在當(dāng)今工業(yè)社會(huì)，環(huán)保和節(jié)能顯得越來(lái)越重要，而變頻器在工業(yè)節(jié)能中發(fā)揮著越來(lái)越大和不可忽視作用。 

一．變頻器的基本常識(shí)

1.1什么是變頻器        

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。可分為交—交變頻器，交—直—交變頻器。交—交變頻器可直接把交流電變成頻率和電壓都可變的交流電；交—直—交變頻器則是先把交流電經(jīng)整流器先整流成直流電，再經(jīng)過(guò)逆變器把這個(gè)直流電流變成頻率和電壓都可變的交流電。

1.2變頻器的組成       

變頻器是由主回路和控制回路兩大部分組成的。主回路由整流器(整流模塊)、濾波器(濾波電路)和逆變器(大功率晶體模塊)三個(gè)主要部分組成?？刂苹芈穭t由單片機(jī)、驅(qū)動(dòng)電路和光電隔離電路組成。

1.3變頻器市場(chǎng)容量         

當(dāng)前，電機(jī)是我國(guó)主要的工業(yè)耗電設(shè)備，據(jù)清華大學(xué)電機(jī)人士統(tǒng)計(jì)，我國(guó)電機(jī)的總裝機(jī)容量已達(dá)4億千瓦，年耗電量達(dá)6000億千瓦時(shí)，約占工業(yè)耗電量的80%。我國(guó)在用的電機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)總體裝備水平僅相當(dāng)于發(fā)達(dá)國(guó)家50年代水平。另外據(jù)統(tǒng)計(jì)，對(duì)于塑膠行業(yè)的電費(fèi)成本，約占整個(gè)生產(chǎn)成本的20%～50%。在發(fā)達(dá)國(guó)家，變頻器在電機(jī)投用的普及率已達(dá)到80%，而我國(guó)變頻器的運(yùn)用還在起步階段，普及率不到10%。從以上可以看出，變頻調(diào)速系統(tǒng)在我國(guó)有著非常巨大的市場(chǎng)需求。        

從應(yīng)用領(lǐng)域來(lái)說(shuō)，國(guó)內(nèi)變頻調(diào)速技術(shù)在經(jīng)過(guò)幾年的應(yīng)用推廣下已得到了較快的發(fā)展，變頻調(diào)速技術(shù)的領(lǐng)域已初步涉及到電子、機(jī)械、石化、冶煉、紡織、汽車等多種行業(yè)，應(yīng)用范圍已覆蓋注塑機(jī)、空壓機(jī)、空調(diào)、恒壓供水、紡織機(jī)等各種交流電機(jī)設(shè)備。         

從發(fā)展區(qū)域來(lái)說(shuō)，變頻調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用在我國(guó)沿海省份和南方城市發(fā)展較快，目前已有向內(nèi)地快速滲透的趨勢(shì)。

1.4變頻調(diào)速的優(yōu)點(diǎn)        

變頻調(diào)速的優(yōu)點(diǎn)主要有如下一些優(yōu)點(diǎn)： 

1、調(diào)速范圍寬，可以使普通異步電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速；

2、啟動(dòng)電流小，而啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大； 

3、啟動(dòng)平滑，消除機(jī)械的沖擊力，保護(hù)機(jī)械設(shè)備；

4、對(duì)電機(jī)具有保護(hù)功能，降低電機(jī)的維修費(fèi)用；

5、具有顯著的節(jié)電效果； 

6、通過(guò)調(diào)節(jié)電壓和頻率的關(guān)系方便的實(shí)現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩或者恒功率調(diào)速。

二．變頻器發(fā)展過(guò)程和研究的相關(guān)技術(shù)

2.1變頻器的發(fā)展史            

早期通用變頻器如東芝TOSVERT－130系列、FUJI FVRG5／P5系列，SANKEN SVF系列等大多數(shù)為開環(huán)恒壓比(V/F=常數(shù))的控制方式。其優(yōu)點(diǎn)是控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本較低，缺點(diǎn)是系統(tǒng)性能不高，比較適合應(yīng)用在風(fēng)機(jī)、水泵場(chǎng)合。具體來(lái)說(shuō)，其控制曲線會(huì)隨著負(fù)載的變化而變化；轉(zhuǎn)矩響應(yīng)慢，電機(jī)轉(zhuǎn)矩利用率不高，低速時(shí)因定子電阻和逆變器死區(qū)效應(yīng)的存在而性能下降穩(wěn)定性變差等。對(duì)變頻器U／F控制系統(tǒng)的改造主要經(jīng)歷了三個(gè)階段；

