變頻調(diào)速技術(shù)與應(yīng)用第1章

變頻調(diào)速技術(shù)與應(yīng)用主講時(shí)宗亮2013-03-27第1章概述內(nèi)容提要與學(xué)習(xí)要求了解異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速概況。了解變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展過(guò)程。了解我國(guó)變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展?fàn)顟B(tài)。

1．1調(diào)速傳動(dòng)概況

1．調(diào)速傳動(dòng)的意義眾所周知，所有的生產(chǎn)機(jī)械、運(yùn)輸機(jī)械在傳動(dòng)時(shí)都需要調(diào)速。首先，機(jī)械在啟動(dòng)時(shí)，根據(jù)不同的要求需要不同的啟動(dòng)時(shí)間，這樣就要求有不同的啟動(dòng)速度相配合；其次，機(jī)械在停止時(shí)，由于轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的不等，所以自由停車時(shí)間也各不相同，為了達(dá)到人們所需求的停車時(shí)間，就必須在停車時(shí)采取一些調(diào)速措施，以滿足對(duì)停車時(shí)間的要求；第三，機(jī)械在運(yùn)行當(dāng)中，根據(jù)不同的情況也要求進(jìn)行調(diào)速，例如，風(fēng)機(jī)、泵類機(jī)械為了節(jié)能，要根據(jù)負(fù)載輕重進(jìn)行調(diào)速；機(jī)床加工，要根據(jù)工件精度的不同要求進(jìn)行調(diào)速；運(yùn)輸機(jī)械為了提高生產(chǎn)率需要進(jìn)行調(diào)速；電梯為了提高舒適度也需要進(jìn)行調(diào)速；生產(chǎn)過(guò)程為了提高控制要求，必須進(jìn)行閉環(huán)速度控制等?？傊袡C(jī)械傳動(dòng)都需要進(jìn)行調(diào)速。2．調(diào)速傳動(dòng)的發(fā)展調(diào)速傳動(dòng)在以蒸汽源為主時(shí)，只能采用蒸汽式機(jī)械調(diào)速傳動(dòng)。但因其效率低、單位輸出功率的重量大，所以自內(nèi)燃機(jī)（柴油機(jī)或汽油機(jī)）出現(xiàn)后，蒸氣式機(jī)械調(diào)速傳動(dòng)便被其代替。然而內(nèi)燃機(jī)調(diào)速傳動(dòng)效率仍然較低，不過(guò)由于單位輸出功率的重量小，機(jī)械體積小，所以在不便使用電源的地方（如汽車、船舶等），仍采用內(nèi)燃機(jī)調(diào)速傳動(dòng)。自從電出現(xiàn)以后，因其輸送容易、使用方便、維修簡(jiǎn)單、效率高，所以電動(dòng)調(diào)速傳動(dòng)得到迅速發(fā)展。一開始采用的是直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速傳動(dòng)，但由于直流電動(dòng)機(jī)維修較難，且容量受限，所以交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速傳動(dòng)又得到了飛速的發(fā)展。然而在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速性能遠(yuǎn)不如直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速性能好，故直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速傳動(dòng)在調(diào)速性能要求很高的地方仍被采用。最近十多年來(lái)，由于電力電子器件與微電子、單片機(jī)及PWM控制技術(shù)的迅猛發(fā)展，出現(xiàn)了交流電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速傳動(dòng)，其效率較高、操作方便，而且調(diào)速性能可以與直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速傳動(dòng)相媲美，所以交流變頻調(diào)速傳動(dòng)是目前最好的調(diào)速傳動(dòng)方式。

