通用变频器的发展研究

     60年代中期，普通晶闸管、小功率晶体管的实用化，使交流电动机变频调速也进入了实用化。采用晶闸管的同步电动机自控式变频调速系统、采用电压型或电流型晶闸管变频器的笼型异步电动机调速系统(包括不属变频方案的绕线转子异步电动机的串级调速系统)等先后实现了实用化，使变频调速开始成为交流调速的主流。

　　此后的20多年中，电力电子技术和微电子技术以惊人的速度向前发展，变频调速传动技术也随之取得了日新月异的进步。

　　这种进步，突出表现在：

　　(1)变频装置的大容量化

　　对一些大型生产机械的主传动，直流电动机在容量等级方面已接近极限值，采用直流调速方案无论在设计和制造上都已十分困难。

　　为了适应大容量的高压电动机，采用直接高压型PWM变频器来控制高压电动机，发展较迅速。

　　(2)主开关器件的自关断化

　　近十几年，大功率自关断电力电子器件的发展十分迅速，其中“门极关断晶闸管(GTO)、双极晶体管(BJT)/电力晶体管(GTR)、绝缘栅双极型晶体管(IGBT)”的发展最快，实用化的程度也最高。

　　采用自关断器件省去了线路复杂、体积较大的强迫换相电路，既可以减小装置体积，又降低了开关损耗提高了效率。同时，由于开关频率的提高，变流器可采用PWM控制，既降低谐波损耗、减小转矩脉动，又可以提高快速性、改善功率因数。优点是很多的。

　　据统计，目前变频器中的开关器件，容量为1500kW以下的采用IGBT；1000～7500kW的采用GTO。

　　(3)变频装置的高性能化

　　早期的变频调速系统，基本上是采用U/F控制，无法得到快速的转矩响应，低速特性也不好(负载能力差)。

　　1971年德国西门子公司发明了所谓“矢量控制”技术。一改过去传统方式中仅对交流电量的量值(电压、电流、频率的量值)进行控制的方法，实现了在控制量值的同时也控制其相位的新控制思想。使用坐标变换的办法，实现定子电流的磁场分量和转矩分量的解耦控制，可以使交流电动机像直流电动机一样具有良好的调速性能。         多年来，人们围绕着矢量控制技术做了大量的工作，如今矢量控制这一新的交流电动机调速原理得到了广泛的实际应用，做到与直流调速系统一样，甚至有所超过，完全可以取代直流调速系统。

　　在一些轧钢厂中，大型初轧机这类快速可逆系统，90年代初采用了“交-交变频”矢量控制系统，到目前又开始采用“交-直-交”电压型变频器的矢量控制系统。实践证明，它完全可以满足生产工艺的要求，达到了已往直流调速系统的性能指标。

　　(4)PWM技术的应用

　　PWM：(PulseWidthModulation)脉宽调制技术。

　　自关断器件的发展为PWM技术铺平了道路。目前几乎所有的变频调速装置都采用这一技术。

　　PWM技术用于变频器的控制，可以改善变频器的输出波形，降低电动机的谐波损耗，并减小转矩脉动，同时还简化了逆变器的结构，加快了调节速度，提高了系统的动态响应性能。

　　PWM技术除了用于逆变器的控制，还用于整流器的控制。PWM整流器现已开发成功，利用它可以实现输入电流正弦和电网功率因数为1。人们称PWM整流器是对电网无污染的“绿色”交流器。

　　(5)控制方式的全数字化等方面。

　　全数字控制方式，使信息处理能力大幅度地增强。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。微处理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。全数字控制具有如下特点：

　　精度高：数字计算机的精度与字长有关，变频器中使用16位乃至32位微型机作为控制机，精度在不断提高。

　　稳定性好：由于控制信息为数字量，不会随时间发生漂移。与模拟控制不同，它一般不会随温度和环境条件发生变化。

　　可靠性高：微型计算机采用大规模集成电路，系统中的硬件电路数量大为减少，相应的故障率大大降低。

　　灵活性好：系统中硬件向标准化、集成化方向发展，可以在尽可能少的硬件支持下，由软件去完成复杂的控制功能。适当地修改软件，就可以改变系统的功能或提高其性能。

　　存储能力强：存储容量大，存放时间几乎不受限制，这是模拟系统不能比拟的。利用这一特点可在存储器中存放大量的数据或表格，利用查表法简化计算，提高运算速度。

　　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，使变频装置可靠性、可使用性、可维修性大大提高。