變頻器的發(fā)展過程

1、變頻器的發(fā)展過程變頻器的發(fā)展過程變頻器技術(shù)的發(fā)展，其中主要以變頻器控制方式的發(fā)展和電力電子器件的發(fā)展作為基礎(chǔ)。很久以來，交流調(diào)速取代直流調(diào)速一直是人們所希望的。在交流電動機調(diào)速控制方 面，也進行了大量的研究工作，然而，一直未能取得滿意的成果。直到1964年，法國人A.schcnung和H.stemmler首先提出了把通訊技術(shù)的脈寬調(diào)制簡稱PWM)技術(shù)應(yīng)用到交流調(diào)速系統(tǒng)中。從此，PWM速技術(shù)的研究引起了人們的髙度重視。20世紀80年代，日本學者提出了磁通軌跡控制方式，使變頻變壓？技術(shù)（即u/f控制方式）成為變頻器技術(shù)的核心。研究人員又繼續(xù)著力于PWM技術(shù)的進一步研究，達 到了調(diào)壓調(diào)頻的目的。日本

2、、北美、西歐一些發(fā)達國家，從20世紀80年代起，生產(chǎn)出了VVVF技術(shù)的變頻 器，而且很快就商業(yè)化，廣泛地應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)之中。第一代變頻器的性能盡管不盡人 意，但已有較好的機械特性，能夠滿足一般交流電動機無極調(diào)速的要求。比較適合應(yīng)用于 風機、水泵等以節(jié)能為主要目的的調(diào)速場合，在這一領(lǐng)域內(nèi)，迅速得到了普及應(yīng)用。上述這種U/f控制方式通用變頻器，還不具備轉(zhuǎn)矩控制的能力，只是變頻器的原型。 后來廠商，如日本的富士公司、三肯公司、德國的西門子公司，分別采用了新型的U/f控制方法，融人新的箅法，控制技術(shù)、功能和新工藝，在性能方面有了很大的改進。低頻 性能大大提高，并具備了自尋優(yōu)運行功能，節(jié)電效果更好，已能

3、滿足一般工業(yè)控制的需 要。我國近年進口的一些變頻器絕大部分都是這種類型的性能。它是我國各領(lǐng)域廣泛使用 變頻器的基礎(chǔ)。1968年德國人哈斯博士首先提出了磁場定向控制理論。1971年德國的伯拉斯切克又提 出了異步電動機轉(zhuǎn)子磁場定向矢量控制方法，并以直流電動機和交流電動機比較的方法， 分析這一原理，使人們認識到盡管交流電動機電磁關(guān)系復雜，但同樣可以實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩、磁場 分別控制的方法。該理論提出了對寧鏈和磁轉(zhuǎn)矩分別采用閉環(huán)控制，實現(xiàn)電流和磁場的解 耦，進一步實現(xiàn)轉(zhuǎn)子磁場定向矢量-制，使異步電動機的控制特性和他勵直流電動機特性 相似。在實用方面，人們進一步分析研究，發(fā)現(xiàn)對于一般異步電動機調(diào)速控制系統(tǒng)，可以采

4、 用較簡單的轉(zhuǎn)子磁場定向矢量控制，即所謂轉(zhuǎn)差頻率矢量控制。這是矢量控制型變頻器的 理論基礎(chǔ)。1992年開始，德國西門子公司相繼開發(fā)了 6SE70系列通用變頻器。它通過PE、VC、SC板可以分別實現(xiàn)頻率控制、矢量控制、伺服控制等，并具有轉(zhuǎn)矩控制功能和無跳閘性 能。輸出靜態(tài)特性與普通型U/f控制方式通用變頻器有很大的改進。機械特性硬于工頻 電網(wǎng)供電的異步電動機。這種典型的產(chǎn)品，屬于髙功能性U/f控制方式通用變頻器。在 這個基礎(chǔ)上，又開發(fā)生產(chǎn)了髙性能型矢量控制通用變頻器。這種變頻器在動態(tài)性能上，又 有了很大的提高。目前應(yīng)用最多的還是髙功能型U/f控制方式通用變頻器，它的性能足以滿足大多數(shù) 生產(chǎn)機械高