*階段：         

八十年代初有學(xué)者提出了基本磁通軌跡的電壓空間矢量(或稱磁通軌跡法)。該方法以三相波形的整體生成效果為前提，以逼近電機(jī)氣隙的理想圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)軌跡為目的，一次生成二相調(diào)制波形。這種方法被稱為電壓空間矢量控制。典型機(jī)種如1989年前后進(jìn)入中國(guó)市場(chǎng)的FUJI(富士)FRN5OOOG5/P5、SANKEN(三墾)MF系列等。          

之后，1991年由富士電機(jī)推出大家熟知的FVR與FRNG7／P7系列的設(shè)計(jì)中，三菱，東芝也都有類似的產(chǎn)品。然而，在上述四種方法中，由于未引入轉(zhuǎn)矩的調(diào)節(jié)，系統(tǒng)性能沒有得到根本性的改善。 

第二階段： 

       矢量控制。也稱磁場(chǎng)定向控制。它是七十年代初由西德 F.Blasschke等人首先提出，以直流電動(dòng)機(jī)和交流電動(dòng)機(jī)比較的方法分析闡述了這一原理，由此開創(chuàng)了交流電動(dòng)機(jī)等效直流電動(dòng)機(jī)控制的先河。它使人們看到交流電動(dòng)機(jī)盡管控制復(fù)雜，但同樣可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩、磁場(chǎng)獨(dú)立控制的內(nèi)在本質(zhì)。 

        矢量控制的基本點(diǎn)是控制轉(zhuǎn)子磁鏈，以轉(zhuǎn)子磁通定向，然后分解定子電流，使之成為轉(zhuǎn)矩和磁場(chǎng)兩個(gè)分量，經(jīng)過(guò)坐標(biāo)變換實(shí)現(xiàn)正交或解耦控制。但是，由于轉(zhuǎn)子磁鏈難以準(zhǔn)確觀測(cè)，以及矢量變換的復(fù)雜性，使得實(shí)際控制效果往往難以達(dá)到理論分析的效果，這是矢量控制技術(shù)在實(shí)踐上的不足。此外，它必須直接或間接地得到轉(zhuǎn)子磁鏈在空間上的位置才能實(shí)現(xiàn)定子電流解耦控制，在這種矢量控制系統(tǒng)中需要配留轉(zhuǎn)子位置或速度傳感器，這顯然給許多應(yīng)用場(chǎng)合帶來(lái)不便。盡管如此，矢量控制技術(shù)仍然在努力融入通用型變頻器中，1992年開始，德國(guó)西門子開發(fā)了6SE70通用型系列，通過(guò)FC、VC、SC板可以分別實(shí)現(xiàn)頻率控制、矢量控制、伺服控制。1994年將該系列擴(kuò)展至315KW以上。目前，6SE70系列除了200KW以下價(jià)格較高，在200KW以上有很高的性價(jià)比。 

第三階段： 

        1985年德國(guó)魯爾大學(xué)Depenbrock教授首先提出直接轉(zhuǎn)矩控制理論(Direct Torque Control簡(jiǎn)稱DTC)。直接轉(zhuǎn)矩控制與矢量控制不同，它不是通過(guò)控制電流、磁鏈等量來(lái)間接控制轉(zhuǎn)矩，而是把轉(zhuǎn)矩直接作為被控量來(lái)控制。

轉(zhuǎn)矩控制的*性在于：轉(zhuǎn)矩控制是控制定子磁鏈，在本質(zhì)上并不需要轉(zhuǎn)速信息；控制上對(duì)除定子電阻外的所有電機(jī)參數(shù)變化魯棒性良好；所引入的定子磁鍵觀測(cè)器能很容易估算出同步速度信息。因而能方便地實(shí)現(xiàn)無(wú)速度傳感器化。這種控制方法被應(yīng)用于通用變頻器的設(shè)計(jì)之中，是很自然的事，這種控制被稱為無(wú)速度傳感器直接轉(zhuǎn)矩控制。然而，這種控制依賴于的電機(jī)數(shù)學(xué)模型和對(duì)電機(jī)參數(shù)的自動(dòng)識(shí)別，通過(guò)ID運(yùn)行自動(dòng)確立電機(jī)實(shí)際的定子阻抗互感、飽和因素、電動(dòng)機(jī)慣量等重要參數(shù)，然后根據(jù)的電動(dòng)機(jī)模型估算出電動(dòng)機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)矩、定子碰鏈和轉(zhuǎn)子速度，并由磁鏈和轉(zhuǎn)矩的Band－Band控制產(chǎn)生PWM信號(hào)對(duì)逆變器的開關(guān)狀態(tài)進(jìn)行控制。這種系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)很快的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)速度和很高的速度、轉(zhuǎn)矩控制精度。                   

