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通用變頻器技術(shù)的發(fā)展和展望 [摘要］了解近十年來國外通用變頻器的技術(shù)發(fā)展對于深入了解交流傳動與控制技術(shù)的發(fā)展走向以及如何站 在高起點上結(jié)合我國國情開發(fā)我國自己的產(chǎn)品都具有十分積極的意義。

1. 前言 交流傳動與控制技術(shù)是目前發(fā)展zui為迅速的技術(shù)之一，這是和冉力電子器件制造技術(shù)、變流技術(shù)控制技術(shù) 以及微型計算機和大規(guī)模集成電路的飛速發(fā)展密切相關(guān)。 通用變頻器作為早個商品開始在國內(nèi)上市，是近十年的事，銷售額逐年增加，于今全年有超過數(shù)十億元 （RMB）的市場。其中．各種進(jìn)口品牌居多，功率小至百瓦大至數(shù)千千瓦；功能簡易或復(fù)雜；精度低或高； 響應(yīng)慢或快：有PG（測速機）或無PG;有噪音或無噪音等等。 對于許多用戶來說,這十年中經(jīng)歷了多次更新，現(xiàn)所使用的變頻器大都屬于目前*的機型如果從應(yīng)用 的角度來說，我們的水準(zhǔn)與發(fā)達(dá)國家沒有什么兩樣。作為國內(nèi)制造商,通過這十年來對國外的先進(jìn)技術(shù)進(jìn)行 銷化，也正在積極地進(jìn)行國產(chǎn)變頻器的自主開發(fā)．努力追趕世界發(fā)達(dá)國家的水平。 回顧近十年來國外通用變頻器技術(shù)的發(fā)展對于深入了解交流傳動與控制技術(shù)的走向，以及如何站在高起點 上結(jié)合我國國情開發(fā)我國自己的產(chǎn)品應(yīng)該說具有十分積極的意義.

2.關(guān)于功率器件 變頻技術(shù)是建立在電力電子技術(shù)基礎(chǔ)之上的。在低壓交流電動機的傳動控制中，應(yīng)用zui多的功率器件有 GTO、GTR、IGBT 以及智能模塊IPM(Inligent Power Module），后面二種集GTR 的低飽和電壓特性和 MOSFET 的高頻開關(guān)特性于一體是目前通用變頻器中zui廣泛使用的主流功率器件。IGBT 集射電壓Vce 可 ＜3V,頻率可達(dá)到20KHZ,內(nèi)含的集射極間超高速二極管Trr 可達(dá)150ns,1992 年前后開始在通用變頻器中得 到廣泛應(yīng)用。其發(fā)展的方向是損耗更低,開關(guān)速度更快、電壓更高,容量更大(3.3KV、 1200A), 目前，采用溝 道型柵極技術(shù)、非穿通技術(shù)等方法大幅度降低了集電極一發(fā)射極之間的飽和電壓[VCE（sat)]的第四代IGBT 也已問世。 第四代IGBT 的應(yīng)用使變頻器的性能有了很大的提高。其一是ICBT 開關(guān)器件發(fā)熱減少，將曾占主回路發(fā)熱 50－70％的器件發(fā)熱降低了30％。其二是高載波控制，使輸出電流波形有明顯改善；其三是開關(guān)頻率提高， 使之超過人耳的感受范圍，即實現(xiàn)了電機運行的靜青化；其四是驅(qū)動功率減少，體積趨于更小。而IPM 的 投入應(yīng)用比IGBT 約晚二年，由于IPM 包含了1GBT 芯片及外圍的驅(qū)動和保護(hù)電路．甚至還有的把光耦也 集成于一體，因此是種更為好用的集成型功率器件，目前，在模塊額定由流10－600A 范圍內(nèi)，通用變頻 器均有采用IPM 的趨問，其優(yōu)點是： 

（l）開關(guān)速度快，驅(qū)動電流小，控制驅(qū)動更為簡單。 

〔2)內(nèi)含電流傳感器，可以迅速地檢測出過電流和短路電流，能對功率芯片給予足夠的保護(hù)，故障率 大大降低。 

（3）由于在器件內(nèi)部電源電路和驅(qū)動電路的配線設(shè)計上做到優(yōu)化，所以浪涌電壓，門極振蕩，噪聲引起的 干擾等問題能有效得到控制。 

（4）保護(hù)功能較為豐富，如電流保護(hù)、電壓保護(hù)、溫度保護(hù)，隨著技術(shù)的進(jìn)步，保護(hù)功能將進(jìn)一 步日臻完善。 http:// 三菱工控網(wǎng) 文章：通用變頻器的發(fā)展與展望，總4 頁之第2 頁 