5、質(zhì)量調(diào)速控制的需要，只有特殊應(yīng)用場合才考慮選用高性能矢量控制通用變頻器.1985年德國迪普布羅克首先提出了，基于六邊形乃至圓形磁鏈軌跡的直接轉(zhuǎn)矩控制理 論。這種直接轉(zhuǎn)矩控制不是通過控制電流磁鏈等量間接控制轉(zhuǎn)矩。而是把轉(zhuǎn)矩直接作為控 制量來控制。實際上，就是用空間矢量的分析方法，以定子磁場定向方式，對定子磁鏈和 電磁轉(zhuǎn)矩進行直接控制。1995年，ABB公司首先推出了直接轉(zhuǎn)矩控制型通用變頻器。目前已成為各系列通用變 頻器的核心技術(shù)。其動態(tài)轉(zhuǎn)矩響應(yīng)已達到小于2mm，在帶速度傳感器時的靜態(tài)速度精度達 0.01%.不帶速度傳感器也可以達到0.1%的速度控制精度。其他一些公司，也在以直接轉(zhuǎn)矩控制作為努力目

6、標。電力電子器件的發(fā)展又是變頻器技術(shù)發(fā)展的另一個基礎(chǔ)。第一代以晶閘管(SCR)為代表的電力電子器件出現(xiàn)在20世紀50年代。它主要是電流控制型開關(guān)器件，以小電流控 制大電流的變換。但其開關(guān)頻率低，且導通后不能自關(guān)斷。20世紀60年代有了門極關(guān)斷 晶閘管（CTO)，雙極型電力晶體管（CTR)，是一種電流型自關(guān)斷電力電于開關(guān)器件。20 世紀70年代開始應(yīng)用金屬氧化物半導體場效應(yīng)晶體管（MOSFET）、MOS控制晶體管 (MCT)、絕緣柵雙極型晶體管（ICBT)。它們是一種電壓型自關(guān)斷電力電子器件，其開關(guān)頻率高達勸20kHz，甚至20kHz以上。20世紀90年代末，智能模塊問世且得到應(yīng)用。它內(nèi) 部含有

7、ICBT芯片及外圍的驅(qū)動電路和保護電路，甚至有霍爾傳感器和光耦電路。最近，日立公司開發(fā)的通用變頻器專用集成功率模塊（ISPM），將整流電路、逆變電 路、邏輯控制、驅(qū)動和保護，電源電路全部集成在一塊模塊內(nèi)。使通用變頻器的體積大大 縮小，引線減少。電力電子器件的發(fā)展，使通用變頻器的性能有了很大的提高。變頻器的發(fā)展方向變頻器問世時間不長，但變頻器技術(shù)的發(fā)展速度極快。它以優(yōu)異的性能和廣泛的適用 范圍以及許多優(yōu)越性被世人所公認。變頻器已在各行各業(yè)普及應(yīng)用。但它畢竟還是一個新 的領(lǐng)域，還有不盡人意之處，需要在現(xiàn)有的基礎(chǔ)上進一步提高，還有極大的發(fā)展?jié)摿涂?間。變頻器的未來，主要從進一步優(yōu)化控制技術(shù)、增大容

8、量、減小體積、降低成本、減少 對環(huán)境的噪音和電磁污染等方面發(fā)展。變頻器的控制技術(shù)，已經(jīng)從U/f控制到矢量控制與直接轉(zhuǎn)矩控制，使交流調(diào)速系統(tǒng) 的性能有了很大提高。但尚有一些技術(shù)有待深人研究。諸如磁通的準確估計和觀測，電動 機參數(shù)的在線辨識等方面。未來的變頻器控制技術(shù)將在電動機模型的矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制的基礎(chǔ)上，進一步 得到發(fā)展。應(yīng)用現(xiàn)代理論的模型參考自適應(yīng)技術(shù)、多變量解耦控制技術(shù)、智能控制技術(shù)等 等，將使變頻器的性能更趨于完美。隨著電力電子器件的發(fā)展，大容量、高耐壓開關(guān)器件開發(fā)，以及串、并聯(lián)應(yīng)用技術(shù)和 控制技術(shù)的應(yīng)用，實現(xiàn)了變頻器大容量化的目的。智能功率模塊（IPM）和復合集成功率 模塊的不斷

