在當今工業(yè)社會，環(huán)保和節(jié)能顯得越來越重要，而變頻器在工業(yè)節(jié)能中發(fā)揮著越來越大和不可忽視作用。 一．變頻器的基本常識 1.1什么是變頻器 變頻器是利用電力半導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)過逆變器把這個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）三個主要部分組成。控制回路則由單片機、驅(qū)動電路和光電隔離電路組成。 1.3變頻器市場容量 當前，電機是我國主要的工業(yè)耗電設備，據(jù)清華大學電機權(quán)威人士統(tǒng)計，我國電機的總裝機容量已達4億千瓦，年耗電量達6000億千瓦時，約占工業(yè)耗電量的80%。我國在用的電機拖動系統(tǒng)總體裝備水平僅相當于發(fā)達國家50年代水平。另外據(jù)統(tǒng)計，對于塑膠行業(yè)的電費成本，約占整個生產(chǎn)成本的20%～50%。在發(fā)達國家，變頻器在電機投用的普及率已達到80%，而我國變頻器的運用還在起步階段，普及率不到10%。從以上可以看出，變頻調(diào)速系統(tǒng)在我國有著非常巨大的市場需求。 從應用領(lǐng)域來說，國內(nèi)變頻調(diào)速技術(shù)在經(jīng)過幾年的應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、機械、石化、冶煉、紡織、汽車等多種行業(yè)，應用范圍已覆蓋注塑機、空壓機、空調(diào)、恒壓供水、紡織機等各種交流電機設備。 從發(fā)展區(qū)域來說，變頻調(diào)速技術(shù)的應用在我國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。 1.4變頻調(diào)速的優(yōu)點 變頻調(diào)速的優(yōu)點主要有如下一些優(yōu)點： 1、調(diào)速范圍寬，可以使普通異步電動機實現(xiàn)無級調(diào)速； 2、啟動電流小，而啟動轉(zhuǎn)矩大； 3、啟動平滑，消除機械的沖擊力，保護機械設備； 4、對電機具有保護功能，降低電機的維修費用； 5、具有顯著的節(jié)電效果； 6、通過調(diào)節(jié)電壓和頻率的關(guān)系方便的實現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩或者恒功率調(diào)速。 二．變頻器發(fā)展過程和研究的相關(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)點是控制結(jié)構(gòu)簡單、成本較低，缺點是系統(tǒng)性能不高，比較適合應用在風機、水泵場合。具體來說，其控制曲線會隨著負載的變化而變化；轉(zhuǎn)矩響應慢，電機轉(zhuǎn)矩利用率不高，低速時因定子電阻和逆變器死區(qū)效應的存在而性能下降穩(wěn)定性變差等。對變頻器U／F控制系統(tǒng)的改造主要經(jīng)歷了三個階段； 第一階段： 八十年代初日本學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，以逼近電機氣隙的理想圓形旋轉(zhuǎn)磁場軌跡為目的，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。典型機種如1989年前后進入中國市場的FUJI（富士）FRN5OOOG5/P5、SANKEN（三墾）MF系列等。 之后，1991年由富士電機推出大家熟知的FVR與FRNG7／P7系列的設計中，三菱日立，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，以直流電動機和交流電動機比較的方法分析闡述了這一原理，由此開創(chuàng)了交流電動機等效直流電動機控制的先河。它使人們看到交流電動機盡管控制復雜，但同樣可以實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩、磁場獨立控制的內(nèi)在本質(zhì)。 矢量控制的基本點是控制轉(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)矩和磁場兩個分量，經(jīng)過坐標變換實現(xiàn)正交或解耦控制。但是，由于轉(zhuǎn)子磁鏈難以準確觀測，以及矢量變換的復雜性，使得實際控制效果往往難以達到理論分析的效果，這是矢量控制技術(shù)在實踐上的不足。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，這顯然給許多應用場合帶來不便。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，德國西門子開發(fā)了6SE70通用型系列，通過FC、VC、SC板可以分別實現(xiàn)頻率控制、矢量控制、伺服控制。1994年將該系列擴展至315KW以上。目前，6SE70系列除了200KW以下價格較高，在200KW以上有很高的性價比。 第三階段： 1985年德國魯爾大學Depenbrock教授首先提出直接轉(zhuǎn)矩控制理論（Direct Torque Control簡稱DTC）。直接轉(zhuǎn)矩控制與矢量控制不同，它不是通過控制電流、磁鏈等量來間接控制轉(zhuǎn)矩，而是把轉(zhuǎn)矩直接作為被控量來控制。 轉(zhuǎn)矩控制的優(yōu)越性在于：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；控制上對除定子電阻外的所有電機參數(shù)變化魯棒性良好；所引入的定子磁鍵觀測器能很容易估算出同步速度信息。因而能方便地實現(xiàn)無速度傳感器化。這種控制方法被應用于通用變頻器的設計之中，是很自然的事，這種控制被稱為無速度傳感器直接轉(zhuǎn)矩控制。