变频器的发展过程

变频器的发展过程

变频器的发展过程

变频器技术的发展，其中主要以变频器控制方式的发展和电力电子器件的发展作为基础。

很久以来，交流调速取代直流调速一直是人们所希望的。在交流电动机调速控制方面，也进行了大量的研究工作，然而，一直未能取得满意的成果。直到1964年，法国人A.schcnung 和H.stemmler首先提出了把通讯技术的脉宽调制〈简称PWM)技术应用到交流调速系统中。从此，PWM速技术的研究引起了人们的髙度重视。

20世纪80年代，日本学者提出了磁通轨迹控制方式，使变频变压？技术（即u/f控制方式）成为变频器技术的核心。研究人员又继续着力于PWM技术的进一步研究，达到了调压调频的目的。

日本、北美、西欧一些发达国家，从20世纪80年代起，生产出了VVVF技术的变频器，而且很快就商业化，广泛地应用于工业生产之中。第一代变频器的性能尽管不尽人意，但已有较好的机械特性，能够满足一般交流电动机无极调速的要求。比较适合应用于风机、水泵等以节能为主要目的的调速场合，在这一领域内，迅速得到了普及应用。

上述这种U/f控制方式通用变频器，还不具备转矩控制的能力，只是变频器的原型。后来厂商，如日本的富士公司、三肯公司、德国的西门子公司，分别采用了新型的U/f控制方法，融人新的箅法，控制技术、功能和新工艺，在性能方面有了很大的改进。低频性能大大提高，并具备了自寻优运行功能，节电效果更好，已能满足一般工业控制的需要。我国近年进口的一些变频器绝大部分都是这种类型的性能。它是我国各领域广泛使用变频器的基础。

1968年德国人哈斯博士首先提出了磁场定向控制理论。1971年德国的伯拉斯切克又提出了异步电动机转子磁场定向矢量控制方法，并以直流电动机和交流电动机比较的方法，分析这一原理，使人们认识到尽管交流电动机电磁关系复杂，但同样可以实现转矩、磁场分别控制的方法。该理论提出了对寧链和磁转矩分别采用闭环控制，实现电流和磁场的解耦，进一步实现转子磁场定向矢量-制，使异步电动机的控制特性和他励直流电动机特性相似。在实用方面，人们进一步分析研究，发现对于一般异步电动机调速控制系统，可以采用较简单的转子磁场定向矢量控制，即所谓转差频率矢量控制。这是矢量控制型变频器的理论

基础。

1992年开始，德国西门子公司相继开发了6SE70系列通用变频器。它通过PE、VC、SC板可以分别实现频率控制、矢量控制、伺服控制等，并具有转矩控制功能和无跳闸性能。输出静态特性与普通型U/f控制方式通用变频器有很大的改进。机械特性硬于工频电网供电的异步电动机。这种典型的产品，属于髙功能性U/f控制方式通用变频器。在这个基础上，又开发生产了髙性能型矢量控制通用变频器。这种变频器在动态性能上，又有了很大的提高。

目前应用最多的还是髙功能型U/f控制方式通用变频器，它的性能足以满足大多数生产机械高质量调速控制的需要，只有特殊应用场合才考虑选用高性能矢量控制通用变频器. 1985年德国迪普布罗克首先提出了，基于六边形乃至圆形磁链轨迹的直接转矩控制理论。这种直接转矩控制不是通过控制电流磁链等量间接控制转矩。而是把转矩直接作为控制量来控制。实际上，就是用空间矢量的分析方法，以定子磁场定向方式，对定子磁链和电磁转矩进行直接控制。

1995年，ABB公司首先推出了直接转矩控制型通用变频器。目前已成为各系列通用变频器的核心技术。其动态转矩响应已达到小于2mm，在带速度传感器时的静态速度精度达±0.01%.不带速度传感器也可以达到±0.1%的速度控制精度。其他一些公司，也在以直接转矩控制作为努力目标。

电力电子器件的发展又是变频器技术发展的另一个基础。第一代以晶闸管(SCR)为代表的电力电子器件出现在20世纪50年代。它主要是电流控制型开关器件，以小电流控制大电流的变换。但其开关频率低，且导通后不能自关断。20世纪60年代有了门极关断晶闸管（CTO)，双极型电力晶体管（CTR)，是一种电流型自关断电力电于开关器件。20 世纪70年代开始应用金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）、MOS控制晶体管(MCT)、绝缘栅双极型晶体管（ICBT)。它们是一种电压型自关断电力电子器件，其开关频率高达劝20kHz，甚至20kHz以上。20世纪90年代末，智能模块问世且得到应用。它内部含有ICBT 芯片及外围的驱动电路和保护电路，甚至有霍尔传感器和光耦电路。

最近，日立公司开发的通用变频器专用集成功率模块（ISPM），将整流电路、逆变电路、逻辑控制、驱动和保护，电源电路全部集成在一块模块内。使通用变频器的体积大大缩小，引线减少。电力电子器件的发展，使通用变频器的性能有了很大的提高。

变频器的发展方向

变频器问世时间不长，但变频器技术的发展速度极快。它以优异的性能和广泛的适用范围以及许多优越性被世人所公认。变频器已在各行各业普及应用。但它毕竟还是一个新的领域，还有不尽人意之处，需要在现有的基础上进一步提高，还有极大的发展潜力和空间。

变频器的未来，主要从进一步优化控制技术、增大容量、减小体积、降低成本、减少对环境的噪音和电磁污染等方面发展。

变频器的控制技术，已经从U/f控制到矢量控制与直接转矩控制，使交流调速系统的性能有了很大提高。但尚有一些技术有待深人研究。诸如磁通的准确估计和观测，电动机参数的在线辨识等方面。

未来的变频器控制技术将在电动机模型的矢量控制、直接转矩控制的基础上，进一步得到发展。应用现代理论的模型参考自适应技术、多变量解耦控制技术、智能控制技术等等，将使变频器的性能更趋于完美。

随着电力电子器件的发展，大容量、高耐压开关器件开发，以及串、并联应用技术和控制技术的应用，实现了变频器大容量化的目的。智能功率模块（IPM）和复合集成功率模块的不断发展，它们集功率开关器件、驱动电路、保护电路在同一封装内，实现了变频器髙性能、高可靠性，小型化的发展方向。

减少变频器对环境的噪音和电磁污染，成为无公害的变频器，是人们所期望的，也是今后重视并将解决的问题。在通用变频器推广应用初期，噪音污染曾经是一个较突出的难题。ICBT开关器件的应用，使变频器的噪音污染问题得到了较好的解决。

采用二极管整流电路和电压型PWM逆变电路的变频器，产生高次谐波对周围环境产生电磁污染。目前一些变频器主回路串人直流电抗器、变频器的输出端加人交流电抗器等措施，一定程度上减少了对周围环境的考磁污染。随着変频器技术的发展，这些问题，都被人们所重视和不断地得到解决，使变频器最终成为“绿色产品”。

变频器在调速系统中的地位

在很长一段时间内，电力拖动调速系统中，基本上采用直流电动机。而交流电动机只能应用在不变速拖动系统中，或者对调速要求不高的场合。原因很简单，就是由于技术问题，交流电动机调速性能差，无法满足要求较高的调速系统的需要。

随着控制技术、电力电子技术、微电子技术和计箅机技术的发展，近年来，变频器技术发展迅猛，高性能的变频器应运而生。交流电动机调速系统不仅在性能指标上，已超过了