變頻器發展趨勢

一、運動控制系統的發展變頻器是運動控制系統中的功率變換器，運動控制系統是作為機電能量變換器的電氣傳動技術的發展。當今的運動控制系統是包含多種學科的技術領域，總的發展趨勢是：驅動的交流化，功率變換器的高頻化，控制的數字化、智能化和網絡化。因此，變頻器作為系統的重要功率變換部件，提供可控的高性能變壓變頻的交流電源而得到迅猛發展。
　　二、變頻器技術的發展趨勢經歷大約三十年的研發與應用實踐，隨著新型電力電子器件和高性能微處理器的應用以及控制技術的發展，變頻器的性能價格比越來越高，體積越來越小，而廠家仍然在不斷地提高可靠性實現變頻器的進一步小型輕量化、高性能化和多功能化以及無公害化而做著新的努力。變頻器性能的優劣，一要看其輸出交流電壓的諧波對電機的影響，二要看對電網的諧波污染和輸入功率因數，三要看本身的能量損耗（即效率）如何？這里僅以量大面廣的交—直—交變頻器為例，從技術上看在以下幾個方面會進一步得到發展：
　　1．主電路功率開關元件的自關斷化、模塊化、集成化、智能化，開關頻率不斷提高，開關損耗進一步降低。低壓小容量變頻器普遍采用的功率開關器件是：功率MOSFET、IG－BT（絕緣柵雙極度晶體管）和IPM（智能功率模塊）。中壓大容量變頻器采用有：GTO（門極可關斷晶閘管）、IGCT（集成門極換流晶閘管）、SGCT（對稱門極換流晶閘管）、IEGT（注入增強柵晶體管）和高壓IGBT。
　　2．變頻器主電路的拓撲結構方面：變頻器的網側變流器對低壓小容量的常采用6脈沖變流器，而對中壓大容量的采用多重化12脈沖以上的變流器。負載側變流器對低壓小容量的常采用兩電平的橋式逆變器，而對中壓大容量的采用多電平逆變器。值得注意的是，對于四象限運行的傳動，為實現變頻器再生能量向電網回饋和節省能量，網側變流器應為可逆變流器，出現了功率可雙向流動的雙PWM變頻器，對網側變流器加以適當控制可使輸入電流接近正弦波，并使系統的功率因數接近于1，減少對電網的公害。目前，低、中壓變頻器都有這類產品。公用直流母線技術的采用使多臺（或多軸）傳動系統能量更好利用，提高系統的整體運行效率，并可降低變頻器本身的價格。公用直流母線也可以有再生型和非再生型的。探索采用諧振直流環技術使變頻器的功率開關工作在軟開關狀態，器件損耗大大下降，開關頻率可進一步提高，因電壓和電流尖峰引起的E－MI問題得到抑制，可取消緩沖電路。
　　3．脈寬調制變壓變頻器的控制方法：正弦波脈寬調制（SPWM）控制。消除指定次數諧波的PWM控制。電流跟蹤控制。電壓空間矢量控制（磁鏈跟蹤控制）。
　　4．交流電動機變頻調整控制方法的進展：由標量控制（V／f控制和轉差頻率控制）向高動態性能的矢量控制和直接轉矩控制發展。開發無速度傳感器的矢量控制和直接轉矩控制系統。
　　5．微處理器的進步使數字控制成為現代控制器的發展方向，運動控制系統是快速系統，特別是交流電動機高性能的控制需要存儲多種數據和快速實時處理大量信息。近幾年來，國外各大公司紛紛推出以DSP（數字信號處理器）為基礎的內核，配以電機控制所需的外圍功能電路，集成在單一芯片內的稱為DSP單片電機控制器（如ADI的ADMC3××系列、TI的TM S320C240和Motorola的DSP56F8××系列），價格大大降低，體積縮小，結構緊湊，使用便捷，可靠性提高。DSP的最大速度為20～40MIPS，單周期指令執行時間快達幾十納秒，它和普通的單片機相比，處理數字運算能力增強10～15倍，確保系統有更優越的控制性能。數字控制使硬件簡化，柔性的控制算法使控制具有很大的靈活性，可實現復雜控制規律，使現代控制理論在運動控制系統中應用成為現實，易于與上層系統連接進行數據傳輸，便于故障診斷加強保護和監視功能，使系統智能化（如有些變頻器具有自調整功能）。