（5｝IPM 的售價已逐漸接近IGBT．而計人采用IPM 后的開關(guān)電源容量、驅(qū)動功率容量的減小和器件的節(jié) 省以及綜合性能提高等因素后在許多場合其性價比已高過IGBT，有很好的經(jīng)濟性。 為此IPM 除了在工業(yè)變頻器中被大量采用之后，經(jīng)濟型的IPM 在近年內(nèi)也開始在一些民用品如家用空調(diào)變 頻器，冰箱變頻器、洗衣機變頻器中得到應(yīng)用。IPM 也在向更高的水平發(fā)展，日本三菱電機zui近開發(fā)的專 用智能模塊ASIPM 將不需要外接光耦，通過內(nèi)部自舉電路可單電源供電并采用了低電感的封裝技術(shù)，在實 現(xiàn)系統(tǒng)小型化，化，高性能，低成本方面又推進(jìn)了一步。 

3.關(guān)于控制方式 早期通用變頻器如東芝TOSVERT－130 系列、FUJI FVRG5／P5 系列，SANKEN SVF 系列等大多數(shù)為開環(huán) 恒壓比（V／F=常數(shù)）的控制方式．其優(yōu)點是控制結(jié)構(gòu)簡單、成本較低，缺點是系統(tǒng)性能不高，比較適合 應(yīng)用在風(fēng)機、水泵調(diào)這場合。具體來說，其控制曲線會隨著負(fù)載的變化而變化；轉(zhuǎn)矩響應(yīng)慢，電視轉(zhuǎn)矩利 用率不高，低速時因定子電阻和逆變器死區(qū)效應(yīng)的存在而性能下降穩(wěn)定性變差等。對變頻器U／F 控制系 統(tǒng)的改造主要經(jīng)歷了三個階段； *階段： 

①八十年代初日本學(xué)者提出了基本磁通軌跡的電壓空間矢量（或稱磁通軌跡法）。該方法以三相波形的整 體生成效果為前提，以逼近電機氣隙的理想圓形旋轉(zhuǎn)磁場軌跡為目的，一次生成二相調(diào)制波形。這種方法 被稱為電壓空間矢量控制。典型機種如1989 年前后進(jìn)入中國市場的FUJI （富士）FRN5OOOG5/P5、SANKEN （三墾）MF 系列等； 

②引入頻率補償控制，以消除速度控制的穩(wěn)態(tài)誤差； ③基于電機的穩(wěn)態(tài)模型，用直流電流信號重建相電流，如西門子MicroMaster 系列,由此估算出磁鏈幅值， 并通過反饋控制來消除低速時定子電阻對性能的影響； 

④將輸出電壓、電流進(jìn)行閉環(huán)控制，以提高動態(tài)負(fù)載下的電壓控制精度和穩(wěn)定度，同時也一定程度上求得 電流波形的改善。這種控制方法的另一個好處是對再生引起的過電壓、過電流抑制較為明顯，從而可以實 現(xiàn)快速的加減速； 之后，1991 年由富士電機推出大家熟知的FVR 與 FRNG7／P7 系列的設(shè)計中，不同程度融入了②3．④項 技術(shù)，因此很具有代表性。三菱日立，東芝也都有類似的產(chǎn)品。然而，在上述四種方法中，由于未引入轉(zhuǎn) 矩的調(diào)節(jié)，系統(tǒng)性能沒有得到根本性的改善. 