3．異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速概況各行各業(yè)的生產(chǎn)都離不開電動(dòng)機(jī)，而結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜的異步電動(dòng)機(jī)被廣泛采用。對(duì)異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速控制技術(shù)又是交流電動(dòng)機(jī)控制技術(shù)中的核心。異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速經(jīng)歷了以下3個(gè)階段。（1）繼電器開環(huán)控制階段。這個(gè)階段經(jīng)歷了50年左右。自從有了交流電，用接觸器控制電動(dòng)機(jī)，并逐步采用了各種中間繼電器、時(shí)間繼電器實(shí)現(xiàn)了開環(huán)的自動(dòng)控制，也就是運(yùn)動(dòng)控制的初級(jí)階段。這種控制很難滿足現(xiàn)代化生產(chǎn)高效低耗的要求。對(duì)應(yīng)用最廣的鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)，其啟動(dòng)電流大、啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩小，既沖擊電網(wǎng)，又不能調(diào)速。當(dāng)電動(dòng)機(jī)容量較大時(shí)，啟動(dòng)設(shè)備體積大、噪聲高、維修困難。繞線式異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻的方法，雖說(shuō)解決了啟動(dòng)問(wèn)題，也可實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單調(diào)速，但缺點(diǎn)很多，不但調(diào)速性能差，而且容量及使用環(huán)境也受到了很大的限制。（2）SCR閉環(huán)控制階段。該階段經(jīng)歷了20年左右，自從品閘管（SCR）出現(xiàn)后，使異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速控制向前邁進(jìn)了一大步，對(duì)鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，采用對(duì)晶閘管的移相控制，可以實(shí)現(xiàn)調(diào)壓調(diào)速，但必須要閉環(huán)控制，才能得到較理想的調(diào)速性能。對(duì)繞線式異步電動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，可用晶閘管制成逆變器實(shí)現(xiàn)申級(jí)調(diào)速，加上閉環(huán)控制，不但提高調(diào)速性能，還能回收轉(zhuǎn)差能量，曾經(jīng)稱為當(dāng)時(shí)最好的調(diào)速方法。但由于繞線式異步電動(dòng)機(jī)存在集電環(huán)電刷問(wèn)題，所以也滿足不了現(xiàn)代化生產(chǎn)的需要。（3）變頻器控制的發(fā)展過(guò)程。該階段只有15年左右的時(shí)間，并且在短短的十幾年時(shí)間就經(jīng)歷了以下幾個(gè)過(guò)程：第一個(gè)過(guò)程是交一交變頻，它采用晶閘管直接變工頻電流為可調(diào)的低于1／2工頻頻率電流的電源。這種電源調(diào)速范圍受到很大限制，這個(gè)過(guò)程很短，很快就進(jìn)入了第二個(gè)過(guò)程，即交一直一交變頻。這種變頻方式主要采用了逆變器，逆變器的功率元件最初采用的是SCR，控制技術(shù)為脈寬調(diào)制（PWM）；而后逆變器的功率元件采用BJT，控制技術(shù)也由模擬量控制發(fā)展為數(shù)字量控制；現(xiàn)在逆變器的功率元件已采用IGBT，控制技術(shù)也發(fā)展為32位多微機(jī)矢量控制，可以在150us內(nèi)對(duì)巨大電流進(jìn)行閉環(huán)控制，進(jìn)入了真正的運(yùn)動(dòng)控制階段。BipolarJunctionTransistor4．調(diào)速傳動(dòng)的主要指標(biāo)（1）調(diào)速范圍：最高轉(zhuǎn)速與最低轉(zhuǎn)速之比。（2）調(diào)速的平滑性：在調(diào)速范圍內(nèi)，以相鄰兩擋轉(zhuǎn)速的差值為標(biāo)志，差值越小調(diào)速越平滑。（3）調(diào)速的工作特性：調(diào)速的工作特性有兩個(gè)方面，靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性。靜態(tài)特性主要反應(yīng)的是調(diào)速后機(jī)械特性的硬度。對(duì)于絕大多數(shù)負(fù)載來(lái)說(shuō)，機(jī)械特性越硬，則負(fù)載變化時(shí)，速度變化越小，工作越穩(wěn)定。所以希望機(jī)械特性越硬越好。動(dòng)態(tài)特性即暫態(tài)過(guò)程中的特性，主要指標(biāo)有兩個(gè)方面：升速（包括啟動(dòng)〕和降速（包括制動(dòng)）過(guò)程是否快捷而平穩(wěn)；當(dāng)負(fù)載突然增、減或電壓突然變化時(shí)，系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速能否迅速地恢復(fù)。（4）調(diào)速的經(jīng)濟(jì)性：主要從設(shè)備投資、調(diào)速后的運(yùn)行效率和調(diào)速系統(tǒng)的故障率3個(gè)方面進(jìn)行考慮。1．2變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展過(guò)程變頻技術(shù)是應(yīng)交流電機(jī)無(wú)級(jí)調(diào)速的需要而誕生的。自20世紀(jì)60年代以來(lái)，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(chǎng)效應(yīng)管）、SIT（靜電感應(yīng)晶體管）、SITH（靜電感應(yīng)晶閘管）、MGT（MOS控制晶體管）。MCT（MOS控制晶閘管)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）等，器件的更新促使電力變換技術(shù)不斷發(fā)展。自20世紀(jì)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(jì)80年代，作為變頻技術(shù)核心的PWM模式優(yōu)化問(wèn)題吸引著人們的濃厚興趣，并得出諸多優(yōu)化模式。20世紀(jì)80年代后半期，美、日、德、英等發(fā)達(dá)國(guó)家的VVVF變頻器已投入市場(chǎng)并廣泛應(yīng)用。

