到51.2% ；若轉(zhuǎn)速下降 50%，則軸功率下降到12.5% ，即使考慮調(diào)速裝置本身的損耗等因素，節(jié)電也是相當(dāng)可觀的。 由式（3）可知，采用變頻調(diào)速時(shí)，變頻器消耗功率為 P變頻 =P=(Q/Qe)3Pe 　.(7) 如果采用閥門調(diào)節(jié)，電動(dòng)機(jī)消耗功率近似為 P電 =（0.4+0.6Q/Qe）Pe　.(8) 　　從式（7）和式（8）可見，當(dāng)流量Q變?yōu)轭~定流量的50%時(shí)，采用變頻調(diào)速時(shí)消耗功率為0.125Pe。采用閥門調(diào)節(jié)流量時(shí)，電動(dòng)機(jī)消耗功率0.7Pe，節(jié)電率為82.1%，節(jié)電效果是很可觀的。四、變頻器的分類及基本構(gòu)成 1、變頻器的分類 1）按變換的環(huán)節(jié)分類： （1）交-交變頻器： 把頻率固定的交流電源直接變換成頻率連續(xù)可調(diào)的交流電源。其主要優(yōu)點(diǎn)是沒有中間環(huán)節(jié)，故變換效率高，但其連續(xù)可調(diào)的頻率范圍窄，一般為額定頻率的1/2以下，故他主要用于容量較大的低速拖動(dòng)系統(tǒng)中。 （2）交-直-交變頻器： 先把頻率固定的交流電經(jīng)過整流成直流電，再把直流電逆變成頻率連續(xù)可調(diào)的三相交流電。由于把直流電逆變成交流電的環(huán)節(jié)較容易控制，因此在頻率的調(diào)節(jié)范圍，以及改善變頻后電動(dòng)機(jī)的特性等方面，都具有明顯的優(yōu)勢(shì)。目前迅速地普及應(yīng)用的主要是這一種。 2、按直流電源性質(zhì)分類： （1）電流型變頻器 電流型變頻器特點(diǎn)是中間直流環(huán)節(jié)采用大電感作為儲(chǔ)能環(huán)節(jié)，緩沖無功功率，即扼制電流的變化，使電壓接近正弦波，由于該直流環(huán)節(jié)內(nèi)阻較大，故稱電流源型變頻器（電流型）。電流型變頻器的特點(diǎn)（優(yōu)點(diǎn)）是能扼制負(fù)載電流頻繁而急劇的變化。常選用于負(fù)載電流變化較大的場合。 （2）電壓型變頻器 電壓型變頻器特點(diǎn)是中間直流環(huán)節(jié)的儲(chǔ)能元件采用大電容，負(fù)載的無功功率將由它來緩沖，直流電壓比較平穩(wěn)，直流電源內(nèi)阻較小，相當(dāng)于電壓源，故稱電壓型變頻器，常選用于負(fù)載電壓變化較大的場合。 3.按電壓的調(diào)制方式分類  (1)PAM脈幅調(diào)制  (Pulse Amplitude Modulation )  (2)PWM脈寬調(diào)制(Pulse Width Modulation )  變頻器輸出電壓的大小是通過調(diào)節(jié)脈沖占空比來實(shí)現(xiàn)的 。目前普遍應(yīng)用的是占空比按正弦規(guī)律安排的正弦波脈寬調(diào)制SPWM方式。 　4、變頻器按其供電電壓分類 （1）低壓變頻器 ( 110V 220V 380V ) （2）中壓變頻器 ( 500V　660V 1140V ) （3）高壓變頻器 ( 3KV 3.3KV 6KV 　　6.6KV 10KV )。 　　 通用變頻器基本電路4個(gè)主要組成部分的功能: 五、變頻器的主要性能指標(biāo)輸入電壓等級(jí)：如：380V、660V、3300V、6000V或10000V 容量（或功率）：KVA或KW 如：30 KW、55 KW、300 KW、200 KVA 輸入電壓范圍：如：320V~560V 、208~240V 、380~500V+/-10% 輸入頻率范圍：如47~63Hz、45~55Hz 整體滿載效率>96.5%包括變壓器輸入功率因數(shù)>0.95（20%以上負(fù)載）輸出頻率調(diào)節(jié)范圍：如：0—400Hz，0—480Hz 繼電器輸出1：如：30VDC2A，240VAV0.8A 繼電器輸出2：如：30VDC2A，240VAV0.8A RS485接口：有或無 。