第二階段： 矢量控制。也稱磁場定向控制。它是七十年代初由西德 F.Blasschke 等人首先提出，以直流電動機和交流電 動機比較的方法分析闡述了這一原理，由此開創(chuàng)了交流電動機等效直流電動機控制的先河。它使人們看到 交流電動機盡管控制復(fù)雜，但同樣可以實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩、磁場獨立控制的內(nèi)在本質(zhì)。 矢量控制的基本點是控制轉(zhuǎn)子磁鏈，以轉(zhuǎn)子磁通定向，然后分解定子電流，使之成為轉(zhuǎn)矩和磁場兩個分量， 經(jīng)過坐標(biāo)變換實現(xiàn)正交或解耦控制。但是，由于轉(zhuǎn)子磁鏈難以準(zhǔn)確觀測，以及矢量變換的復(fù)雜性，使得實 際控制效果往往難以達(dá)到理論分析的效果，這是矢量控制技術(shù)在實踐上的不足。此外．它必須直接或間接 地得到轉(zhuǎn)子磁鏈在空間上的位置才能實現(xiàn)定子電流解耦控制，在這種矢量控制系統(tǒng)中需要配留轉(zhuǎn)子位置或 速度傳感器，這顯然給許多應(yīng)用場合帶來不便。僅管如此，矢量控制技術(shù)仍然在努力融入通用型變頻器中， http:// 三菱工控網(wǎng) 文章：通用變頻器的發(fā)展與展望，總4 頁之第3 頁 1992 年開始，德國西門子開發(fā)了6SE70 通用型系列，通過FC、VC、SC 板可以分別實現(xiàn)頻率控制、矢量 控制、伺服控制。1994 年將該系列擴展至315KW 以上。目前，6SE70 系列除了200KW 以下價格較高，在 200KW 以上有很高的性價比。 第三階段： 1985 年德國魯爾大學(xué)Depenbrock 教授首先提出直接轉(zhuǎn)矩控制理論（Direct Torque Control 簡稱DTC）。直 接轉(zhuǎn)矩控制與矢量控制不同，它不是通過控制電流、磁鏈等量來間接控制轉(zhuǎn)矩，而是把轉(zhuǎn)矩直接作為被控 量來控制。 轉(zhuǎn)矩控制的*性在于：轉(zhuǎn)矩控制是控制定子磁鏈，在本質(zhì)上并不需要轉(zhuǎn)速信息；控制上對除定子電阻外 的所有電機參數(shù)變化魯棒性良好；所引入的定子磁鍵觀測器能很容易估算出同步速度信息。因而能方便地 實現(xiàn)無速度傳感器化。這種控制方法被應(yīng)用于通用變頻器的設(shè)計之中，是很自然的事，這種控制被稱為無 速度傳感器直接轉(zhuǎn)矩控制。然而，這種控制依賴于的電機數(shù)學(xué)模型和對電機參數(shù)的自動識別 （Identification 向你ID),通過ID 運行自動確立電機實際的定子阻抗互感、飽和因素、電動機慣量等重要參 數(shù)，然后根據(jù)的電動機模型估算出電動機的實際轉(zhuǎn)矩、定子碰鏈和轉(zhuǎn)子速度，并由磁鏈和轉(zhuǎn)矩的Band －Band 控制產(chǎn)生PWM 信號對逆變器的開關(guān)狀態(tài)進(jìn)行控制。這種系統(tǒng)可以實現(xiàn)很快的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)速度和很高 的速度、轉(zhuǎn)矩控制精度。 1995 年ABB 公司首先推出的ACS600 直接轉(zhuǎn)矩控制系列，已達(dá)到<2ms 的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)速度在帶PG 時的靜態(tài) 速度精度達(dá)土O.01%，在不帶PG 的情況下即使受到輸入電壓的變化或負(fù)載突 變的影響，向樣可以達(dá)到正負(fù)0.1％的速度控制精度。其他公司也以直接轉(zhuǎn)矩控制為努力目標(biāo)，如安川VS －676H5 高性能無速度傳感器矢量控制系列，雖與直接轉(zhuǎn)矩控制還有差別，但它也已做到了100ms 的轉(zhuǎn)矩 響應(yīng)和正負(fù)0.2%（無PG）,正負(fù)0.01％（帶 PG）的速度控制精度，轉(zhuǎn)矩控制精度在正負(fù)3％左右。其他公 司如日本富士電機推出的FRN 5000G9／P9 以及的 FRN5000Gll／P11 系列出采取了類似無速度傳感器 控制的設(shè)計，性能有了進(jìn)一步提高，然而變頻器的價格并不比以前的機型昂貴多少。 控制技術(shù)的發(fā)展*得益于微處理機技術(shù)的發(fā)展，自從1991 年IN 公司推出8X196MC 系列以來，專 門用于電動機控制的芯片在品種、速度、功能、性價比等方面都有很大的發(fā)展。如日本三菱電機開發(fā)用于 電動機控制的M37705、M7906 單片機和美國德州儀器的TMS320C240DSP 等都是頗具代表性的產(chǎn)品。 

4.關(guān)于PWM 技術(shù) PWM 控制技術(shù)一直是變頻技術(shù)的核心技術(shù)之一。1964 年A.Schonung 和H.stemmler 首先在<>評論 上提出把這項通訊技術(shù)應(yīng)用到交流傳動中，從此為交流傳動的推廣應(yīng)用開辟了新的局面。 從zui初采用模擬電路完成三角調(diào)制波和參考止弦波比較，產(chǎn)生止弦脈寬調(diào)制SPWM 信號以控制功率器件的 開關(guān)開始，到目前采用全數(shù)字化方案，完成優(yōu)化的實時在線的PWM 信號輸出，可以說直到目前為止，PWM 在各種應(yīng)用場合仍占主導(dǎo)地位,并一直是人們研究的熱點。 由于PWM 可以同時實現(xiàn)變頻變壓反抑制諧波的特點，由此在交流傳動乃至其它能量變換系統(tǒng)中得到廣泛 應(yīng)用。PWM 控制技術(shù)大致可以分為三類，正弦PWM（包括電壓，電流或磁通的正弦為目標(biāo)的各種PWM 方案，多重PWM 也應(yīng)歸于此類），優(yōu)化PWM 及隨機PWM。正弦PWM 已為人們所熟知，而旨在改善輸 出電壓、電流波形，降低電源系統(tǒng)諧波的多重PWM 技術(shù)在大功率變頻器中有其*的優(yōu)勢 （如 ABB ACS1000 系列和美國ROBICON 公司的無諧波系列等）；而優(yōu)化PWM 所追求的則是實現(xiàn)電 流諧波畸變率（THD）zui小，電壓利用率zui高，效率*，及轉(zhuǎn)矩脈動zui小以及其它特定優(yōu)化目標(biāo)。 http:// 三菱工控網(wǎng) 文章：通用變頻器的發(fā)展與展望，