VVVF，是VariableVoltageandVariableFrequency的縮寫，意為：可變電壓、可變頻率，也就是變頻調(diào)速系統(tǒng)。VVVF控制的逆變器連接電機(jī)，通過(guò)同時(shí)改變頻率和電壓，達(dá)到磁通恒定（可以用反電勢(shì)/頻率近似表征）和控制電機(jī)轉(zhuǎn)速（和頻率成正比）的目的，所以多應(yīng)用在變頻器中。VVVF變頻器的控制相對(duì)簡(jiǎn)單，機(jī)械特性硬度也較好，能夠滿足一般傳動(dòng)的平滑調(diào)速要求，已在生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。但是，在低頻時(shí)這種控制方式，由于輸出電壓較小，受定于電阻壓降的影響比較顯著，故造成輸出最大轉(zhuǎn)矩減小。另外，其機(jī)械特性終究沒(méi)有直流電動(dòng)機(jī)硬，動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩能力和靜態(tài)調(diào)速性能都還不盡如人意，因此人們又研究出矢量控制變頻調(diào)速技術(shù)。什么是VVVF？矢量控制變頻調(diào)速的做法是：將異步電動(dòng)機(jī)在三相坐標(biāo)系下的定子交流電流Ia、Ib、Ic，通過(guò)三相—二相變換，等效成兩相靜止坐標(biāo)系下的交流電流Ia1、Ib1，再通過(guò)按轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向旋轉(zhuǎn)變換，等效成同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的直流電流Im1、It1（Im1相當(dāng)于直流電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流；It1相當(dāng)于與轉(zhuǎn)矩成正比的電樞電流），然后模仿直流電動(dòng)機(jī)的控制方法，求得直流電動(dòng)機(jī)的控制量，經(jīng)過(guò)相應(yīng)的坐標(biāo)反變換，實(shí)現(xiàn)對(duì)異步電動(dòng)機(jī)的控制。矢量控制方法的提出具有劃時(shí)代的意義，然而在實(shí)際應(yīng)用中，由于轉(zhuǎn)子磁鏈難以準(zhǔn)確觀測(cè)，系統(tǒng)特性受電動(dòng)機(jī)參數(shù)的影響較大，且在等效直流電動(dòng)機(jī)控制過(guò)程中所用矢量旋轉(zhuǎn)變換較復(fù)雜，使得實(shí)際的控制效果難以達(dá)到理想分析的結(jié)果。因此人們又想出了直接轉(zhuǎn)矩控制變頻技術(shù)1985年，德國(guó)魯爾大學(xué)的DePenbrock教授首次提出了直接轉(zhuǎn)矩控制變頻技術(shù)。該技術(shù)在很大程度上解決了上述矢量控制的不足，并以新穎的控制思想、簡(jiǎn)潔明了的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、優(yōu)良的動(dòng)靜態(tài)性能得到了迅速發(fā)展。目前，該技術(shù)已成功地應(yīng)用在電力機(jī)車牽引的大功率交流傳動(dòng)上。直接轉(zhuǎn)矩控制的優(yōu)點(diǎn)是它直接在定子坐標(biāo)系下分析交流電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型、控制電動(dòng)機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩。它不需要將交流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)化成等效直流電動(dòng)機(jī)，因而省去了矢量旋轉(zhuǎn)變換中的許多復(fù)雜計(jì)算；它不需要模仿直流電動(dòng)機(jī)的控制，也不需要為解耦而簡(jiǎn)化交流電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型。解耦的概念：首先要明確有個(gè)“耦合”的物理概念，耦合是指兩個(gè)或兩個(gè)以上的體系或兩種運(yùn)動(dòng)形式間通過(guò)相互作用而彼此影響以至聯(lián)合起來(lái)的現(xiàn)象。