如：D型/端子 PID閉環(huán)控制：自帶PI或自帶PID 變頻器保護(hù)：接地、短路保護(hù)，欠壓、過壓、過熱、過流保護(hù)。 2、變頻器的基本功能 1、頻率給定的方式與選擇 (3) 外部給定方式 從外接輸入端子輸入頻率給定信號(hào)，來調(diào)節(jié)變頻器輸出頻率的大小，稱為外部給定，或遠(yuǎn)控給定。主要的外部給定方式有: (a) 外接模擬量給定 ·電壓信號(hào)：以電壓大小作為給定信號(hào)。 ·電流信號(hào)：以電流大小作為給定信號(hào)。 (b) 外接數(shù)字量給定      通過外接開關(guān)量端子輸入開關(guān)信號(hào)進(jìn)行給定。 (c) 外接脈沖給定      通過外接端子輸入脈沖序列進(jìn)行給定。 (d) 通訊給定      由PLC或計(jì)算機(jī)通過通訊接口進(jìn)行頻率給定。 2、頻率的限制功能 (1)上、下限頻率基礎(chǔ)概念 (a) 生產(chǎn)機(jī)械對(duì)轉(zhuǎn)速范圍的要求    生產(chǎn)機(jī)械根據(jù)工藝過程的實(shí)際需要，常常要求對(duì)轉(zhuǎn)速范圍進(jìn)行限制。 (b) 變頻器的上、下限頻率     根據(jù)生產(chǎn)機(jī)械所要求的最高與最低轉(zhuǎn)速，以及電動(dòng)機(jī)與生產(chǎn)機(jī)械之間的傳動(dòng)比，可以推算出相對(duì)應(yīng)的頻率，分別稱為上限頻率(用fH表示)與下限頻率(用fL表示)。 (2) 上限頻率與最高頻率的關(guān)系 ·上限頻率小于最高頻率 ·上限頻率比最高頻率優(yōu)先  這是因?yàn)�，上限頻率是根據(jù)生產(chǎn)機(jī)械的要求來決定的，所以具有優(yōu)先權(quán)。 3、加、減速的功能設(shè)置      變頻器中，針對(duì)電動(dòng)機(jī)在升、降速過程中的特點(diǎn)，以及生產(chǎn)實(shí)際對(duì)拖動(dòng)系統(tǒng)的各種要求，設(shè)置了許多相關(guān)的功能，供用戶進(jìn)行選擇。 (1) 加、減速時(shí)間 (a) 加速時(shí)間的定義 變頻器的輸出頻率從0Hz上升到最高頻率所需要的時(shí)間。   (b) 減速時(shí)間的定義 變頻器的輸出頻率從最高頻率下降到0Hz所需要的時(shí)間。 (2) 加、減速方式 (a) 加速方式      加速過程中，變頻器的輸出頻率隨時(shí)間上升的關(guān)系曲線，稱為加速方式。變頻器設(shè)置的加速方式有: ·線性方式    變頻器的輸出頻率隨時(shí)間成正比地上升，如圖6(a)所示。大多數(shù)負(fù)載都可以選用線性方式。 ·S形方式      在加速的起始和終了階段，頻率的上升較緩，加速過程呈S形，如圖6(b)所示。例如，電梯在開始起動(dòng)以及轉(zhuǎn)入等速運(yùn)行時(shí)，從考慮乘客的舒適度出發(fā)，應(yīng)減緩速度的變化，以采用S形加速方式為宜。 ·半S形方式      在加速的初始階段或終了階段，按線性方式加速;而在終了階段或初始階段，按S形方式加速，如圖6(c)和6(d)所示。圖6(c)所示方式主要用于如風(fēng)機(jī)一類具有較大慣性的二次方律負(fù)載中，由于低速時(shí)負(fù)荷較輕，故可按線性方式加速，以縮短加速過程; 高速時(shí)負(fù)荷較重，加速過程應(yīng)減緩，以減小加速電流; 圖6(d)所示方式主要用于慣性較大的負(fù)載。 (b) 減速方式   和加速過程類似，變頻器的減速方式也分線性方式、S形方式和半S形方式。 ·線性方式      變頻器的輸出頻率隨時(shí)間成正比地下降，如圖7(a)所示。大多數(shù)負(fù)載都可以選用線性方式。 ·Ｓ形方式 在減速的起始和終了階段，頻率的下降較緩，減速過程呈Ｓ形，如圖7(b)所示。 ·半S形方式     在減速的初始階段或終了階段，按線性方式減速; 而在終了階段或初始階段，按S形方式減速，如圖7(c)和7(d)所示。 減速時(shí)S形方式和半S形方式的應(yīng)用場合和加速時(shí)相同。 4、變頻器的控制功能 變頻器運(yùn)行的控制信號(hào)也叫操作指令，如起動(dòng)、停止、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、點(diǎn)動(dòng)、復(fù)位等。和頻率給定方式類似， 變頻器操作指令的輸入方式也有: (1) 鍵盤操作   即通過面板上的鍵盤輸入操作指令。大多數(shù)變頻器的面板都可以取下， 安置到操作方便的地方， 面板和變頻器之間用延長線相聯(lián)接， 從而實(shí)現(xiàn)了距離較遠(yuǎn)的控制， 如圖1所示。 (2) 外接輸入控制   操作指令通過外接輸入端子從外部輸入開關(guān)信號(hào)來進(jìn)行控制，如圖2所示。外部的開關(guān)信號(hào)可以在遠(yuǎn)離變頻器的地方來進(jìn)行操作，因此，不少變頻器把這種控制方式稱為“遠(yuǎn)控”或“遙控”操作方式。 變頻器在出廠時(shí)，設(shè)定的都是鍵盤操作方式，用戶如需要采用外接輸入控制，在使用前必須通過功能預(yù)置進(jìn)行選擇。 外接輸入控制端接受的都是開關(guān)量信號(hào)，所有端子大體上可以分為兩大類: (1) 基本控制輸入端 如運(yùn)行、停止、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、點(diǎn)動(dòng)、復(fù)位等。這些端子的功能是變頻器在出廠時(shí)已經(jīng)標(biāo)定的， 不能再更改。 (2) 可編程控制輸入端 由于變頻器可能接受的控制信號(hào)多達(dá)數(shù)十種，但每個(gè)拖動(dòng)系統(tǒng)同時(shí)使用的輸入控制端子并不多。為了節(jié)省接線端子和減小體積，變頻器只提供一定數(shù)量的“可編程控制輸入端”，也稱為“多功能輸入端子”。其具體功能雖然在出廠時(shí)也進(jìn)行了設(shè)置，但并不固定，用戶可以根據(jù)需要進(jìn)行預(yù)置。常見的可編程功能如多檔轉(zhuǎn)速控制、多檔加/減速時(shí)間控制、升速/降速控制等; 5、變頻器的內(nèi)置程序控制功能 5.1 基本概念  各種變頻器都具有按時(shí)間控制的程序控制功能，在一個(gè)運(yùn)行周期中，可以劃分為若干個(gè)程序步。各程序步的工作頻率、運(yùn)行時(shí)間以及加、減速的快慢都由用戶根據(jù)生產(chǎn)工藝的需要來進(jìn)行預(yù)置。 程序步是按運(yùn)行頻率的不同而劃分的，如圖所示。 5.2 變頻器的功能設(shè)置 程序控制的選擇功能  有效選擇 即選擇程序控制功能是否有效。  循環(huán)選擇 選擇在一個(gè)運(yùn)行周期結(jié)束后，是否需要周而復(fù)始地循環(huán)運(yùn)行，或以何種狀態(tài)運(yùn)行。主要的方式有: 單循環(huán):運(yùn)行一個(gè)周期后停止; 連續(xù)循環(huán):在無停機(jī)指令的情況下，循環(huán)不止; 循環(huán)一周后以最后程序步的轉(zhuǎn)速運(yùn)行。 6、PID控制功能 PID控制的基礎(chǔ)概念 1） 自動(dòng)調(diào)節(jié)的控制過程 所謂自動(dòng)調(diào)節(jié)控制，是指在生產(chǎn)過程中，對(duì)于某一個(gè)或若干個(gè)物理量進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)的控制。在多數(shù)情況下，常常是恒值控制，如恒壓控制、恒溫控制等。以空氣壓縮機(jī)為例，說明如下: (1) 裝置構(gòu)成 如圖所示，電動(dòng)機(jī)M拖動(dòng)空氣壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，使之產(chǎn)生壓縮空氣，并儲(chǔ)存于儲(chǔ)氣罐中。