1.3 变频器的发展

电气传动系统是以电动机为动力拖动各种生产机械的系统，以交流电动机为动力拖动的系统则称之为交流电气传动系统，以直流电动机为动力拖动的系统则称之为直流电气传动系统。电气传动系统的大致构成如图1-4所示。

直流调速装置通常由半控型晶闸管组成的整流器、逆变器构成，或由全控型电力电子器件组成的直流变换器构成；现代通用的交流调速装置通常是采用全控型电力电子器件构成的静止交流变换器，即电力电子变频器，简称为变频器。

从图1-4可见，变频器的输入是电网来的恒压恒频（CVCF）交流电，输出是电压和频率都可变的交流电（VVVF）。所以，变频器就是一种将工频交流电（三相或单相）变换成电压和频率都可连续变化的静止式交流电源变换装置，以供给交流电动机实现软起动和变频调速。

1.3.1 变频器的发展历程

变频器是20世纪70年代初随电力电子器件、PWM控制技术的发展出现的一种交流电动机驱动装置，虽然变频器是为满足生产机械的调速要求而产生的交流电动机电源设备，但其主要是用于风机、泵类平方降转矩负载的节能控制。在20世纪80年代初，以矢量控制理论为基础研制成功的矢量控制变频器，实现了交流电动机的转矩控制，才较好地满足了生产机械的速度工艺控制要求。随着变频器的各种复杂控制技术日臻完善，特别是大规模集成电路和微处理器的发展，变频器的性能不断地得到提高，变频器已在自动控制各个领域得到了广泛应用，在某些场合甚至出现了全面替代直流传动的趋势。

变频器是一种强电和弱电相结合的驱动装置，其关键技术包括“变流技术”与“控制技术”两方面。前者主要涉及电力电子器件应用、电路拓扑结构与PWM控制等问题；后者是交流电动机控制理论的研究与控制技术实用化问题。变频器技术的发展也相应地反映了这两方面技术的发展，这两方面技术的发展同时也推动了变频器技术的发展。图1-5示出的是功率器件、主电路拓扑结构、控制理论和控制技术在变频器中的应用进程，也说明了变频器的发展历程。

1.电力电子器件应用的发展

电力电子器件是变流技术的基础元件，变频器的整流电路与逆变电路都由电力电子器件组成。理想的电力电子器件应具有载流密度大、导通压降小、耐压高、控制容易、工作频率高和开关速度快等特点。电力电子器件的发展经历了以晶闸管为代表的第一代“半控型”器件，以GTO、GTR与功率MOSFET为代表的第二代“全控型”器件，以IGBT为代表的第三代“复合型”器件，以及以IPM为代表的第四代功率集成器件（PIC）的历程。

第一代电子电力器件由于只导通可控、关断不可控，并且工作频率低，所以并没有为变频器的实用化带来多大的帮助；推动变频器实用化快速发展的是第二代“全控型”器件；而第三代“复合型”器件的出现，使得变频器的小型化、高效率、低噪声成为了现实；第四代功率集成电路的实用化则使变频器控制更简单、性能更高。

第二代产品中的 GTR 是早期的变频器所使用的器件，1988年后开始使用 IGBT,1994年后在高性能专用变频器上开始逐步使用第四代 IPM，但目前通用变频器的主导器件仍是IGBT。

第二代产品中的功率 MOSFET 是一种优秀的电力电子器件，其显著特点是驱动电路简单、驱动功率小、无少数载流子存储效应，特别是工作频率可高达MHz，为所有电力电子器件之最。但由于电流容量小、耐压低、通态压降大（实用化水平大致在1kV/2A/2MHz 与60V/200A/2MHz左右），因而不适合变频器使用。

第三代产品中的IGBT可视为双极型大功率晶体管与功率场效应晶体管的复合管，其既具有GTR通态压降小、载流密度大、耐压高的优点，又具有功率MOSFET驱动功率小、开关速度快、输入阻抗高、热稳定性好的优点（实用化水平大致在4 500V/1 000A/150kHz左右），是目前中低压、中小功率变频器的主流器件。4 500V/1 000A以上的高压、大容量IGBT开发、MCT的普及是第三代产品的发展方向。

功率集成电路（PIC）是电力电子器件技术与微电子技术结合的产物，是一种将功率器件、驱动电路、保护电路、接口电路等集成于一体的智能化器件。PIC 分为高压功率集成电路（HVIC）、智能功率集成电路（SPIC）和智能功率模块（IPM））三类，其中HVIC的电流容量较小（20A以下）,SPIC的电流容量大但耐压能力差，而IPM则是一种适用于变频器的新型功率器件。