數(shù)學(xué)中解耦是指使含有多個(gè)變量的數(shù)學(xué)方程變成能夠用單個(gè)變量表示的方程組，即變量不再同時(shí)共同直接影響一個(gè)方程的結(jié)果，從而簡(jiǎn)化分析計(jì)算。選擇適當(dāng)?shù)目刂埔?guī)律將一個(gè)多變量系統(tǒng)化為多個(gè)獨(dú)立的單變量系統(tǒng)的控制問(wèn)題。在解耦控制問(wèn)題中，基本目標(biāo)是設(shè)計(jì)一個(gè)控制裝置，使構(gòu)成的多變量控制系統(tǒng)的每個(gè)輸出變量?jī)H由一個(gè)輸入變量完全控制，且不同的輸出由不同的輸入控制。電機(jī)的解耦主要是指能分別控制電機(jī)的勵(lì)磁電流以及轉(zhuǎn)矩電流而不會(huì)相互影響，異步電機(jī)的主要研究就是關(guān)于如何解決其耦合問(wèn)題，異步電機(jī)的解耦便是將定子綜合矢量電流分解成等效轉(zhuǎn)矩分量以及等效勵(lì)磁電流分量使得兩分量能分別控制而不會(huì)相互影響。

交流變頻調(diào)速新的發(fā)展方向：

VVVF變頻、矢量控制變頻、直接轉(zhuǎn)矩控制變頻都是交一直一交變頻中的一種。其共同缺點(diǎn)是輸入功率因數(shù)低，諧波電流大，直流回路需要大的儲(chǔ)能電容器，再生能量又不能反饋回電網(wǎng)，即不能進(jìn)行四象限運(yùn)行。為此，矩陣式交一交變頻應(yīng)運(yùn)而生。由于矩陣式交一交變頻省去了中間直流環(huán)節(jié)，從而省去了體積大、價(jià)格貴的電解電容器。它能實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)為1，具有輸入電流為正弦、能四象限運(yùn)行、系統(tǒng)的功率密度大等優(yōu)點(diǎn)。該技術(shù)目前雖尚未成熟，但仍吸引著眾多的學(xué)者深入研究。

1．3我國(guó)變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r近10年來(lái)，隨著電力電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)的迅速發(fā)展，電氣傳動(dòng)技術(shù)面臨著一場(chǎng)歷史革命，即交流調(diào)速技術(shù)取代直流調(diào)速技術(shù)、計(jì)算機(jī)數(shù)字控制技術(shù)取代模擬控制技術(shù)已成為發(fā)展趨勢(shì)。電機(jī)交流變頻調(diào)速技術(shù)是當(dāng)今節(jié)電、改善工藝流程以提高產(chǎn)品質(zhì)量和改善環(huán)境、推動(dòng)技術(shù)進(jìn)步的一種主要手段。變頻調(diào)速以其優(yōu)異的調(diào)速啟動(dòng)、制動(dòng)性能，高效率、高功率因數(shù)和節(jié)電效果，廣泛地適用范圍及其他許多優(yōu)點(diǎn)而被國(guó)內(nèi)外公認(rèn)為最有發(fā)展前途的調(diào)速方式。