   1995年ABB公司首先推出的ACS600直接轉(zhuǎn)矩控制系列，已達(dá)到<2ms的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)速度在帶PG時(shí)的靜態(tài)速度精度達(dá)土0.01%，在不帶PG的情況下即使受到輸入電壓的變化或負(fù)載突變的影響，可以達(dá)到正負(fù)0.1％的速度控制精度。其他公司也以直接轉(zhuǎn)矩控制為努力目標(biāo)，如安川VS－676H5高性能無(wú)速度傳感器矢量控制系列，雖與直接轉(zhuǎn)矩控制還有差別，但它也已做到了100ms的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)和正負(fù)0.2%(無(wú)PG)，正負(fù)0.01％(帶 PG)的速度控制精度，轉(zhuǎn)矩控制精度在正負(fù)3％左右。其他公司如富士電機(jī)推出的FRN 5000G9／P9以及的FRN5000Gll／P11系列出采取了類似無(wú)速度傳感器控制的設(shè)計(jì)，性能有了進(jìn)一步提高，然而變頻器的價(jià)格并不比以前的機(jī)型昂貴多少。        

控制技術(shù)的發(fā)展*得益于微處理機(jī)技術(shù)的發(fā)展，自從1991年IN公司推出8X196MC系列以來(lái)，專門用于電動(dòng)機(jī)控制的芯片在品種、速度、功能、性價(jià)比等方面都有很大的發(fā)展。如三菱電機(jī)開發(fā)用于電動(dòng)機(jī)控制的M37705、M7906單片機(jī)和美國(guó)德州儀器的TMS320C240DSP等都是頗具代表性的產(chǎn)品。

2.2變頻技術(shù)的發(fā)展過(guò)程

變頻技術(shù)是應(yīng)交流電機(jī)無(wú)級(jí)調(diào)速的需要而誕生的。20世紀(jì)60年代后半期開始，電力電子器件從SCR(晶閘管)、GTO(門極可關(guān)斷晶閘管)、BJT(雙極型功率晶體管)、MOSFET(金屬氧化物場(chǎng)效應(yīng)管)、SIT(靜電感應(yīng)晶體管)、SITH(靜電感應(yīng)晶閘管)、MGT(MOS控制晶體管)、MCT(MOS控制品閘管)發(fā)展到今天的IGBT(絕緣柵雙極型晶體管)、HVIGBT(耐高壓絕緣柵雙極型晶閘管)，器件的更新促使電力變換技術(shù)的不斷發(fā)展。20世紀(jì)70年代開始，脈寬調(diào)制變壓變頻(PWM—VVVF)調(diào)速研究引起了人們的高度重視。20世紀(jì)80年代，作為變頻技術(shù)核心的PWM模式優(yōu)化問(wèn)題吸引著人們的濃厚興趣，并得出諸多優(yōu)化模式，其中以鞍形波PWM模式效果*。20世紀(jì)80年代后半期開始，美、德、英等發(fā)達(dá)國(guó)家的VVVF變頻器已投入市場(chǎng)并廣泛應(yīng)用。

2.3主要的研究開發(fā)項(xiàng)目     

(1)數(shù)字控制的大功率交--交變頻器供電的傳動(dòng)設(shè)備。       

(2)大功率負(fù)載換流電流型逆變器供電的傳動(dòng)設(shè)備在抽水蓄能電站、大型風(fēng)機(jī)和泵上的推廣應(yīng)用。      

(3)電壓型GTO逆變器在鐵路機(jī)車上的推廣應(yīng)用。      

(4)電壓型IGBT、IGCT逆變器供電的傳動(dòng)設(shè)備擴(kuò)大功能，改善性能。如4象限運(yùn)行，帶有電極參數(shù)自測(cè)量與自設(shè)定和電機(jī)參數(shù)變化的自動(dòng)補(bǔ)償以及無(wú)傳感器的矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制等。      