智能功率模块IPM具有高频化、小型化、高可靠和高性能的特点，使变频器中逆变器的设计变得更简化，使整机的设计、开发与制造等方面的成本降低。IPM模块由功率开关器件（IGBT 芯片和快速二极管芯片）、控制电路、驱动电路、故障检测和保护电路等组成。其过电压、过电流、过热和控制电压欠电压等故障监测电路的信号可直接传送至外部，具有体积小、可靠性高、使用方便等优点。IPM模块有四种封装模式：单管封装、双管封装、六管封装和七管封装。但IPM的价格相对较高，目前多用于性能高、价格贵的专用变频器，如交流伺服驱动器、交流主轴驱动器等。

2.拓扑结构的发展

由电力电子器件组成的变频器主回路结构也在不断地发展，其拓扑结构的改进是实现“绿色变频”的重要手段。虽然目前中小功率变频器仍以传统的“交—直—交”电压源型 PWM逆变器为主导，但随着对用电设备能耗、环保要求的不断提高，12脉冲整流、双PWM变频技术、三电平逆变、矩阵控制技术等新型拓扑结构的变频器正在被普及与实用化。

12脉冲整流是对变频器网侧整流电路所进行的改进，该结构的主回路采用了交流输入独立、直流输出并联的两组整流桥，两组整流的交流输入电压幅值相同、相位相差30°（通过Δ/Υ变压得到），在直流输出侧得到的是叠加12个整流脉冲的电压波形。这种整流方式虽然只是对整流电路进行了简单的改进，但带来的优点是两组整流桥输入电流中的5、7、17、19……次谐波正好相互抵消，从而大大减轻了变频器所产生的谐波对电网的影响，同时也降低了输入变压器、断路器、电缆等相关设备的容量与对耐压的要求。另外，整流侧电压纹波只有6脉冲整流的50%，变频器内部对平波器件的要求也可相应降低。

三电平逆变方案原本是为解决低压器件的高电压控制问题所设计的电路，但由于它具有可靠性高、输出电流波形好、电动机侧的电磁干扰与谐波小等优点，目前在中小容量的通用变频器上也得到了推广。三电平逆变电路每个桥臂上使用了两对串联的IGBT，如图1-6所示的U相电路。利用二极管VD5与VD6的1/2电压钳位控制，使每对IGBT所承受的最大电压降低到 E/2，而变频器每相输出将由普通逆变器的两种状态（−E/2、E/2）变为三种状态，即VT3/VT4导通（输出电压为−E/2）、VT2/VT3导通（输出电压为0）、VT1/VT2导通（输出电压为E/2）,IGBT所承受的最大电压只有原来的 1/2，从而提高了可靠性、缩小了体积、改善了输出电流波形。

双PWM变频是指整流与逆变同时采用PWM控制的“交—直—交”电压控制型逆变电路。该拓扑结构具有四象限工作能力，因此，可解决变频器能量的双向流动问题，且无需增加附加设备就能实现回馈制动。此外，通过对整流器的高频正弦波PWM控制，可使输入电流的波形、相位与输入电源相同，变频器的功率因数可接近1。

矩阵控制变频器（Matrix Converter）是一种借鉴了传统“交—交”变频方式、融合了现代控制技术的新型变频器。其完全脱离了“交—直—交”电压控制型PWM的结构，可以直接将输入的M相交流转换为幅值与频率可变、相位可调的N相交流输出。当前小容量的矩阵控制变频器产品已经问世。矩阵控制变频器目前使用的是具有输入功率因数校正功能的三相到三相的矩阵式“交—交”变换电路。与传统的“交—直—交”变频相比，矩阵控制变频器无中间直流储能环节、能量可以双向流动、输入谐波低，且输入电流的相位灵活可调（理论功率因数可达到 0.99 以上），还可实现相位的超前与滞后控制，也起到功率因数补偿器的作用。矩阵控制的变频器结构紧凑、效率高，可以实现四象限运行与回馈制动，其发展前景良好。矩阵控制变频器当前存在的主要问题是使用的功率器件数量多且为双向器件，变换控制的难度较大，电压的传输比较低，因此，目前还只能用于小容量变频器。

3.变频控制技术和理论的发展

变频控制理论研究与技术实用化是提高变频器性能的前提，其发展经历了 V/f控制、矢量控制与直接转矩控制三个主要阶段。V/f 控制是一种经典控制理论，在交流电动机诞生后不久，技术人员通过对其等效电路与稳态特性的分析，就得出了为了保持气隙磁通恒定，电枢电压与频率比保持恒定的V/f控制方案。当时由于受器件和控制技术的限制，直到20世纪70年代第二代全控型电力电子器件与PWM控制技术的出现才被真正实用化。V/f控制是在忽略交流电动机的定子漏阻抗压降等因素影响的前提下，从稳态特性上得出的速度控制方案，虽然它较好地解决了交流电动机的无级平滑调速问题，但本质上不具备转矩控制功能，因此，电动机的转矩特性差，有效调速范围小，电动机需“降额”使用。

