变频器的发展史

三、电力电子器件发展与现状


电力电子器件的发展主要经历以下四代： 第一代产品 主要标志是器件本身没有关断能力; 第二代产品 主要标志是器件本身有关断能力; 第三代产品 主要标志是一些性能优异的复合型器件 和功率集成电路; 第四代产品 主要标志是集性能优异的复合型、集成 电路及智能型的综合功能的功率器件
四、国产变频器发展与现状
变频器是运动控制系统中的功率变换器。当今的 运动控制系统是包含多种学科的技术领域，总的 发展趋势是：驱动的交流化，功率变换器的高频 化，控制的数字化、智能化和网络化。因此，变 频器作为系统的重要功率变换部件，提供可控的 高性能变压变频的交流电源而得到迅猛发展。
二、变频器控制方式发展和现状
低压通用变频输出电压分380V级和660V级 ，输出功 率在0.75 ~ 400kW，工作频率在0 ~ 400Hz，它的主 电路都采用交-直-交电路。其控制方式经历以下四代： 第一代 第二代 第三代 第四代 以U/f = C，正弦脉宽调制(SPWM) ; 以电压空间矢量（磁通轨迹法），又称 SVPWM控制方式； 以矢量控制（磁场定向法）又称VC控制; 以直接转矩控制，又称DTC控制。
电压空间矢量（磁通轨迹法）控制方式。
Ud/2 Sa Sb Sc
Ud/2
三相逆变桥

电压矢量图
S(a,b,c)=1,上管导通； S(a,b,c)=0,下管导通。
二、变频器控制方式发展和现状
第三代
特点
以矢量控制（磁场定向法）又称VC控制
矢量控制变频调速的做法是：将异步电动机 在三相坐标系下的定子交流电流Ia、Ib、Ic、通过三 相—二相变换，等效成两相静止坐标系下的交流电流 Ia1Ib1，再通过按转子磁场定向旋转变换，等效成同 步旋转坐标系下的直流电流Im1、It1（Im1相当于直 流电动机的励磁电流；It1相当于与转矩成正比的电枢 电流），然后模仿直流电动机的控制方法，求得直流 电动机的控制量，经过相应的坐标反变换，实现对异 步电动机的控制。


三、电力电子器件发展与现状
具有寄生晶体管的IGBT等效电路
IGBT的等效电路和符号
三、电力电子器件发展与现状

第四代产品 主要标志是集性能优异的复合型、高压、
集成电路及智能型的综合功能的功率器件。
高压IGBT器件 HVIGBT 耐压达3300V siemens IGCT(insulated gate controlled transistor)器件 ABB IEGT(injection enhanced gate transistor)器件 GE SGCT(symmetrical gate commutated thyristor)器件 高压、大容量、全控型功率器件。 电力电子模块化更为成熟。如：智能化模块IPM
三、电力电子器件发展与现状
电力电子技术是高新技术产业发展的基础技术之一。是传统产业 改造的重要手段。自1955年用硅代替锗制成了电力用二极管，到 1957年第一个普通晶闸管诞生以来，电力电子器件已形成了一个 大家族，进入了第三代，1974年W.E.Newell提出电力电子是由电 力、电子、控制三门学科结合形成的一门新的电工学领域，其任 务是解决用半导体器件对电力进行变换和控制的一门学科。电力 电子学的形成如下图：
二、变频器控制方式发展与现状
转矩控制的优越性：转矩控制是控制定子磁链，在本质上并 不需要转速信息；控制上对除定子电阻外的所有电机参数变 化鲁棒性良好；所引入的定子磁键观测器能很容易估算出同 步速度信息。因而能方便地实现无速度传感器化。这种控制 方法被应用于通用变频器的设计之中，是很自然的事，这种 控制被称为无速度传感器直接转矩控制。然而，这种控制依 赖于精确的电机数学模型和对电机参数的自动识别 （Identification向你ID),通过ID运行自动确立电机实际的定 子阻抗互感、饱和因素、电动机惯量等重要参数，然后根据 精确的电动机模型估算出电动机的实际转矩、定子碰链和转 子速度，并由磁链和转矩的Band－Band控制产生PWM信号 对逆变器的开关状态进行控制。这种系统可以实现很快的转 矩响应速度和很高的速度、转矩控制精度。
四、国产变频器发展与现状
国内变频器市场
2004年品牌市场占有率如右表：
四、国产变频器发展与现状
国产变频器发展总趋势
变频器是运动控制系统中的功率变换器。 当今的运动控制系统是包含多种学科的技术领 域，总的发展趋势是：驱动的交流化，功率变 换器的高频化，控制的数字化、智能化和网络 化。因此，变频器作为系统的重要功率变换部 件，提供可控的高性能变压变频的交流电源而 得到迅猛发展。
第二代产品 主要标志是器件本身有关断能力
品质因数的标准是功率*频率 大功率晶体管（BJT) 可关断晶闸管（GTO） Gate Turn Off Thyristor 功率场效应晶体管（POWER MOSFET) 静电感应晶体管（SIT) Satic Induction Transistor SIT实际上是一种结型电力场效应晶体管，其电压、电流容量 都比MOSFET大，适用于高频大功率的场合。栅极加负偏压 时关断，不加任何信号时为导通。 静电感应晶闸管（SITH) Satic Induction Thyristor SITH特性和GTO类似，但是开关速度比GTO高得多，是大容 量的快速器件。