9、發(fā)展，它們集功率開關(guān)器件、驅(qū)動電路、保護電路在同一封裝內(nèi)，實現(xiàn)了變頻 器髙性能、高可靠性，小型化的發(fā)展方向。減少變頻器對環(huán)境的噪音和電磁污染，成為無公害的變頻器，是人們所期望的，也是 今后重視并將解決的問題。在通用變頻器推廣應(yīng)用初期，噪音污染曾經(jīng)是一個較突出的難 題。ICBT開關(guān)器件的應(yīng)用，使變頻器的噪音污染問題得到了較好的解決。采用二極管整流電路和電壓型PWM逆變電路的變頻器，產(chǎn)生高次諧波對周圍環(huán)境產(chǎn) 生電磁污染。目前一些變頻器主回路串人直流電抗器、變頻器的輸出端加人交流電抗器等 措施，一定程度上減少了對周圍環(huán)境的考磁污染。隨著変頻器技術(shù)的發(fā)展，這些問題，都 被人們所重視和不斷地得到解決，使

10、變頻器最終成為“綠色產(chǎn)品”。變頻器在調(diào)速系統(tǒng)中的地位在很長一段時間內(nèi)，電力拖動調(diào)速系統(tǒng)中，基本上采用直流電動機。而交流電動機只 能應(yīng)用在不變速拖動系統(tǒng)中，或者對調(diào)速要求不高的場合。原因很簡單，就是由于技術(shù)問 題，交流電動機調(diào)速性能差，無法滿足要求較高的調(diào)速系統(tǒng)的需要。隨著控制技術(shù)、電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)和計箅機技術(shù)的發(fā)展，近年來，變頻器技 術(shù)發(fā)展迅猛，高性能的變頻器應(yīng)運而生。交流電動機調(diào)速系統(tǒng)不僅在性能指標上，已超過 了傳統(tǒng)的直流調(diào)速系統(tǒng)，在諸多方面，都優(yōu)于直流電動機調(diào)速。因此，在各領(lǐng)域中，得到 了廣泛的使用。利用變頻器，對交流電動機進行調(diào)速控制的交流拖動系統(tǒng)，有許多優(yōu)點。諸如容易實 現(xiàn)對現(xiàn)

11、有電動機的調(diào)速控制，可以實現(xiàn)大范圍內(nèi)的高效連續(xù)調(diào)速控制；容易實現(xiàn)電動機的 正反轉(zhuǎn)切換?？梢赃B續(xù)高頻度地起停運行；可以適應(yīng)各種環(huán)境下工作，可以用一臺變頻器 對多臺電動機進行控制，電源功率因數(shù)大，可以組成高性能的控制系統(tǒng)等等。以往，風機、水泵采用恒速交流電動機拖動，通過調(diào)節(jié)擋板或閥門開度大小來調(diào)節(jié)風 量和流量。這勢必造成電能的浪費。若利用變頻器調(diào)速技術(shù)，以調(diào)節(jié)電動機轉(zhuǎn)速的方式取 代調(diào)節(jié)擋板和閥門，則可以達到節(jié)能的目的。因為這類負載的輸人功率和轉(zhuǎn)速的三次方成 正比，利用調(diào)速使流量減少，則異步電動機的輸人電功率按立方規(guī)則下降，從而使耗電量 大大降低，節(jié)能效果十分顯著，達到20以上。在采用了變頻器的交流