1．3.1我國(guó)變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展概況電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)通常由電動(dòng)機(jī)、控制裝置和信息裝置3部分組成。電氣傳動(dòng)關(guān)系到合理地使用電動(dòng)機(jī)以節(jié)約電能和控制機(jī)械的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)（位置、速度、加速度等），實(shí)現(xiàn)電能一機(jī)械能的轉(zhuǎn)換，達(dá)到優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、低耗的目的。電氣傳動(dòng)分成不調(diào)速和調(diào)速兩大類，調(diào)速又分交流調(diào)速和直流調(diào)速兩種方式。不調(diào)速電動(dòng)機(jī)直接由電網(wǎng)供電，但隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展這類原本不調(diào)速的機(jī)械越來(lái)越多地改用調(diào)速傳動(dòng)以節(jié)約電能（可節(jié)約15%—20％或更多）。改善產(chǎn)品質(zhì)量、提高產(chǎn)量。在我國(guó)60％的發(fā)電量是通過(guò)電動(dòng)機(jī)消耗的，因此調(diào)速傳動(dòng)是一個(gè)重要行業(yè)，一直得到國(guó)家重視，目前已形成一定規(guī)模。交流調(diào)速中最活躍、發(fā)展最快的就是變頻調(diào)速技術(shù)。變頻調(diào)速是交流調(diào)速的基礎(chǔ)和主干內(nèi)容。上個(gè)世紀(jì)變壓器的出現(xiàn)使改變電壓變得很容易，從而造就了一個(gè)龐大的電力行業(yè)。長(zhǎng)期以來(lái)，交流電的頻率一直是固定的，變頻調(diào)速技術(shù)的出現(xiàn)使頻率變?yōu)榭梢猿浞掷玫馁Y源。我國(guó)電氣傳動(dòng)與變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用見(jiàn)表l－l所示。我國(guó)是一個(gè)發(fā)展中國(guó)家，許多產(chǎn)品的科研開發(fā)能力仍落后于發(fā)達(dá)國(guó)家。至今自行開發(fā)生產(chǎn)的變頻調(diào)速產(chǎn)品大體只相當(dāng)于國(guó)際上20世紀(jì)80年代水平。隨著改革開放，經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，變頻調(diào)速產(chǎn)品形成了一個(gè)巨大的市場(chǎng)，它既對(duì)國(guó)內(nèi)企業(yè)，也對(duì)外國(guó)公司敞開。很多最先進(jìn)的產(chǎn)品從發(fā)達(dá)國(guó)家進(jìn)口，在我國(guó)運(yùn)行良好，滿足了國(guó)內(nèi)生產(chǎn)和生活需要。國(guó)內(nèi)許多合資公司生產(chǎn)當(dāng)今國(guó)際上最先進(jìn)的變頻調(diào)速產(chǎn)品并進(jìn)行應(yīng)用軟件的開發(fā)，為國(guó)內(nèi)外重大工程項(xiàng)目提供一流的電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)。在變頻調(diào)速領(lǐng)域，我國(guó)雖然取得了很大成績(jī)，但應(yīng)看到由于國(guó)內(nèi)自行開發(fā)、生產(chǎn)產(chǎn)品的能力弱，對(duì)國(guó)外公司的依賴性仍較嚴(yán)重。

1．3．2目前國(guó)內(nèi)主要的產(chǎn)品狀況

1．晶閘管交流器件和開關(guān)器件（BJT、IGBT、VDMOS）斬波器供電的直流調(diào)速設(shè)備這類設(shè)備的市場(chǎng)很大，隨著交流調(diào)速的發(fā)展，該設(shè)備雖在縮減，但由于我國(guó)；舊設(shè)備改造任務(wù)多，以及它在幾百至一千多千瓦范圍內(nèi)價(jià)格比交流調(diào)速低得多，所以在短期內(nèi)市場(chǎng)不會(huì)縮減很多。自行開發(fā)的控制器多為模擬控制，近年來(lái)主要采用進(jìn)口數(shù)字控制器配國(guó)產(chǎn)功率裝置。

2．IGBT或BJTPWM逆變器供電的交流變頻調(diào)速設(shè)備這類設(shè)備的市場(chǎng)很大，總?cè)萘空嫉谋壤淮?，但臺(tái)數(shù)多，增長(zhǎng)快，應(yīng)用范圍從單機(jī)擴(kuò)展到全生產(chǎn)線，從簡(jiǎn)單的V／f控制到高性能的矢量控制。目前，國(guó)內(nèi)約有50家工廠和公司生產(chǎn)該類設(shè)備，其中合資企業(yè)占很大比重。