儲(chǔ)氣罐中的空氣要求保持一定的壓力PT， 以便向用戶提供壓力穩(wěn)定的壓縮空氣。 （3）PID調(diào)節(jié)功能： 將隨時(shí)對(duì)XF與XT進(jìn)行比較，以判斷是否已經(jīng)達(dá)到預(yù)定的控制目標(biāo)。具體地說，它將根據(jù)兩者的差值(XT-XF)，利用比例(Ｐ)、積分(Ｉ)、微分(Ｄ)的手段對(duì)被控物理量進(jìn)行調(diào)整，直至反饋信號(hào)與目標(biāo)信號(hào)基本相等(XT≈XF)，達(dá)到預(yù)定的控制目標(biāo)為止。 1)比例增益 為了使儲(chǔ)氣罐維持一定的壓力，空氣壓縮機(jī)必須保持運(yùn)行狀態(tài)。所以，將變頻器的頻率給定信號(hào)及輸出頻率保持在一定范圍內(nèi)是必要的。為此: 令   X式中，XG—頻率給定信號(hào);      KP—放大倍數(shù)，也叫比例增益。 就是說，將(XT－XF)放大了ＫP倍后再作為頻率給定信號(hào)， 2) 積分與微分控制 (a) 積分控制 為了消除系統(tǒng)的振蕩，引入了積分環(huán)節(jié)，其目的是:使給定信號(hào)XG的變化與乘積KP(XT-XF)對(duì)時(shí)間的積分成正比。意思是說，盡管KP(XT-XF)一下子增大(或減小)了許多，但XG只能在“積分時(shí)間”內(nèi)逐漸地增大(或減小)，從而減緩了XG的變化速度，防止了振蕩。積分時(shí)間越長，XG的變化越慢。 只要偏差不消除(ε＝XT-XF≠0)，積分就不停止，從而能有效地消除靜差，如圖(a)所示。 但積分時(shí)間(I)太長，又會(huì)發(fā)生當(dāng)用氣量急劇變化時(shí)，被控量(壓力)難以迅速恢復(fù)的情況。 (b) 微分控制 微分控制是根據(jù)偏差變化率的大小，提前給出一個(gè)相應(yīng)的調(diào)節(jié)動(dòng)作，從而縮短了調(diào)節(jié)時(shí)間，克服了因積分時(shí)間太長而使恢復(fù)滯后的缺點(diǎn)，如圖(b)所示。 1、使用變頻器的目的和效益 變頻器在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域（電力、紡織與化纖、建材、石油、化工、冶金、市政、造紙、食品飲料、煙草等行業(yè)）和民用生活（中央空調(diào)、供水、水處理、電梯等）領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用。變頻器和異步電動(dòng)機(jī)結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)機(jī)械的調(diào)速傳動(dòng)控制，很多文獻(xiàn)中都簡單地稱其為變頻器傳動(dòng)。變頻器傳動(dòng)具有它固有的優(yōu)勢(shì)，應(yīng)用到不同的生產(chǎn)機(jī)械或設(shè)備上，可以體現(xiàn)出不同的功能，達(dá)到不同的目的，收到相應(yīng)的效益。 2、變頻器典型應(yīng)用舉例 （2）在節(jié)水灌溉供水系統(tǒng)中的應(yīng)用 變頻恒壓節(jié)水灌溉自動(dòng)控制裝置與水泵電機(jī)組合而成節(jié)水灌溉供水系統(tǒng)。一些節(jié)水灌溉基地設(shè)計(jì)有噴灌、微噴灌、滴灌等多種灌溉方式，不同的灌溉方式所需的工作壓力不同。為使同一供水管網(wǎng)能為不同灌溉方式提供不同的工作壓力，變頻恒壓節(jié)水灌溉自動(dòng)控制裝置內(nèi)設(shè)置了多段壓力設(shè)定轉(zhuǎn)換電路。它可對(duì)一臺(tái)或多臺(tái)三相水泵電機(jī)進(jìn)行自動(dòng)控制。