然而，這種控制依賴于精確的電機數(shù)學模型和對電機參數(shù)的自動識別，通過ID運行自動確立電機實際的定子阻抗互感、飽和因素、電動機慣量等重要參數(shù)，然后根據(jù)精確的電動機模型估算出電動機的實際轉(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信號對逆變器的開關(guān)狀態(tài)進行控制。這種系統(tǒng)可以實現(xiàn)很快的轉(zhuǎn)矩響應速度和很高的速度、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，已達到<2ms的轉(zhuǎn)矩響應速度在帶PG時的靜態(tài)速度精度達土0.01%，在不帶PG的情況下即使受到輸入電壓的變化或負載突變的影響，可以達到正負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，如安川VS－676H5高性能無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)矩響應和正負0.2%（無PG），正負0.01％（帶 PG）的速度控制精度，轉(zhuǎn)矩控制精度在正負3％左右。其他公司如日本富士電機推出的FRN 5000G9／P9以及最新的FRN5000Gll／P11系列出采取了類似無速度傳感器控制的設計，性能有了進一步提高，然而變頻器的價格并不比以前的機型昂貴多少。 控制技術(shù)的發(fā)展完全得益于微處理機技術(shù)的發(fā)展，自從1991年INTEL公司推出8X196MC系列以來，專門用于電動機控制的芯片在品種、速度、功能、性價比等方面都有很大的發(fā)展。如日本三菱電機開發(fā)用于電動機控制的M37705、M7906單片機和美國德州儀器的TMS320C240DSP等都是頗具代表性的產(chǎn)品。 2.2變頻技術(shù)的發(fā)展過程 變頻技術(shù)是應交流電機無級調(diào)速的需要而誕生的。20世紀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（金屬氧化物場效應管）、SIT（靜電感應晶體管）、SITH（靜電感應晶閘管）、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80年代，作為變頻技術(shù)核心的PWM模式優(yōu)化問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模式效果最佳。20世紀80年代后半期開始，美、日、德、英等發(fā)達國家的VVVF變頻器已投入市場并廣泛應用。 2.3主要的研究開發(fā)項目 （1）數(shù)字控制的大功率交——交變頻器供電的傳動設備。 （2）大功率負載換流電流型逆變器供電的傳動設備在抽水蓄能電站、大型風機和泵上的推廣應用。 （3）電壓型GTO逆變器在鐵路機車上的推廣應用。 （4）電壓型IGBT、IGCT逆變器供電的傳動設備擴大功能，改善性能。如4象限運行，帶有電極參數(shù)自測量與自設定和電機參數(shù)變化的自動補償以及無傳感器的矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制等。 （5）風機和泵用高壓電動機的節(jié)能調(diào)速研究。眾所周知，風機和泵改用調(diào)速傳動后節(jié)約大量電力。特別是電壓電動機，容量大，節(jié)能效果更顯著。研究經(jīng)濟合理的高壓電動機調(diào)速方法是當今重大課題。 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)）；導熱與散熱技術(shù)（主要解決導熱及散熱性好、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)保護技術(shù)（抗大電流電磁力結(jié)構(gòu)、絕緣設計）；等效負載模擬技術(shù)。 （2）新型電力電子器件的應用技術(shù)：可關(guān)斷驅(qū)動技術(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)）；同步機交流勵磁變速運行技術(shù)；軟開關(guān)PWM變流技術(shù)。 （3）全數(shù)字自動化控制技術(shù)：參數(shù)自設定技術(shù)；過程自優(yōu)化技術(shù)；故障自診斷技術(shù)；對象自辨識技術(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)；自適應技術(shù)。 三．變頻器目前現(xiàn)狀和存在的問題 3.1今后幾年變頻器產(chǎn)品的國內(nèi)外市場狀況 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發(fā)展的主流方向。 中國大部分用戶對于應用變頻器首先是通過國外變頻器來獲得認識的。因此中國變頻器產(chǎn)業(yè)的發(fā)展與生俱來便是處于與狼共舞。據(jù)統(tǒng)計，我國僅待調(diào)速節(jié)能的風機就有4000萬臺，耗電約1500億kWh，節(jié)能潛力達450kWh/年；我國電網(wǎng)總?cè)萘繛?.5億kW，電機年耗用量約為86724億kWh，其中高壓電機占50%～60%，這是一個龐大的市場。據(jù)統(tǒng)計，我國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還處于初期開發(fā)階段，但其20%～30%高速增長的速度及十五期間300多億的市場容量，吸引了眾多廠家和資金的投入，市場競爭加劇。 當今世界各方面因素正沖擊著全球電力工業(yè)，在國外電力生產(chǎn)商之間充斥著十分劇烈的競爭，而世界范圍內(nèi)電力生產(chǎn)的市場化加速了生產(chǎn)商采用新技術(shù)；其次，嚴格的環(huán)境要求給所有的電力供應商增加了額外的責任，使電力自動化設備尤其是高壓大功率變頻器的市場開發(fā)空間大大拓展。