3．負(fù)載換流式電流型晶閘管逆變器供電的交流變頻調(diào)速設(shè)備這類產(chǎn)品在抽水蓄能電站的機(jī)組啟動(dòng)，大容量風(fēng)機(jī)、泵、壓縮機(jī)和軋機(jī)傳動(dòng)方面有很大需求。國(guó)內(nèi)只有少數(shù)科研單位有能力制造，目前容量最大做到12MW。功率裝置國(guó)內(nèi)配套，自行開發(fā)的控制裝置只有模擬的，數(shù)字裝置需進(jìn)口，能自行開發(fā)應(yīng)用軟件。VDMOS（verticaldouble-diffusionmetal-oxide-semiconductor）垂直雙擴(kuò)散金屬-氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管VDMOS兼有雙極晶體管和普通MOS器件的優(yōu)點(diǎn)。與雙極晶體管相比，它的開關(guān)速度，開關(guān)損耗小；輸入阻抗高，驅(qū)動(dòng)功率?。活l率特性好；跨導(dǎo)高度線性。特別值得指明出的是，它具有負(fù)的溫度系數(shù)，沒(méi)有雙極功率的二次穿問(wèn)題，安全工作出了區(qū)大。因此，不論是開關(guān)應(yīng)用還是線性應(yīng)用，VDMOS都是理想的功率器件。

4．交一交變頻器供電的交流變頻調(diào)速設(shè)備這類產(chǎn)品在軋機(jī)和礦井卷?yè)P(yáng)傳動(dòng)方面有很大需求，臺(tái)數(shù)不多，功率大，主要靠進(jìn)口，國(guó)內(nèi)只有少數(shù)科研單位有能力制造。目前最大容量做到7000－8000kw。功率部分可國(guó)產(chǎn)，數(shù)字控制裝置依賴進(jìn)口，包括開發(fā)應(yīng)用軟件。1．4變頻技術(shù)的發(fā)展方向交流變頻調(diào)速技術(shù)是強(qiáng)弱電混合、機(jī)電一體的綜合性技術(shù)，既要處理巨大電能的轉(zhuǎn)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(shù)必定分成功率和控制兩大部分。前者要解決與高電壓大電流有關(guān)的技術(shù)問(wèn)題，后者要解決控制模塊的硬、軟件開發(fā)問(wèn)題。其主要發(fā)展方向有如下幾項(xiàng)。