由遠(yuǎn)轉(zhuǎn)壓力表檢測供水管網(wǎng)實(shí)際壓力，管網(wǎng)實(shí)際壓力與設(shè)定壓力經(jīng)過比較后輸出偏差信號(hào)。由偏差信號(hào)控制調(diào)整變頻器輸出的電流頻率，改變水泵轉(zhuǎn)速，使管網(wǎng)壓力不斷向設(shè)定壓力趨近。這個(gè)閉合控制系統(tǒng)，通過不斷檢測、不斷調(diào)整的反復(fù)過程實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)壓力恒定。 （3）風(fēng)機(jī)、水泵類流量調(diào)節(jié) （4）在卷料機(jī)上應(yīng)用 （5）通風(fēng)系統(tǒng)自控應(yīng)用 利用溫度傳感器反饋室內(nèi)溫度，作用于變頻器風(fēng)扇電機(jī)，使室內(nèi)溫度維持正常值，通風(fēng)恒溫，舒適，省電，低噪音。 （6）電梯上的應(yīng)用 （7）機(jī)床主軸調(diào)速 對(duì)要求主軸調(diào)速的機(jī)床用變頻器可達(dá)到無級(jí)調(diào)速，速度可高于電網(wǎng)頻率決定的同步速度；適用于低速時(shí)轉(zhuǎn)矩不大的機(jī)床，但當(dāng)?shù)退俎D(zhuǎn)矩大時(shí)，需要機(jī)械變速器以便改變轉(zhuǎn)矩；無級(jí)調(diào)速平穩(wěn)，精度高，設(shè)置簡單。  七、變頻調(diào)速中的關(guān)鍵控制技術(shù) 交流變頻調(diào)速技術(shù)在上一世紀(jì)得到了迅速發(fā)展。這與一些關(guān)鍵性技術(shù)的突破性進(jìn)展有關(guān)，它們是交流電動(dòng)機(jī)的矢量控制技術(shù)、直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)、PWM技術(shù)，以及以微型計(jì)算機(jī)和大規(guī)模集成電路為基礎(chǔ)的全數(shù)字化控制技術(shù)、自整定技術(shù)等。 1、矢量控制 矢量控制實(shí)現(xiàn)的基本原理是通過測量和控制異步電動(dòng)機(jī)定子電流矢量，根據(jù)磁場定向原理分別對(duì)異步電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流和轉(zhuǎn)矩電流進(jìn)行控制，從而達(dá)到控制異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的目的。具體是將異步電動(dòng)機(jī)的定子電流矢量分解為產(chǎn)生磁場的電流分量 (勵(lì)磁電流) 和產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的電流分量 (轉(zhuǎn)矩電流) 分別加以控制，并同時(shí)控制兩分量間的幅值和相位，即控制定子電流矢量，所以稱這種控制方式稱為矢量控制方式。矢量控制方式又有基于轉(zhuǎn)差頻率控制的矢量控制方式、無速度傳感器矢量控制方式和有速度傳感器的矢量控制方式等。 2、直接轉(zhuǎn)矩控制 直接轉(zhuǎn)矩控制也稱之為“直接自控制”，這種“直接自控制”的思想是以轉(zhuǎn)矩為中心來進(jìn)行磁鏈、轉(zhuǎn)矩的綜合控制。和矢量控制不同，直接轉(zhuǎn)矩控制不采用解耦的方式，從而在算法上不存在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換，簡單地通過檢測電機(jī)定子電壓和電流，借助瞬時(shí)空間矢量理論計(jì)算電機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩，并根據(jù)與給定值比較所得差值，實(shí)現(xiàn)磁鏈和轉(zhuǎn)矩的直接控制。 3、PWM控制技術(shù) PWM控制技術(shù)一直是變頻技術(shù)的核心技術(shù)之一。 