四、国产变频器发展与现状
国内变频器市场 国产变频器发展趋势
四、国产变频器发展与现状
国内变频器市场
中国的变频器市场目前正处于一个高速增长的 时期，在空调、电梯、冶金、机械等行业得到广泛 应用。据统计，在过去的几年内中国变频器的市场 保持着12％－15％的增长率，这个速度已经远远超 过了近几年的GDP增长水平，而且至少在未来的5年 内保持着10％以上的增长率。 虑到大约4-6％ 的价格下降，中国市场上变频 器安装容量（功率）的增长实际上在20％左右。按 照这样的发展速度和中国市场的需求计算，至少在 10年以后市场才能饱和并逐渐成熟。因此，中国变 频器市场具有广阔的发展空间。
二、变频器控制方式发展和现状
变频技术是应交流电机无级调速的需要而诞生的。20世 纪80年代，作为变频技术核心的PWM模式优化问题吸引 着人们的浓厚兴趣，并得出诸多优化模式，如以鞍形波 PWM模式、电压空间相量PWM模式等。20世纪80年代后 半期开始，欧美发达国家的VVVF(Variable Voltage Variable Frequency)变频器已投入市场并广泛应用。
二、变频器控制方式发展和现状
说明： SPWM: Sine Pulse Width Modulation SVPWM:Sine Vector Pulse Width Modulation VC:Vector Control DTC: Direct Torque Control
二、变频器控制方式发展和现状
变频器发展史介绍
技术部： 叶身学
变频器发展史介绍
一、变频器发展总述 二、变频器控制方式的发展与现状 三、电力电子器件的发展与现状 四、国产变频器的发展与现状
一、变频器发展总述
1. 变频器的产生与发展
当今变频器产业得到飞速发展，变频器产品的产 业化规模日趋壮大。交流变频器自20世纪60年代左 右问世，到20世纪80年代在主要工业化国家已广泛 使用，而从20世纪90年代以来，随着人们节能环保 意识的加强，变频器的应用越来越普及。
二、变频器发展总述
2. 变频器的优点
由于变频器体积小、重量轻、精度高、工艺先进、功能丰富、保护齐全、 可靠性高、操作简便、通用性强、易形成闭环控制等优点，它优于以往 的任何调速方式，如变极调速、调压调速、滑差调速、串级调速、整流 子电机调速、液力耦合调速等，因而深受钢铁、有色、石油、石化、化 工、化纤、纺织、机械、电力、建材、煤炭、医药、造纸、卷烟、城市 供水及污水处理等行业的欢迎。
三、电力电子器件发展与现状
① 可关断晶闸管的结构、等效电路、电气符号示意图
三、电力电子器件发展与现状
②
门极驱动电路的基本形式
三、电力电子器件发展与现状