(5)風(fēng)機(jī)和泵用高壓電動(dòng)機(jī)的節(jié)能調(diào)速研究。*，風(fēng)機(jī)和泵改用調(diào)速傳動(dòng)后節(jié)約大量電力。特別是電壓電動(dòng)機(jī)，容量大，節(jié)能效果更顯著。研究經(jīng)濟(jì)合理的高壓電動(dòng)機(jī)調(diào)速方法是當(dāng)今重大課題。

2.4主要的研究關(guān)鍵技術(shù)      

(1)高壓、大電流技術(shù)：動(dòng)態(tài)、靜態(tài)均壓技術(shù)(6kV、10kV回路中3英寸晶閘管串聯(lián)，靜動(dòng)態(tài)均壓系數(shù)大于0.9)；均流技術(shù)，大功率晶閘管并聯(lián)的均流技術(shù)，均流系數(shù)大于0.85)；浪涌吸收技術(shù)(10kV、6kV回路中)；光控及電磁觸發(fā)技術(shù)(電/光，光/電變換技術(shù))；導(dǎo)熱與散熱技術(shù)(主要解決導(dǎo)熱及散熱性好、電流出力大的技術(shù)，如熱管散熱技術(shù))；高壓、大電流系統(tǒng)保護(hù)技術(shù)(抗大電流電磁力結(jié)構(gòu)、絕緣設(shè)計(jì))；等效負(fù)載模擬技術(shù)。      

(2)新型電力電子器件的應(yīng)用技術(shù)：可關(guān)斷驅(qū)動(dòng)技術(shù)；雙PWM逆變技術(shù)；循環(huán)變流 / 電流型交-直-交(CC/CSI0)變流技術(shù)(12脈波變頻技術(shù))；同步機(jī)交流勵(lì)磁變速運(yùn)行技術(shù)；軟開關(guān)PWM變流技術(shù)。      

(3)全數(shù)字自動(dòng)化控制技術(shù)：參數(shù)自設(shè)定技術(shù)；過(guò)程自優(yōu)化技術(shù)；故障自診斷技術(shù)；對(duì)象自辨識(shí)技術(shù)。     

(4)現(xiàn)代控制技術(shù)：多變量解耦控制技術(shù)；矢量控制和直接力矩控制技術(shù)；自適應(yīng)技術(shù)。 

三．變頻器目前現(xiàn)狀和存在的問(wèn)題 

3.1今后幾年變頻器產(chǎn)品的國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)狀況            

變頻調(diào)速技術(shù)以其顯著的節(jié)電效果、優(yōu)良的調(diào)速性能以及廣泛的適用性而成為電氣傳動(dòng)發(fā)展的主流方向。  

中國(guó)大部分用戶對(duì)于應(yīng)用變頻器首先是通過(guò)國(guó)外變頻器來(lái)獲得認(rèn)識(shí)的。因此中國(guó)變頻器產(chǎn)業(yè)的發(fā)展與生俱來(lái)便是處于與狼共舞。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)僅待調(diào)速節(jié)能的風(fēng)機(jī)就有4000萬(wàn)臺(tái)，耗電約1500億kWh，節(jié)能潛力達(dá)450kWh/年；我國(guó)電網(wǎng)總?cè)萘繛?/span>3.5億kW，電機(jī)年耗用量約為86724億kWh，其中高壓電機(jī)占50%～60%，這是一個(gè)龐大的市場(chǎng)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)1993年變頻器總銷售額為4億元，1995年為7億元，1999年為20億元，可見，調(diào)速變頻器尤其是高壓變頻器市場(chǎng)還處于初期開發(fā)階段，但其20%～30%高速增長(zhǎng)的速度及十五期間300多億的市場(chǎng)容量，吸引了眾多廠家和資金的投入，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)加劇。

當(dāng)今世界各方面因素正沖擊著電力工業(yè)，在國(guó)外電力生產(chǎn)商之間充斥著十分劇烈的競(jìng)爭(zhēng)，而世界范圍內(nèi)電力生產(chǎn)的市場(chǎng)化加速了生產(chǎn)商采用新技術(shù)；其次，嚴(yán)格的環(huán)境要求給所有的電力供應(yīng)商增加了額外的責(zé)任，使電力自動(dòng)化設(shè)備尤其是高壓大功率變頻器的市場(chǎng)開發(fā)空間大大拓展。另外高壓變頻器的zui終用戶對(duì)變頻器的自動(dòng)控制、節(jié)能、環(huán)保意識(shí)越來(lái)越強(qiáng)烈，迫使其上游提供者尤其是系統(tǒng)集成商更加重視顧客變頻調(diào)速技術(shù)方面的需要，系統(tǒng)集成商將成為一個(gè)重要的銷售渠道。