1．主電路逐步向集成化、高頻化和高效率發(fā)展（l）集成化主要措施是把功率元件、保護(hù)元件、驅(qū)動(dòng)元件、檢測(cè)元件進(jìn)行大規(guī)模的集成，變?yōu)橐粋€(gè)IPM的智能電力模塊，其體積小。可靠性高、價(jià)格低。（2）高頻化主要是開發(fā)高性能的IGBT產(chǎn)品，提高其開關(guān)頻率。目前開關(guān)頻率已提高到10－15kHZ，基本上消除了電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的噪聲。（3）提高效率的主要辦法是減少開關(guān)元件的發(fā)熱損耗，通過(guò)降低IGBT的集電極一射極間的飽和電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)，其次，用不可控二極管整流采取各種措施設(shè)法使功率因數(shù)增加到l?，F(xiàn)在又開發(fā)了一種新型的采用PWM控制方式的自換相變流器，已成功地用做變頻器中的網(wǎng)側(cè)變流器，電路結(jié)構(gòu)與逆變器完全相同，每個(gè)橋臂均由一個(gè)自關(guān)斷器件和一個(gè)二極管并聯(lián)組成。其特點(diǎn)是：直流輸出電壓連續(xù)可調(diào)，輸入電流（網(wǎng)側(cè)電流）波形基本為正弦，功率因數(shù)可保持為1，并且能量可以雙向流動(dòng)。2．控制量由模擬量向數(shù)字量發(fā)展由變頻器供電的調(diào)速系統(tǒng)是一個(gè)快速系統(tǒng)，在使用數(shù)字控制時(shí)要求的采樣頻率較高，通常高于IkHZ，常需要完成復(fù)雜的操作控制、數(shù)學(xué)運(yùn)算和邏輯判斷，所以要求控制變頻器的單片機(jī)具有較大的存儲(chǔ)容量和較強(qiáng)的實(shí)時(shí)處理能力。前段時(shí)間，較為流行的方案是采用數(shù)片單片機(jī)來(lái)構(gòu)成一個(gè)功能較強(qiáng)的全數(shù)字控制器。在實(shí)際使用時(shí)單片機(jī)的數(shù)量常根據(jù)具體任務(wù)而定。全數(shù)字控制方式，使信息處理能力大幅度地增強(qiáng)。采用模擬控制方式無(wú)法實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜控制在今天都已成為現(xiàn)實(shí)，使可靠性、可操作性、可維修性，即所謂的RAS（Reliability，Availability，Serviceability）功能得以充實(shí)。微機(jī)和大規(guī)模集成電路的引入，對(duì)于變頻器的通用化起到了決定性的作用。全數(shù)字控制具有如下特點(diǎn)：（1）精度高。數(shù)字計(jì)算機(jī)的精度與字長(zhǎng)有關(guān)，變頻器中常使用16位乃至32位微機(jī)作為控制機(jī)，精度在不斷提高。（2）穩(wěn)定性好。由于控制信息為數(shù)字量，不會(huì)隨時(shí)間發(fā)生漂移。與模擬控制不同，它一般不會(huì)隨溫度和環(huán)境條件發(fā)生變化。（3）可靠性高。微機(jī)采用大規(guī)模集成電路，系統(tǒng)中的硬件電路數(shù)量大為減少，相應(yīng)的故障率也大大降低了。（4）靈活性好。系統(tǒng)中硬件向標(biāo)準(zhǔn)化、集成化方向發(fā)展，可以在盡可能少的硬件支持下，由軟件去完成復(fù)雜的控制功能。適當(dāng)?shù)匦薷能浖?，就可以改變系統(tǒng)的功能或提高其性能。（5）存儲(chǔ)容量大。存儲(chǔ)容量大，存放時(shí)間幾乎不受限制，這是模擬系統(tǒng)不能比擬的。利用這一特點(diǎn)可在存儲(chǔ)器中存放大量的數(shù)據(jù)或表格，利用查表法可簡(jiǎn)化計(jì)算，提高運(yùn)算速度。（6）邏輯運(yùn)算能力強(qiáng)。容易實(shí)現(xiàn)自診斷、故障記錄、故障尋找等功能，使變頻裝置可靠性、可使用性、可維修性大大提高。

3．向多功能化和高性能化發(fā)展多功能化和高性能化電力電子器件與控制技術(shù)的不斷進(jìn)步，使變頻器向多功能化和高性能化發(fā)展。特別是隨著微機(jī)的應(yīng)用，以其簡(jiǎn)單的硬件結(jié)構(gòu)和豐富的軟件功能，為變頻器多功能化和高性能化提供了可靠的保證。人們總結(jié)了交流調(diào)速電氣傳動(dòng)的大量實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，并不斷融入軟件功能，日益豐富的軟件功能使通用變頻器的適應(yīng)性不斷增強(qiáng)，僅舉幾例說(shuō)明如下：轉(zhuǎn)矩提升功能使低速下的轉(zhuǎn)矩過(guò)載能力提高到150％，使啟動(dòng)和低速運(yùn)行性能得到很大的提高；轉(zhuǎn)差補(bǔ)償功能使異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性n=f(T)的硬度甚至大于工頻電網(wǎng)供電時(shí)的硬度，額定轉(zhuǎn)矩下的轉(zhuǎn)速降比無(wú)補(bǔ)償時(shí)減小1／3－2／3，提高了穩(wěn)態(tài)下的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定度（應(yīng)該指出，這是用簡(jiǎn)單的開環(huán)控制達(dá)到的指標(biāo)，并不需要閉環(huán)控制）；瞬時(shí)停電、短時(shí)過(guò)載情況下的平衡恢復(fù)功能防止了不必要的跳閘，保證了運(yùn)行的連續(xù)性，這對(duì)某些不允許停車的生產(chǎn)工藝十分有意義；控制指令和控制參數(shù)的設(shè)定，可由觸摸式面板實(shí)現(xiàn)，不但靈活方便，而且實(shí)現(xiàn)了模擬控制方式所無(wú)法實(shí)現(xiàn)的功能，比如多步轉(zhuǎn)速設(shè)定、S形加減速和自動(dòng)加減速控制等；故障顯示和記憶功能，使故障的分析和設(shè)備的維修變得既準(zhǔn)確又快速；靈活的通信功能，方便了與可編程序控制器或上位計(jì)算機(jī)的接口，很容易實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制等，這里木再列舉?？梢赃@樣說(shuō)，通用變頻器的多功能化和高性能化為用戶提供了一種可能，即可以把原有生產(chǎn)機(jī)械的工藝水平“升級(jí)”，達(dá)到以往無(wú)法達(dá)到的境界，使其變成一種具有高度軟件控制功能的新機(jī)種。