PWM控制技術(shù)就是以采樣控制理論為理論基礎(chǔ)，對(duì)半導(dǎo)體開關(guān)器件的導(dǎo)通和關(guān)斷進(jìn)行控制，使輸出端得到一系列幅值相等而寬度不相等的脈沖，用這些脈沖來代替正弦波或其他所需要的波形。按一定的規(guī)則對(duì)各脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，既可改變逆變電路輸出電壓的大小，也可改變輸出頻率。 由于PWM可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)變頻變壓反抑制諧波的特點(diǎn)，由此在交流傳動(dòng)乃至其它能量變換系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。 PWM控制技術(shù)大致可以分為三類，正弦PWM（包括電壓，電流或磁通的正弦為目標(biāo)的各種PWM方案，多重PWM也應(yīng)歸于此類），優(yōu)化PWM及隨機(jī)PWM。正弦PWM已為人們所熟知，而旨在改善輸出電壓、電流波形，降低電源系統(tǒng)諧波的多重PWM技術(shù)在大功率變頻器中有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)（如 ABB ACS1000系列和美國ROBICON公司的完美無諧波系列等）；而優(yōu)化PWM所追求的則是實(shí)現(xiàn)電流諧波畸變率（THD）最小，電壓利用率最高，效率最優(yōu)，及轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)最小以及其它特定優(yōu)化目標(biāo)。 4、數(shù)字化控制技術(shù)      控制技術(shù)的數(shù)字化是變頻技術(shù)的核心技術(shù)之一，變頻器數(shù)字化是一個(gè)重要的發(fā)展方向。變頻裝置采用32位高速DSP（Digital Signal Processor—數(shù)字信號(hào)處理器)和ASIC（Application Specific IC—專用集成電路）可以實(shí)現(xiàn)比較快速、復(fù)雜的運(yùn)算和高精度的控制，可以得到良好的電流波形使變頻器的噪音大幅度降低。由于應(yīng)用微電子技術(shù)和ASIC技術(shù)，變頻裝置的元器件數(shù)量得以大幅度減少，從而使變頻裝置的可靠性大幅度提高，同容量變頻裝置的體積趨于小型化。變頻裝置數(shù)字化輔助以液晶顯示器等來實(shí)現(xiàn)更加完善的控制性能。目前市場上的變頻裝置已全面實(shí)現(xiàn)數(shù)字化控制。隨著CPU處理速度的提高運(yùn)算速度和控制高精度也會(huì)不斷提高。 自整定技術(shù)在變頻調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用日益廣泛，它可以根據(jù)速度和負(fù)載的變化自動(dòng)調(diào)整控制系統(tǒng)的參數(shù)，使得系統(tǒng)具有快速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。自整定技術(shù)分為離線式和在線式兩種。離線式自整定的研究成果已經(jīng)在相當(dāng)多的產(chǎn)品中應(yīng)用，它是在運(yùn)行系統(tǒng)程序之前通過運(yùn)行一段自整定程序，辨識(shí)相關(guān)數(shù)據(jù)，并修改系統(tǒng)程序的相關(guān)參數(shù)，以期獲得良好的系統(tǒng)控制性能。在線式自整定可以實(shí)時(shí)修改控制器的參數(shù)，因而可以獲得最佳控制性能。另外，改進(jìn)控制技術(shù)，提高系統(tǒng)魯棒性也和自整定技術(shù)緊密相聯(lián)系。 