变频器的现状和发展的趋势
在当今工业社会，环保和节能显得越来越重要，而变频器在工业节能中发挥着越来越大和不可忽视作用。
一．变频器的基本常识
1.1什么是变频器
变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。可分为交—交变频器，交—直—交变频器。交—交变频器可直接把交流电变成频率和电压都可变的交流电；交—直—交变频器则是先把交流电经整流器先整流成直流电，再经过逆变器把这个直流电流变成频率和电压都可变的交流电。
1.2变频器的组成
变频器是由主回路和控制回路两大部分组成的。主回路由整流器(整流模块)、滤波器(滤波电路)和逆变器(大功率晶体模块)三个主要部分组成。控制回路则由单片机、驱动电路和光电隔离电路组成。
1.3变频器市场容量
当前，电机是我国主要的工业耗电设备，据清华大学电机权威人士统计，我国电机的总装机容量已达4亿千瓦，年耗电量达6000亿千瓦时，约占工业耗电量的80%。我国在用的电机拖动系统总体装备水平仅相当于发达国家50年代水平。另外据统计，对于塑胶行业的电费成本，约占整个生产成本的20%～50%。在发达国家，变频器在电机投用的普及率已达到80%，而我国变频器的运用还在起步阶段，普及率不到10%。从以上可以看出，变频调速系统在我国有着非常巨大的市场需求。
从应用领域来说，国内变频调速技术在经过几年的应用推广下已得到了较快的发展，变频调速技术的领域已初步涉及到电子、机械、石化、冶炼、纺织、汽车等多种行业，应用范围已覆盖注塑机、空压机、空调、恒压供水、纺织机等各种交流电机设备。
从发展区域来说，变频调速技术的应用在我国沿海省份和南方城市发展较快，目前已有向内地快速渗透的趋势。
1.4变频调速的优点
变频调速的优点主要有如下一些优点：
1、调速范围宽，可以使普通异步电动机实现无级调速；
2、启动电流小，而启动转矩大；
3、启动平滑，消除机械的冲击力，保护机械设备；
4、对电机具有保护功能，降低电机的维修费用；
5、具有显著的节电效果；
6、通过调节电压和频率的关系方便的实现恒转矩或者恒功率调速。
二．变频器发展过程和研究的相关技术
2.1变频器的发展史
早期通用变频器如东芝TOSVERT－130系列、FUJI FVRG5／P5系列，SANKEN SVF系列等大多数为开环恒压比(V/F=常数)的控制方式。其优点是控制结构简单、成本较低，缺点是系统性能不高，比较适合应用在风机、水泵场合。具体来说，其控制曲线会随着负载的变化而变化；转矩响应慢，电机转矩利用率不高，低速时因定子电阻和逆变器死区效应的存在而性能下降稳定性变差等。对变频器U／F控制系统的改造主要经历了三个阶段；
第一阶段：
八十年代初日本学者提出了基本磁通轨迹的电压空间矢量(或称磁通轨迹法)。该方法以三相波形的整体生成效果为前提，以逼近电机气隙的理想圆形旋转磁场轨迹为目的，一次生
成二相调制波形。这种方法被称为电压空间矢量控制。典型机种如1989年前后进入中国市场的FUJI(富士)FRN5OOOG5/P5、SANKEN(三垦)MF系列等。
之后，1991年由富士电机推出大家熟知的FVR与FRNG7／P7系列的设计中，三菱日立，东芝也都有类似的产品。然而，在上述四种方法中，由于未引入转矩的调节，系统性能没有得到根本性的改善。
第二阶段：
矢量控制。也称磁场定向控制。它是七十年代初由西德F.Blasschke等人首先提出，以直流电动机和交流电动机比较的方法分析阐述了这一原理，由此开创了交流电动机等效直流电动机控制的先河。它使人们看到交流电动机尽管控制复杂，但同样可以实现转矩、磁场独立控制的内在本质。
矢量控制的基本点是控制转子磁链，以转子磁通定向，然后分解定子电流，使之成为转矩和磁场两个分量，经过坐标变换实现正交或解耦控制。但是，由于转子磁链难以准确观测，以及矢量变换的复杂性，使得实际控制效果往往难以达到理论分析的效果，这是矢量控制技术在实践上的不足。此外，它必须直接或间接地得到转子磁链在空间上的位置才能实现定子电流解耦控制，在这种矢量控制系统中需要配留转子位置或速度传感器，这显然给许多应用场合带来不便。尽管如此，矢量控制技术仍然在努力融入通用型变频器中，1992年开始，德国西门子开发了6SE70通用型系列，通过FC、VC、SC板可以分别实现频率控制、矢量控制、伺服控制。1994年将该系列扩展至315KW以上。目前，6SE70系列除了200KW以下价格较高，在200KW以上有很高的性价比。
第三阶段：
1985年德国鲁尔大学Depenbrock教授首先提出直接转矩控制理论(Direct Torque Control 简称DTC)。直接转矩控制与矢量控制不同，它不是通过控制电流、磁链等量来间接控制转矩，而是把转矩直接作为被控量来控制。
转矩控制的优越性在于：转矩控制是控制定子磁链，在本质上并不需要转速信息；控制上对除定子电阻外的所有电机参数变化鲁棒性良好；所引入的定子磁键观测器能很容易估算出同步速度信息。因而能方便地实现无速度传感器化。这种控制方法被应用于通用变频器的设计之中，是很自然的事，这种控制被称为无速度传感器直接转矩控制。然而，这种控制依赖于精确的电机数学模型和对电机参数的自动识别，通过ID运行自动确立电机实际的定子阻抗互感、饱和因素、电动机惯量等重要参数，然后根据精确的电动机模型估算出电动机的实际转矩、定子碰链和转子速度，并由磁链和转矩的Band－Band控制产生PWM信号对逆变器的开关状态进行控制。这种系统可以实现很快的转矩响应速度和很高的速度、转矩控制精度。
1995年ABB公司首先推出的ACS600直接转矩控制系列，已达到<2ms的转矩响应速度在带PG时的静态速度精度达土0.01%，在不带PG的情况下即使受到输入电压的变化或负载突变的影响，可以达到正负0.1％的速度控制精度。其他公司也以直接转矩控制为努力目标，如安川VS－676H5高性能无速度传感器矢量控制系列，虽与直接转矩控制还有差别，但它也已做到了100ms的转矩响应和正负0.2%(无PG)，正负0.01％(带PG)的速度控制精度，转矩控制精度在正负3％左右。其他公司如日本富士电机推出的FRN 5000G9／P9以及最新的FRN5000Gll／P11系列出采取了类似无速度传感器控制的设计，性能有了进一步提高，然而变频器的价格并不比以前的机型昂贵多少。
控制技术的发展完全得益于微处理机技术的发展，自从1991年INTEL公司推出8X196MC 系列以来，专门用于电动机控制的芯片在品种、速度、功能、性价比等方面都有很大的发展。如日本三菱电机开发用于电动机控制的M37705、M7906单片机和美国德州仪器的TMS320C240DSP等都是颇具代表性的产品。
2.2变频技术的发展过程