12、拖動系統(tǒng)中，異步電動機的調(diào)速控制，是通過改變變頻器的輸 出頻率實現(xiàn)的。因此，可以通過控制變頻器的輸出頻率，使電動機工作在較寬廣的調(diào)速范 圍內(nèi)。并可以達到提高運行效率的目的。通用性變頻器的調(diào)速范圍可以達到1:10以上，而高性能的矢量控制變頻器的調(diào)速范 圍可以達到1:1000。當采用矢量控制方式的變頻器，對異步電動機進行調(diào)速時，還可以直 接控制電動機的輸出轉(zhuǎn)矩。因此，高性能的矢量控制變頻器與變頻器專用電動機的組合， 在控制性能方面，可以超過髙精度直流伺服電動機的控制性能。利用電網(wǎng)電源運行的交流調(diào)速系統(tǒng)，為了實現(xiàn)正反轉(zhuǎn)切換，必須利用幵閉器等裝置對 電源進行換相切換。利用變頻器調(diào)速控制時，只需通過控制

13、信號，就能改變變頻器內(nèi)部逆 變電路換流器件幵關(guān)順序，達到對輸出進行換相的目的電網(wǎng)電源運行下的電動機進行正反轉(zhuǎn)切換時，如果在電動機尚未停止時，電源相序進 行切換，電動機內(nèi)部將會產(chǎn)生大于起動電流的電流，有燒毀電動機的危險。所以通常必須 等電動機完全停止后，才能進行換相操作。而采用變頻器的交流調(diào)速系統(tǒng)中，可根據(jù)需要 隨時向變頻器發(fā)出正反轉(zhuǎn)切換控制信號。變頻器將改變輸出頻率，使電動機按預選設(shè)定的 斜坡函數(shù)規(guī)律進行減速。并在電動機減速至極低范圍后，變頻器進行換相輸出。相序切換 后，變頻器的輸出頻率又按照斜坡函數(shù)規(guī)律進行加速，從而達到限制加速度的目的。這 樣，電動機在整個換相、正反轉(zhuǎn)切換過程中的電流可以很

14、小，避免了沖擊大電流和大的機 械沖擊。傳統(tǒng)的控制電動機起動電流的諸多方法，既復雜效果又不理想。利用變頻器的交流調(diào) 速系統(tǒng)，可以方便地對變頻器進行加減時間的設(shè)定，從而解決了電動機起動電流較大，對 電網(wǎng)沖擊的問題和電動機頻繁起動發(fā)熱的問題。利用變頻器的調(diào)速控制系統(tǒng)，電動機可以 進行較髙頻度的起停運行，而且，電動機功耗和發(fā)熱較小，對電網(wǎng)沖擊較小。在變頻器調(diào)速控制系統(tǒng)中，當變頻器的輸出頻率，降至低于電動機的實際轉(zhuǎn)速所對應(yīng) 的頻率時，負載的機械能將被轉(zhuǎn)換為電能，并被回饋到變頻器，而變頻器則可以利用自己 的制動回路，將這部分能量以熱能消耗或回饋給供電電網(wǎng)，并形成電氣制動。此外，還有 些變頻器具有直流制動的功能。當需要制動時，變頻器可以提供直流電源加到電動機上， 進行直流制動。由于變頻器就是一個可以進行調(diào)頻調(diào)壓的交流電源?？梢杂靡慌_變頻器同時驅(qū)動多臺 電動機，從而節(jié)約了設(shè)備的投資。而這對于直流調(diào)速系統(tǒng)來說，是很難做到的。變頻器是通過交流一直流一交流的電源變換后，驅(qū)動異步電動機的。所以，利用變頻 器驅(qū)動電動機的功率因索較高，而不受電動機功率因素的影響。對于直流電動機來說，由于受電刷和反相環(huán)等因索的制約，無法進行高速運轉(zhuǎn)。而異 步電動機不存在上述的制約。理論上講，異步電動機的轉(zhuǎn)速是正比于電源的頻率。只要有 高頻電源驅(qū)動電動機，電動機就可以實現(xiàn)高速運行。目前的髙頻變