　　6．交流同步電動機已成為交流可調傳動中的一顆新星，特別是永磁同步電動機，電機獲得無刷結構，功率因數高，效率也高，轉子轉速嚴格與電源頻率保持同步。同步電機變頻調速系統有他控變頻和自控變頻兩大類。自控變頻同步電機在原理上和直流電機極為相似，用電力電子變流器取代了直流電機的機械換向器，如采用交—直—交變壓變頻器時叫做“直流無換向器電機”或稱“無刷直流電動機（BLDC）”。傳統的自控變頻同步機調速系統有轉子位置傳感器，現正開發無轉子位置傳感器的系統。同步電機的他控變頻方式也可采用矢量控制，其按轉子磁場定向的矢量控制比異步電機簡單。開關磁阻式電機（SR）是一種特殊類型的同步電機，定轉子為雙凸極結構，結實無刷，輸出轉矩較大，由于SR電動機的繞組只需單方向電流，因此給它供電的只需單極性功率變換器就可以了，電路簡單。傳統的SR電動機調速系統同樣需要位置檢測器，目前也正在開發無位置傳感器的SR調速系統。SR電機優點突出，應用領域日益擴大，稍顯遜色的是：SR電動機功率變換器輸出的是不規則電流脈沖，低速時導致運行噪聲和轉矩脈動問題較為突出，這有待于進一步改進控制方法。
　　交流變頻調速技術是強弱電混合、機電一體的綜合性技術，既要處理巨大電能的轉換（整流、逆變），又要處理信息的收集、變換和傳輸，因此它的共性技術必定分成功率和控制兩大部分。前者要解決與高壓大電流有關的技術問題和新型電力電子器件的應用技術問題，后者要解決（基于現代控制理論的控制策略和智能控制策略）的硬、軟件開發問題（在目前狀況下主要全數字控制技術）。
　　其主要發展方向有如下幾項。
　　（1）實現高水平的控制。基于電動機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等；基于現代理論的控制策略，有滑模變結構技術、模型參考自適應技術、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控制技術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、神經元網絡、專家系統和各種各樣的自優化、自診斷技術等。
　　（2）開發清潔電能的變流器。所謂清潔電能變流器是指變流器的功率因數為1，網側和負載側有盡可能低的諧波分量，以減少對電網的公害和電動機的轉矩脈動。對中小容量變流器，提高開關頻率的PWM控制是有效的。對大容量變流器，在常規的開關頻率下，可改變電路結構和控制方式，實現清潔電能的變換。
　　（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、蒸發冷卻和熱管）對縮小裝置的尺寸也很有效。
　　（4）高速度的數字控制。以32位高速微處理器為基礎的數字控制模板有足夠的能力實現各種控制算法，Windows操作系統的引入使得可自由設計，圖形編程的控制技術也有很大的發展。
　　（5）模擬與計算機輔助設計（CAD）技術。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。
　　主要的研究開發項目有如下各項。
　　（1）數字控制的大功率交-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，帶有電極參數自測量與自設定和電機參數變化的自動補償以及無傳感器的矢量控制、直接轉矩控制等。
　　（5）風機和泵用高壓電動機的節能調速研究。眾所周知，風機和泵改用調速傳動后節約大量電力。特別是電壓電動機，容量大，節能效果更顯著。研究經濟合理的高壓電動機調速方法是當今重大課題。
　　主要的研究內容及關鍵技術有如下各項。
　　（1）高壓、大電流技術：動態、靜態均壓技術（6kV、10kV回路中3英寸晶閘管串聯，靜動態均壓系數大于0.9）；均流技術，大功率晶閘管并聯的均流技術，均流系數大于0.85）；浪涌吸收技術（10 kV、6kV回路中）；光控及電磁觸發技術（電/光，光/電變換技術）；導熱與散熱技術（主要解決導熱及散熱性好、電流出力大的技術，如熱管散熱技術）；高壓、大電流系統保護技術（抗大電流電磁力結構、絕緣設計）；等效負載模擬技術。
　　（2）新型電力電子器件的應用技術：可關斷驅動技術；雙PWM逆變技術；循環變流 / 電流型交-直-交（CC /CSI0）變流技術（12脈波變頻技術）；同步機交流勵磁變速運行技術；軟開關PWM變流技術。
　　（3）全數字自動化控制技術：參數自設定技術；過程自優化技術；故障自診斷技術；對象自辨識技術。
　　（4）現代控制技術：多變量解耦控制技術；矢量控制和直接力矩控制技術；自適應技術。