变频器的应用基本论述

    近年来，变频器的应用日趋广泛，不仅用于工业企业的各个领域，而且家用电器如空调以及照明方面也应用了变频技术，变频器成为一种时尚的商品。本书仅限于变频器在异步电动机调速方面应用的论述，至于在永磁同步电动机、交流伺服电动机、直流无刷电动机等方面的应用只作一般性的介绍，读者可以参考有关变频器其他方面的专著去了解其原理和应用。

    谈到变频器不得不提到电力电子的发展史，因为变频器从产生到发展与其息息相关。

    众所周知，自从电被发明直到电动机实用化，由于能量转换的方便，电力拖动成为产业机械动力的主流。最初，绝大部分需要调节速度的机械设备都选用直流传动，最典型的是电枢调压调速，最原始的控制理论是反馈控制理论，最原始的放大器是交磁电机放大机和磁放大器，它们曾活跃在直流调速系统的舞台上，统治了相当长的时期。重要的机械设备如地铁传动、电梯传动甚至机器人都选用直流调速。

    在交流调速的弱小阵地上，当时主要是绕线转子异步电动机转子串电阻调速和串接调速方案占主导地位，少数的纺织工业曾用高频发电机对一组笼型异步电动机进行变频调速。

    上述的交、直流调速方案其共同的缺点是：效率低，成本高，装置占地面积大，噪声大。半导体电力电子器件的发明，则给交流调速带来了生机。

    历史上最早用电力电子的例子是把可控水银整流器用于铁路电气传动和电镀工业上，不过应用面不广，但对半导体电力电子的发展起了启蒙和促进作用。因为可控水银整流器和后来发明的可控硅(SCR)整流器有一种因果关系，前者的栅控原理和后者的触发控制在技术上存在继承性。例如，用可控水银整流器制成的逆变器与SCR逆变器主回路就十分相似，因此这种继承关系促进了电力电子的发展。

    半导体电力电子器件的发展始于SCR的发明，追溯其历史，可从1958年由美国的GE公司发明了第一只SCR算起，经历了近半个世纪，直到今天，SCR器件仍在电力电子器件中占有一席之地。

   SCR的实用化，使其在交、直流调速领域得到大量应用，涉及直流调压调速、异步电动机定子调压调速、SCR异步串接调速等，而静止式调速装置成为各种交、直流调速的主角。

    后来，由于高速SCR的开发，异步电动机变频调速也开始出现，开拓了交流变频调速的新思路。由于笼型异步电动机突出的优点，人们一直在探索用变频调速实现其宽调速的途径，一旦得到实现，将会开拓一个无限广阔的市场。

   SCR作为最早出现的电力电子器件，其性能也在不断更新。例如，早期的逆导通SCR用于城市无轨电车直流调速；具有控制极自关断能力SCR（即GTO）发明后，1977年应用GTO的变频器出现，并且在高压、大电流的变频器方面一直占据着主导地位。

    后来大功率晶体管逐步发展，其较高的放大系数，使得控制功率大大减小，同时主电路的高耐压、大电流，也促使其发展前景无限广阔。当今作为代表的高速电力电子器件首推IGBT和大功率MOSFET，它们成为PWM（脉冲宽度凋制）控制变频器的核心器件。

    下面用年代的推进来叙述变频器的发展史。

   1970-1975年

    5～20kVA  电流型SCR变频器（模拟控制）

   1kVA  PAM控制晶体管高频变频器（模拟控制）

   1975～1980年

    5～120kVA  电流型SCR变频器（模拟控制）

    5～20kVA  晶体管PWM变频器（模拟控制）

   250～2000kVA  多重式大功率变频器（模拟控制）

   20～1500kVA  SCR矢量控制变频器（模拟控制）

   10～20kVA  晶体管矢量控制变频器（模拟控制）

   1980～1985年

    3～200kVA  晶体管式正弦波PWM变频器（模拟控制）

   10～20kVA  机床主轴用晶体管矢量控制变频器（模拟控制）

    5～30kVA  纺织机械用正弦波PWM变频器（数字控制）

   1. 5～5kVA   PAM（脉冲幅度调制）SCR高频变频器（模拟控制）

   400～3000kVA  SCR电流型矢量控制变频器（模拟控制）

    5～30kVA  正弦波晶体管PWM变频器（数字控制）

   1. 25～800kVA  矢量控制（数字控制）

   1985～1990年

    1～800kVA  无速度传感器矢量控制变频器（数字控制）

   1990～1995年

   400～3000kVA  SCR矢量控制电流型变频器（数字控制）

    1～800kVA  晶体管无速度传感器矢量控制变频器（数字控制）

    低噪声PWM变频器（数字控制）

   2. 2～37kW  交流伺服传动（数字控制）

   1995～至今

   125～10000kVA  高压GTO变频器（数字控制）

    含能量反馈电流的变频器（数字控制）

    超小型（书本型）低噪变频器（数字控制）

    带参数自适应功能的变频器（数字控制）

    高节能型变频器（数字控制）

    多功能变频器（可切换为V/f控制和无速度传感器矢量控制）（数字控制）

    变频器从最初单纯用于笼型异步电动机的开环变频调速已发展到今日矢量控制的高性能、高精度的闭环调速。由于异步电动机也能做到转矩可控，故在大多数领域，如数控机床、高速电梯、机器人等方面替代了直流调速。由于微型计算机技术的高度发展（用32位单片机），变频器更加小型、低价，且具有高可靠性、高性能和多种功能。

    以电力电子技术为核心的变频器之所以能得到如此飞速的发展有赖于三种技术的有机融合，即电力电子、电力和控制技术，三者之间的有机联系与互辅关系，如下面的倒三角形所示。