另外高壓變頻器的最終用戶對變頻器的自動控制、節(jié)能、環(huán)保意識越來越強烈，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)集成商將成為一個重要的銷售渠道。 變頻器技術(shù)發(fā)展的另一個巨大推動力就是市場。一般講，在占工業(yè)用電50%～60%的風機、泵和壓縮機等通用機械上使用變頻調(diào)速裝置，可以節(jié)電30%左右。這一類通用機械的驅(qū)動電機一般是工頻電機，具有各種可供選擇功能的通用變頻器，其輸出頻率在0～400Hz之間，正適合這類機械。因此，通用變頻器應用非常廣泛，市場潛力很大，目前已形成規(guī)模生產(chǎn)，所以成本較低，價格便宜。相對于通用變頻器而言，專為某些有特殊要求的負載機械而設計制造的是專用變頻器。這類專用變頻器在國民經(jīng)濟各部門中也是必不可少的，但由于通用性不強，市場需求相對較小，因此成本較高。 3.2交流調(diào)速技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀以及存在的問題 近年來，交流調(diào)速在國內(nèi)外發(fā)展十分迅速，打破了過去直流拖動在調(diào)速領(lǐng)域中的統(tǒng)治地位，交流調(diào)速拖動已進入了與直流拖動相媲美、相競爭、相抗衡的時代，并有取代的趨勢，這是現(xiàn)代電力拖動發(fā)展的主要特征。 電機及電氣傳動技術(shù)在國際上已形成相當規(guī)模的應用產(chǎn)業(yè)，變頻器產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，首先需要得到國家宏觀政策的支持，其次作為生產(chǎn)廠家必須提高內(nèi)功，需要提高變頻器相關(guān)理論的研究工作，產(chǎn)品的設計和制造有關(guān)的技術(shù)，以及與產(chǎn)品應用有關(guān)的各種技術(shù)。 由于國產(chǎn)廠家制造變頻器歷史比較短，技術(shù)積累相對較少。國內(nèi)自動化行業(yè)的部分人士對國產(chǎn)變頻器缺乏信心。但是未來變頻器的發(fā)展趨勢一定是走國產(chǎn)化的路，就象國產(chǎn)彩電工業(yè)一樣。提高國產(chǎn)產(chǎn)品的質(zhì)量是亟待解決的首要問題，從目前國內(nèi)的眾多品牌來看，真正能給國外比如富士、三菱、西門子、ABB等帶來沖擊的為數(shù)不多。經(jīng)過幾年的競爭，國內(nèi)已有幾個品牌技術(shù)應該是比較成熟的，它們已能挑戰(zhàn)國外的品牌，而且這支隊伍還在不斷擴大。因為在競爭中，國內(nèi)無論是技術(shù)和銷售體系會有一個質(zhì)的突變。但目前通用變頻器市場上競爭往往停留在價格上的拼殺。當今家電行業(yè)及開關(guān)電源行業(yè)的發(fā)展歷程告訴我們只要堅持不懈地努力，就可以實現(xiàn)變頻器行業(yè)國產(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，實現(xiàn)了用低壓器件對高壓電能變換的控制，使人類從此可以對幾千伏、幾萬伏、幾十萬伏的高壓電能運用電子技術(shù)進行任意控制，如變頻、直流輸電、城市電網(wǎng)穩(wěn)壓、無功補償、有源濾波、大功率驅(qū)動、蓄能電站控制等，必將提高到一個嶄新的水平，使電子技術(shù)的二次革命得以最后完成。而直接速度控制理論（DSC）的誕生，則標志著中國在電機控制技術(shù)方面不僅超越了自我，也超越了國外同行。 四．變頻器的發(fā)展趨勢 4.1變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展趨勢 變頻調(diào)速是最有發(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)廣泛應用于機械、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、機械等行業(yè)的廣泛應用，變頻調(diào)速電機和與之配套的變頻器發(fā)展迅速。據(jù)機械信息研究院的統(tǒng)計，2000年，中國變頻器市場容量接近30億元。其中日本，歐美品牌占據(jù)主導地位，國內(nèi)生產(chǎn)商經(jīng)過近幾年的高速發(fā)展，業(yè)已占領(lǐng)了很大一部分低端市場。目前變頻器的國內(nèi)電機配比率仍低于1%，潛在市場巨大，國內(nèi)變頻器市場在未來的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）實現(xiàn)高水平的控制?；陔妱訖C和機械模型的控制策略，有矢量控制、磁場控制、直接傳矩控制和機械扭振補償?shù)龋换诂F(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，在某種指標意義下的最優(yōu)控制技術(shù)和逆奈奎斯特陣列設計方法等；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、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)和負載側(cè)有盡可能低的諧波分量，以減少對電網(wǎng)的公害和電動機的轉(zhuǎn)矩脈動。對中小容量變流器，提高開關(guān)頻率的PWM控制是有效的。對大容量變流器，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現(xiàn)各種控制算法，Windows操作系統(tǒng)的引入使得可自由設計，圖形編程的控制技術(shù)也有很大的發(fā)展。 （5）模擬與計算機輔助設計（CAD）技術(shù)。電機模擬器、負載模擬器以及各種CAD軟件的引入對變頻器的設計和測試提供了強有力的支持。