在70 年代開始至80 年代初，由于當(dāng)時大功率晶體管主要為雙極性達(dá)林頓三極管，載波頻率一般zui高不超 過5KHZ，電機繞組的電磁噪音及諧波引起的振動引起人們的關(guān)注。為求得改善，隨機PwM 方法應(yīng)運而生。 其原理是隨機改變開關(guān)頻率使電機電磁噪音近似為限帶白噪聲（在線性頻率坐標(biāo)系中，各頻率能量分布是 均勻的），盡管噪音的總分貝數(shù)未變，但以固定開關(guān)頻率為特征的有色噪音強度大大削弱。正因為如此， 即使在IGBT 已被廣泛應(yīng)用的今天，對于載波頻率必須限制在較低頻率的場合，隨機PWM 仍然有其特殊 的價值（DTC 控制即為一例）；另一方面則告訴人們消除機械和電磁噪音的*方法不是盲目地提高工作 頻率，因為隨機PWM 技術(shù)提供了一個分析、解決問題的全新思路。 

5.展望 通用變頻器的發(fā)展是世界高速經(jīng)濟發(fā)展的產(chǎn)物。其發(fā)展的趨勢大致為： 

5.l 主控一體化 日本三菱公司將功率芯片和控制電路集成在一快芯片上的DIPIPM（即雙列直插式封裝）的研制已經(jīng)完成并 推向市場。一種使逆變功率和控制電路達(dá)到一體化，智能化和高性能化的HVIC（高耐壓IC）SOC （System on Chip）的概念已被用戶接受，首先滿足了家電市場低成本、小型化、高可靠性和易使用等的要 求。因此葉以展望，隨著功率做大，此產(chǎn)品在市場上競爭力。 

5.2 小型化 用日本富士（FUJI）電機的三添勝的話說，變頻器的小型化就是向發(fā)熱挑戰(zhàn)。這就是說變頻器的小型 化除了出自支撐部件的實裝技術(shù)和系統(tǒng)設(shè)計的大規(guī)模集成化，功率器件發(fā)熱的改善和冷卻技術(shù)的發(fā)展已成 為小型化的重要原因。ABB 公司將小型變頻器定型為Comp－ACTM 他向發(fā)布的全新概念是，小功率 變頻器應(yīng)當(dāng)象接觸器、軟起動器等電器元件一樣使用簡單，安裝方便，安全可靠。 

5.3 低電磁噪音化 今后的變頻器都要求在抗干擾和抑制高次諧波方面符合EMC 標(biāo)準(zhǔn)，主要做法足在變頻器輸入側(cè)加交 流電抗器或有源功率因數(shù)校正（Active Power Factor Correction． APFC）電路，改善輸入電流波形降低電網(wǎng) 諧波以及逆變橋采取電流過零的開關(guān)技術(shù)。而控制電源用的開關(guān)電源將推崇半諧振方式，這種開關(guān)控制方 式在30－50MhZ 時的噪聲可降低15－20dB。 

5.4 化 通用變頻器中出現(xiàn)型家族是近年來的事。其目的是更好發(fā)揮變頻器的*功能并盡可能地方便用戶。 如用于起重稅負(fù)載的 ARB ACC 系列，用廣交流電梯的 Siemens MICO340 系列和FUJI FRN5000G11UD 系 列，其他還有用于恒壓供水、上作機械主軸傳動、電源再生、紡織、機車牽引等系列。 

5.5 系統(tǒng)化 作為發(fā)展趨勢，通用變頻器從模擬式、數(shù)字式、智能化、多功能向集中型發(fā)展。zui近，日本安川由機提出 了以變頻器，伺服裝置，控制器及通訊裝置為中心的”D&M&C”概念，并制定了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)。目的是為用戶 提供*的系統(tǒng)。因此可以預(yù)見在今后．變頻器的高速響應(yīng)件和高性能什將是基本條件。