变频器的发展过程

1、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

2、、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

3、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

4、 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

5、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

6、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

7、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

8、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

9、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

10、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 了传统的直流调速系统，在诸多方面，都优于直流电动机调速。因此，在各领域中，得到 了广泛的使用。利用变频器，对交流电动机进行调速控制的交流拖动系统，有许多优点。诸如容易实 现对现

11、有电动机的调速控制，可以实现大范围内的高效连续调速控制；容易实现电动机的 正反转切换。可以连续高频度地起停运行；可以适应各种环境下工作，可以用一台变频器 对多台电动机进行控制，电源功率因数大，可以组成高性能的控制系统等等。以往，风机、水泵采用恒速交流电动机拖动，通过调节挡板或阀门开度大小来调节风 量和流量。这势必造成电能的浪费。若利用变频器调速技术，以调节电动机转速的方式取 代调节挡板和阀门，则可以达到节能的目的。因为这类负载的输人功率和转速的三次方成 正比，利用调速使流量减少，则异步电动机的输人电功率按立方规则下降，从而使耗电量 大大降低，节能效果十分显著，达到20以上。在采用了变频器的交流

12、拖动系统中，异步电动机的调速控制，是通过改变变频器的输 出频率实现的。因此，可以通过控制变频器的输出频率，使电动机工作在较宽广的调速范 围内。并可以达到提高运行效率的目的。通用性变频器的调速范围可以达到1:10以上，而高性能的矢量控制变频器的调速范 围可以达到1:1000。当采用矢量控制方式的变频器，对异步电动机进行调速时，还可以直 接控制电动机的输出转矩。因此，高性能的矢量控制变频器与变频器专用电动机的组合， 在控制性能方面，可以超过髙精度直流伺服电动机的控制性能。利用电网电源运行的交流调速系统，为了实现正反转切换，必须利用幵闭器等装置对 电源进行换相切换。利用变频器调速控制时，只需通过控制

13、信号，就能改变变频器内部逆 变电路换流器件幵关顺序，达到对输出进行换相的目的电网电源运行下的电动机进行正反转切换时，如果在电动机尚未停止时，电源相序进 行切换，电动机内部将会产生大于起动电流的电流，有烧毁电动机的危险。所以通常必须 等电动机完全停止后，才能进行换相操作。而采用变频器的交流调速系统中，可根据需要 随时向变频器发出正反转切换控制信号。变频器将改变输出频率，使电动机按预选设定的 斜坡函数规律进行减速。并在电动机减速至极低范围后，变频器进行换相输出。相序切换 后，变频器的输出频率又按照斜坡函数规律进行加速，从而达到限制加速度的目的。这 样，电动机在整个换相、正反转切换过程中的电流可以很

14、小，避免了冲击大电流和大的机 械冲击。传统的控制电动机起动电流的诸多方法，既复杂效果又不理想。利用变频器的交流调 速系统，可以方便地对变频器进行加减时间的设定，从而解决了电动机起动电流较大，对 电网冲击的问题和电动机频繁起动发热的问题。利用变频器的调速控制系统，电动机可以 进行较髙频度的起停运行，而且，电动机功耗和发热较小，对电网冲击较小。在变频器调速控制系统中，当变频器的输出频率，降至低于电动机的实际转速所对应 的频率时，负载的机械能将被转换为电能，并被回馈到变频器，而变频器则可以利用自己 的制动回路，将这部分能量以热能消耗或回馈给供电电网，并形成电气制动。此外，还有 些变频器具有直流制动的功能。当需要制动时，变频器可以提供直流电源加到电动机上， 进行直流制动。由于变频器就是一个可以进行调频调压的交流电源。可以用一台变频器同时驱动多台 电动机，从而节约了设备的投资。而这对于直流调速系统来说，是很难做到的。变频器是通过交流一直流一交流的电源变换后，驱动异步电动机的。所以，利用变频 器驱动电动机的功率因索较高，而不受电动机功率因素的影响。对于直流电动机来说，由于受电刷和反相环等因索的制约，无法进行高速运转。而异 步电动机不存在上述的制约。理论上讲，异步电动机的转速是正比于电源的频率。只要有 高频电源驱动电动机，电动机就可以实现高速运行。目前的髙频变