單一的控制方式有著各自的優(yōu)缺點(diǎn)，并沒有“萬能”的控制方式，在有些控制場合，需要將一些控制方式結(jié)合起來，例如將學(xué)習(xí)控制與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制相結(jié)合，自適應(yīng)控制與模糊控制相結(jié)合，直接轉(zhuǎn)矩控制與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制相結(jié)合，或者稱之為“混合控制”，這樣取長補(bǔ)短，控制效果將會(huì)更好。從最初采用模擬電路完成三角調(diào)制波和參考止弦波比較，產(chǎn)生正弦脈寬調(diào)制SPWM信號(hào)以控制功率器件的開關(guān)開始，到目前采用全數(shù)字化方案，完成優(yōu)化的實(shí)時(shí)在線的PWM信號(hào)輸出，可以說直到目前為止，PWM在各種應(yīng)用場合仍占主導(dǎo)地位，并一直是人們研究的熱點(diǎn)。八、變頻器技術(shù)發(fā)展趨勢(shì) 交流變頻調(diào)速技術(shù)是強(qiáng)弱電結(jié)合、機(jī)電一體化的綜合技術(shù)，既要處理巨大電能的轉(zhuǎn)換（整流、逆變)，由要處理信息的收集、變換和傳輸，因此它的共性技術(shù)必定分為功率和控制兩大部分，前者要解決與高壓大電流有關(guān)的技術(shù)問題和新型電力電子器件的應(yīng)用技術(shù)問題，后者要解決（基于現(xiàn)代控制理論的控制策略和智能控制策略的）硬、軟件開發(fā)問題（在目前狀況下主要是全數(shù)字控制技術(shù)），交流變頻調(diào)速技術(shù)其主要發(fā)展方向有如下幾項(xiàng) ： 1、實(shí)現(xiàn)高水平的控制 基于電動(dòng)機(jī)和機(jī)械模型的控制策略，有矢量控制、磁場控制、直接傳矩控制和機(jī)械扭振補(bǔ)償?shù)�；基于現(xiàn)代理論的控制策略，有滑模變結(jié)構(gòu)技術(shù)、模型參考自適應(yīng)技術(shù)、采用微分幾何理論的非線性解耦、魯棒觀察器，在某種指標(biāo)意義下的最優(yōu)控制技術(shù)和逆奈奎斯特陣列設(shè)計(jì)方法等；基于智能控制思想的控制策略，有模糊控制、神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)、專家系統(tǒng)和各種各樣的自優(yōu)化、自診斷技術(shù)等。 2、開發(fā)清潔電能的逆變器 所謂清潔電能逆變器是指逆變器的功率因數(shù)為1，網(wǎng)側(cè)和負(fù)載側(cè)有盡可能低的諧波分量，以減少對(duì)電網(wǎng)的公害和電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。對(duì)中小容量逆變器，提高開關(guān)頻率的PWM控制是有效的。對(duì)大容量逆變器，在常規(guī)的開關(guān)頻率下，可改變電路結(jié)構(gòu)和控制方式，實(shí)現(xiàn)清潔電能的變換。 3、縮小裝置的尺寸 緊湊型逆變器要求功率和控制元件具有高的集成度，其中包括智能化的功率模塊、緊湊型的光耦合器、高頻率的開關(guān)電源，以及采用新型電工材料制造的小體積變壓器、電抗器和電容器。功率器件冷卻方式的改變（如水冷、蒸發(fā)冷卻和熱管）對(duì)縮小裝置的尺寸也很有效。 4、高速度的數(shù)字控制 以32位高速微處理器為基礎(chǔ)的數(shù)字控制模板有足夠的能力實(shí)現(xiàn)各種控制算法，Windows操作系統(tǒng)的引入使得可自由設(shè)計(jì)，圖形編程的控制技術(shù)也有很大的發(fā)展。 5、模擬與計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）技術(shù) 電機(jī)模擬器、負(fù)載模擬器以及各種CAD軟件的引入對(duì)變頻器的設(shè)計(jì)和測試提供了強(qiáng)有力的支持。 謝謝同學(xué)們！0HJ紅軟基地