第三代产品 主要标志是一些性能优异的复合型器件
和功率集成电路; 品质因数的主要标准是容量、开关速度、驱动功率、 通态压降、芯片利用率等。 绝缘栅极双极型晶体管 绝缘栅极双极型晶体管是双极型电力晶体管和 MOSFET的复合。IGBT是Insulated Gate Bipolar transistor的缩写。电力晶体管饱和压降低，载流密度 大，但驱动电流较大。MOSFET驱动功率小，开关速度 快，但导通压降大，载流密度小。IGBT综合了以上两 种器件的优点，驱动功率小而饱和压降低。
二、变频器发展总述
3. 变频器的市场 我国的变频器市场总体规模并不大，但是国民经 济近几年的快速增长大大带动了变频器市场的容量， 2004年其总体销售业绩在61亿左右，今后还将以平均 10％以上的速度发展。 市场容量的扩大也带动了变频器国产化的规模， 今天的国产变频器无论是质量还是产量都已经上了一 个台阶。
三、电力电子器件发展与现状
第一代产品：器件本身没有关断能力
品质因数主要标准是大容量，即：电流*电压。 普通晶闸管 光控晶闸管 快速晶闸管 逆导晶闸管 双向晶闸管 4000V/3000A 8000V/3000A 1200V/1500A 2500V/1000A 1200V/300A
三、电力电子器件发展与现状
第一代 以U/f = C，正弦脉宽调制(SPWM) 特点：控制电路结构简单、成本较低，机械特性硬度也较 好，能够满足一般传动的平滑调速要求，已在产业的各个 领域得到广泛应用。这种控制方式在低频时，由于输出电 压较小，受定子电阻压降的影响比较显著，故造成输出最 大转矩减小。另外，其机械特性终究没有直流电动机硬， 动态转矩能力和静态调速性能都还不尽如人意，但系统性 能不高、控制曲线会随负载的变化而变化，转矩响应慢、 电机转矩利用率不高，低速时因定子电阻和逆变器死区效 应的存在而性能下降，稳定性变差等。
二、变频器控制方式发展与现状
第二代 以电压空间矢量（磁通轨迹法），又称 SVPWM 控制方式。 特点 它是以三相波形整体生成效果为前提，以逼近电 机气隙的理想圆形旋转磁场轨迹为目的，一次生成三相调 制波形。以内切多边形逼近圆的方式而进行控制的。经实 践使用后又有所改进：引入频率补偿，能消除速度控制的 误差；通过反馈估算磁链幅值，消除低速时定子电阻的影 响；将输出电压、电流成闭环，以提高动态的精度和稳定 度。但控制电路环节较多，且没有引入转矩的调节，所以 系统性能没有得到根本改善。
二、变频器控制方式发展与现状
矢量控制的实质是将交流电动机等效直流电动机，分别 对速度，磁场两个分量进行独立控制。通过控制转子磁 链，以转子磁通定向，然后分解定子电流而获得转矩和 磁场两个分量，经坐标变换，实现正交或解耦控制。然 而转子磁链难以准确观测，以及矢量变换的复杂性，实 际效果不如理想的好。矢量控制方法的提出具有划时代 的意义。 缺点：然而在实际应用中，由于转子磁链难以准确观测， 系统特性受电动机参数的影响较大，且在等效直流电动 机控制过程中所用矢量旋转变换较复杂，使得实际的控 制效果难以达到理想分析的结果。
二、变频器控制方式发展与现状
第四代 以直接转矩控制，又称DTC控制
1985年德国鲁尔大学Depenbrock教授首先提出直 接转矩控制理论（Direct Torque Control简称DTC）。直 接转矩控制与矢量控制不同，它不是通过控制电流、磁 链等量来间接控制转矩，而是把转矩直接作为被控量来 控制。
三、电力电子源自文库件发展与现状
到20世纪60年代，随着晶闸管(SCR)功率的不断增 大，才使变频调速具有了现实可能性。而使变频调速 器达到普及应用的阶段（欧美国家），则是在20世纪 70年代，大功率晶体管（GTR)问世之后。到20世纪90 年代，场效应晶体管、IGBT的出现和不断提高，又使 变频调速器在各个方面前进了一步。 可见，变频器的产生、成长和发展，是和电力电子 功率器件的进步密不可分的。