8位CPu、16位CPU奠定了通用變頻器全數(shù)字控制的基礎(chǔ)。32位數(shù)字信號(hào)處理器（DigitalSigalProcesser，DSP）的應(yīng)用將通用變頻器的性能提高了一大步，實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)矩控制，推出了“無(wú)跳閘”功能。目前，最新型變頻器開始采用新的精簡(jiǎn)指令集計(jì)算機(jī)（ReducedInstructionSetComputer，RISC），將指令執(zhí)行時(shí)間縮短到納秒級(jí)。它是一種矢量（超標(biāo)量）微處理器，其性能看重放在常用基本指令的執(zhí)行效率上，舍棄了某些運(yùn)算復(fù)雜且使用率不高的指令，省下它們所占用的硬件資源用于提高基本指令的運(yùn)算速度，達(dá)到了以“每秒百萬(wàn)條指令”（MillionInstructionPerSecond，MIPS）為單位來(lái)衡量運(yùn)算速度的程度。有文獻(xiàn)報(bào)道，RISC的運(yùn)算速度可達(dá)1000MIPS，即10億次/秒，相當(dāng)于巨型計(jì)算機(jī)的水平。指令計(jì)算時(shí)間為1ns量級(jí)，是～般微處理器所無(wú)法比擬的。有的變頻器廠家聲稱，以RISC為核心的數(shù)字控制，可以支持無(wú)速度傳感器矢量控制變頻器的矢量控制算法、轉(zhuǎn)速估計(jì)運(yùn)算、PID調(diào)節(jié)器的在線實(shí)時(shí)運(yùn)算。正是由于全數(shù)字控制技術(shù)的實(shí)現(xiàn)，并且運(yùn)算速度不斷提高，使得通用變頻器的性能不斷提高，功能不斷增加。目前出現(xiàn)了一類“多控制方式”通用變頻器，例如，安川公司的VS616－G5變頻器就有：無(wú)PG（速度傳感器）V／f控制；有PGV／f控制；無(wú)PG矢量控制；有PG矢量控制等4種控制方式。通過(guò)控制面板，可以設(shè)定（即選擇）上述4種控制方式中的一種，以滿足用戶的需要。還有一種所謂的“工程型”高性能變頻器，完善的軟件功能和規(guī)范的通信協(xié)議，使它對(duì)自身可實(shí)現(xiàn)靈活的“系統(tǒng)組態(tài)”，對(duì)上級(jí)控制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)“現(xiàn)場(chǎng)總線控制”，它特別適合在現(xiàn)代計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中作為傳動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。4.向大容量化和高壓化發(fā)展對(duì)一些大型生產(chǎn)機(jī)械的主傳動(dòng)，直流電動(dòng)機(jī)在容量等級(jí)方面已接近極限值，采用直流調(diào)速方案無(wú)論在設(shè)計(jì)和制造上都已十分困難。某些大容量高速傳動(dòng)，過(guò)去只能采用增速齒輪或是直接以汽輪機(jī)傳動(dòng)，噪聲大、效率低、占地面積大。特大容量交流傳動(dòng)裝置的發(fā)展，填補(bǔ)了這方面的空白。例如，用于傳動(dòng)裂化氣體壓縮機(jī)的21000kw、5900r／min的交一直一交電流型無(wú)換向器電動(dòng)機(jī)已于1984年投入運(yùn)行。這是法國(guó)ALSTHOM公司制造的，該公司提供的功率在5000kw以下的無(wú)換向