由于國(guó)產(chǎn)廠家制造變頻器歷史比較短，技術(shù)積累相對(duì)較少。國(guó)內(nèi)自動(dòng)化行業(yè)的部分人士對(duì)國(guó)產(chǎn)變頻器缺乏信心。但是未來(lái)變頻器的發(fā)展趨勢(shì)一定是走國(guó)產(chǎn)化的路，就象國(guó)產(chǎn)彩電工業(yè)一樣。提高國(guó)產(chǎn)產(chǎn)品的質(zhì)量是亟待解決的首要問(wèn)題，從目前國(guó)內(nèi)的眾多品牌來(lái)看，真正能給國(guó)外比如富士、三菱、西門子、ABB等帶來(lái)沖擊的為數(shù)不多。經(jīng)過(guò)幾年的競(jìng)爭(zhēng)，國(guó)內(nèi)已有幾個(gè)品牌技術(shù)應(yīng)該是比較成熟的，它們已能挑戰(zhàn)國(guó)外的品牌，而且這支隊(duì)伍還在不斷擴(kuò)大。因?yàn)樵诟?jìng)爭(zhēng)中，國(guó)內(nèi)無(wú)論是技術(shù)和銷售體系會(huì)有一個(gè)質(zhì)的突變。但目前通用變頻器市場(chǎng)上競(jìng)爭(zhēng)往往停留在價(jià)格上的拼殺。當(dāng)今家電行業(yè)及開關(guān)電源行業(yè)的發(fā)展歷程告訴我們只要堅(jiān)持不懈地努力，就可以實(shí)現(xiàn)變頻器行業(yè)國(guó)產(chǎn)化產(chǎn)品的輝煌。   大功率高速開關(guān)器件串聯(lián)這一世界難題的解決，實(shí)現(xiàn)了用低壓器件對(duì)高壓電能變換的控制，使人類從此可以對(duì)幾千伏、幾萬(wàn)伏、幾十萬(wàn)伏的高壓電能運(yùn)用電子技術(shù)進(jìn)行任意控制，如變頻、直流輸電、城市電網(wǎng)穩(wěn)壓、無(wú)功補(bǔ)償、有源濾波、大功率驅(qū)動(dòng)、蓄能電站控制等，必將提高到一個(gè)嶄新的水平，使電子技術(shù)的二次革命得以zui后完成。而直接速度控制理論(DSC)的誕生，則標(biāo)志著中國(guó)在電機(jī)控制技術(shù)方面不僅超越了自我，也超越了國(guó)外同行。

四．變頻器的發(fā)展趨勢(shì) 

4.1變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)           

   變頻調(diào)速是zui有發(fā)展前途的一種交流調(diào)速方式。目前，變頻器調(diào)速控制系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于機(jī)械、冶金、礦山、化工、石油、紡織、造紙、印染、水泥、船舶、鐵路等行業(yè)。          

   由于變頻器在空調(diào)、電梯、冶金、機(jī)械等行業(yè)的廣泛應(yīng)用，變頻調(diào)速電機(jī)和與之配套的變頻器發(fā)展迅速。據(jù)機(jī)械信息研究院的統(tǒng)計(jì)，2000年，中國(guó)變頻器市場(chǎng)容量接近30億元。其中ri本，歐美品牌占據(jù)主導(dǎo)地位，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)商經(jīng)過(guò)近幾年的高速發(fā)展，業(yè)已占領(lǐng)了很大一部分低端市場(chǎng)。目前變頻器的國(guó)內(nèi)電機(jī)配比率仍低于1%，潛在市場(chǎng)巨大，國(guó)內(nèi)變頻器市場(chǎng)在未來(lái)的5~10年內(nèi)仍將保持高速發(fā)展。

4.2變頻器主要發(fā)展方向     

(1)實(shí)現(xiàn)高水平的控制?；陔妱?dòng)機(jī)和機(jī)械模型的控制策略，有矢量控制、磁場(chǎng)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*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)清潔電能的變流器。所謂清潔電能變流器是指變流器的功率因數(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)中小容量變流器，提高開關(guān)頻率的PWM控制是有效的。對(duì)大容量變流器，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。緊湊型變流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。