变频器的发展趋势

    作为交流电动机变频调速用的高新技术产品，各种国产和进口的通用变频器在国民经济的各个部门得到了广泛的应用。“通用”一词有两个方面的含义：首先是这种变频器可以用来驱动通用型交流电动机，而不一定使用专用变频电动机；其次是通用变频器具有各种可供选择的功能，能适应许多不同性质的负载机械。通用变频器也是相对于专用变频器而言的，专用变频器是专为某些有特殊要求的负载机械而设计制造的。如某些纺织专用变频器，要求其输出频率在额定频率上、下平滑地做周期性变化，变化的周期和幅度均可调（俗称横动功能）。又如电梯专用变频器，要求可以四象限运行；要求频率的上升和下降速率呈S形，以使电梯轿厢平稳地加速和减速。专用变频器的价格较贵，大部分负载机械都选用通用变频器。    随着电力电子器件的自关断、模块化，变流电路开关模式的高频化，以及全数字化控制技术和微型计算机（如单片机）的应用，变频器的体积越来越小，性能越来越高，功能不断加强。目前，中小容量(600kVA以下)的一般用途变频器已经实现了通用化。交流变频器是强、弱电混合，机电一体化的综合性调速装置。它既要进行电能的转换（整流、逆变），又要进行信息的收集、变换和传输。它不仅要解决高电压、大电流有关的技术问题和新型电力电子器件的应用问题，还要解决控制策略和控制理论等问题。目前，变频器主要朝以下5个方向发展。    1．高水平的控制    目前，通用变频器的控制技术中比较典型的有：U/f恒定控制、转差频率控制、矢量控制和直接转矩控制。除以上4种之外，还有基于现代控制理论的滑模变频结构技术、模型参考自适应技术、非线性解耦合鲁棒观测器技术、在某些指标意义下的最优控制技术、逆奈奎斯特阵列技术等，基于智能控制的模糊控制、神经网络、专家系统以及各种自优化和自诊断技术等。    2．主电路逐步向集成化、高频化和高效率发展    集成化的主要措施是把功率元件、保护元件、驱动元件、检测元件进行大规模的集成，变为一个IPM的智能电力模块，其体积小、可靠性高、价格低。IPM可以说是智能化的IGBT，它把IGBT功能元件、驱动电路和保护电路集成在一个芯片上，以前上千个元件组成的各种电路现在用一个芯片即可替代，这样，变频器的失效率就由原来几千个元件的失效率变为一个元件的失效率，而可靠性则提高到原来的几千倍；同时，集成化减少了制造时的大量焊接点，也使可靠性提高，使用寿命延长，目前，用IPM制造的变频器也开始批量生产。    高频化主要是开发高性能的IGBT产品，提高开关频率。目前，开关频率已提高到10～15kHz，基本上消除了电动机运行时的噪声。    提高效率的主要办法是减少开关元件的发热损耗，通过降低IGBT集电极一发射极间的饱和电压来实现。其次，用可控二极管整流采取各种措施，设法使功率因数增加到1。现在又开发了一种新型的采用PWM控制方式的自换相变流器，并已成功地用作变频器中的网侧变流器，其电路结构与逆变器完全相同，每个桥臂均由一个自关断器件和一个二极管并联组成。其特点是：直流输出电压连续可调，输入电流（网侧电流）波形基本为正弦，功率因数可保持为1，并且能量可以双向流动。    3．控制量由模拟量向数字量发展    由变频器供电的调速系统是一个快速系统，在使用数字控制时要求的采样频率较高，通常高于1kHz，常需要完成复杂的操作控制、数学运算和逻辑判断，所以要求单片机具有较大的存储容量和较强的实时处理能力。全数字控制方式使得信息处理能力大幅度增强。采用模拟控制方式无法实现的复杂控制在今天都已成为现实，使可靠性、可操作性、可维修性功能得以充实。微机和大规模集成电路的引入，对于变频器的通用化起到了决定性的作用。    全数字控制具有以下特点。    (1)控制精度高。微处理器的精度与字长有关，通用变频器使用16位甚至32位微处理器作为控制器，其精度不断提高。    (2)稳定性好。控制信息为数字量，与模拟控制手法不同，它一般不会因温度和环境条件而发生变化。    (3)可靠性高。由于采用了大规模集成电路，系统的硬件连线较为简单，硬件数量也大大减少，这样故障率就大大降低。    (4)存储能力强。调速装置大量使用高性能的单片机，系统存储容量增大，存放时间可以不受限制，这一点是模拟系统无法比拟的。利用这一特点，可在存储器中存放大量的数据表格，应用查表法简化计算，提高运算速度。    (5)适应能力强。调速系统中的硬件逐步向标准化、集成化方向发展，同时，可以在硬件尽可能少的情况下，由软件去完成复杂的控制功能。这样，适当修改软件就可以改变系统的功能，以适应不同的控制对象。    (6)逻辑运算能力强。容易实现自诊断、故障记录、故障寻找等功能，使变频装置的可靠性、可使用性、可维修性大大提高。    4．向多功能化和高性能化发展    多功能化和高性能电力电子器件和控制技术的不断进步，使变频器向多功能化和高性能化方向发展。特别是微机的应用，以其简单的硬件机构和丰富的软件功能，为变频器的多功能化和高性能化提供了可靠的保证。    8位、16位CPU奠定了通用变频器全数字控制的基础。32位数字信号处理器(Digital Signal Processer，DSP)的应用将通用变频器的性能提高了一大步，实现了转矩控制，推出了“无跳闸”功能。目前，新型变频器开始采用新的精简指令计算机(Reduced Instruction Set Computer，RISC)将指令执行时间缩短到纳秒级。据报道，RISC的运算速度可达10亿次／s，相当于巨型计算机的水平。指令计算时间为Ins量级，是一般微处理器无法比拟的。有的变频器以门RISC为核心的数字控制，可以支持无速度传感器的矢量控制算法、转速估计运算、PID调节器的在线实时运算。    正是由于全数字控制技术的实现，并且运算速度不断提高，使通用变频器的性能不断提高，功能不断增加。目前出现了一种“多控制方式”的通用变频器，如安川公司的VS616-G5变频器就有无PG的u/f控制、有PG的u/f控制、无PG矢量控制和有PG矢量控制4种控制方式。通过控制面板，可以设定上述4种控制方式中的一种，以满足用户的需要。    5．向大容量和高压化发展    目前，高压大容量变频器主要有两种结构：一是采用升降压变压器的“高一低一高”式变频器，也称间接高压变频器；另一种是无输出变压器的“高一高”式变频器，也称直接高压变频器。后者省掉了输出变压器，减小了损耗，提高了效率，同时也减少了安装空间，它是大容量电动机调速驱动的发展方向。    随着新型电力电子器件应用技术，如可关断驱动技术、双PWM技术、软开关PWM变流技术及现代控制技术、多变量解耦控制技术、自适应技术等的应用，变频器一定会发展到一个更高、更新的水平。