V/f 控制的最大优点是变频控制与被控对象特性几乎无关，负载波动对速度的影响小，因而可用于各类交流电动机单机与多机控制。即使在矢量控制早已实用化的今天，对于结构参数特殊的高速电动机，或对低速稳定性有较高要求的磨床、研磨机，或用一台变频器同时为多台电动机供电调速的场合，仍需采用V/f控制方式。

矢量控制理论由西门子工程 F. Blaschke 等科技工作者在 20 世纪 70 年初首先提出，80年代初矢量控制的变频器研制成功，并迅速得到普及与推广。矢量控制的基本思路是将交流电动机等效为直流电动机，该理论通过坐标变换将定子电流分解为转矩电流It和励磁电流Im两个独立分量，实现了磁通与转矩的解耦。由于矢量控制需要进行坐标变换，解耦得到的励磁电流Im对应转子磁链，故又称“坐标变换矢量控制”或“转子磁场定向控制”。

矢量控制虽然解决了交流电动机的转矩控制问题，但由于转子磁链与系统速度的精确观测与控制难度都比较大，所以变频器实际使用的矢量控制技术通常都是简化了的控制方案（如转差频率矢量控制、定子磁场定向矢量控制等），至今尚未形成一种世界所公认的最佳控制方案。

直接转矩控制理论在20世纪80年代中期由德国的Depenbrock教授等首先提出，该理论摒弃了矢量控制中对定子电流“解耦”思想，省略了复杂的旋转坐标变换与计算，使得转矩控制更为简捷，20世纪80年代末逐渐被应用到变频器产品上。直接转矩控制是基于定子电压的转矩控制方案，在忽略定子电阻影响时，理论证明了定子磁链矢量的运动方向与定子电压方向一致，且旋转速度决定于定子电压幅值，因此可利用空间矢量分析法在定子坐标系下计算出交流电动机的转矩。直接转矩控制的最大优点是不需要进行电流、磁链等变量的复杂变换，物理概念明确，系统结构简单，特别适合开环控制的变频器，但同样存在转矩与速度的精确观测问题。

矢量控制与直接转矩控制的共同问题是需要建立准确的磁通观测模型与速度观测模型，前者决定了变频器的转矩控制性能，后者决定了变频器的速度控制精度。这些精确的观测模型需要详细的参数（如电动机的定子/转子电阻、电感、铁心饱和系数等），这对被控对象不确定的通用变频器来说是非常困难甚至是不可能的。为此，现代高性能变频器在完成变频控制的基础上，增加了可自动进行对象参数测试与设定的“自动调整（Auto-tuning）”功能。

自动调整功能包括在线调整、停止型调整、空载旋转型调整与带负载在线自动调整等功能。在线调整用于定子连接线与电动机定子的电阻测试与设定，可减小低频时的定子电阻压降对输出转矩的影响，它对 V/f控制、矢量控制、直接转矩控制同样有效。停止型调整通过电动机的静态励磁，可根据电压/电流反馈数据，计算出建立模型所需要的电阻、电感等基本参数。旋转型调整最初只能在空载时进行，它根据不同转速下的动态电压/电流变化数据，计算出较为准确的对象参数。而带负载在线自动调整则是在此基础上进一步完成包括负载惯量在内的更多参数的测试与设定，其得到的观测模型更为准确。

当前，开环矢量控制变频器3Hz时连续输出转矩已可达95%电动机额定转矩以上，0.3Hz时的最大输出转矩可达200%电动机额定转矩，有效调速范围大于200∶1，速度响应为120rad/s左右，速度精度为±（0.2～0.3）%。闭环矢量控制变频器的有效调速范围可达1 500∶1以上，速度响应为300rad/s左右，速度精度可达±（0.02～0.03）%，其性能已经接近闭环直流调速系统。

1.3.2 变频器的主要发展方向

变频器作为运动控制系统中的功率变换器，为交流电动机提供变压变频电源，涉及了多种学科的技术。变频器的快速发展得益于电力电子技术、计算机技术和自动控制技术及电机控制理论的发展。当前竞争的焦点是高压变频器的研究开发与生产。

随着新型电力电子器件和高性能微处理器的应用以及控制技术的发展，变频器的性能价格比越来越高，体积越来越小，而且厂家仍在不断地提高可靠性，为实现变频器的进一步小型轻量化、高性能化和多功能化以及无公害化而做着新的努力。辨别变频器性能的优劣，一要看其输出交流电压的谐波对电机的影响；二要看输入侧对电网的谐波污染和输入功率因数高低；最后还要看本身的能量损耗（即效率）。变频器的发展趋势大致有下面几个方向。

1.主控电路一体化

日本三菱公司研制的功率芯片和控制电路集成在一块芯片上的 DIPIPM（即双列直插式封装）已经推向市场。这是一种将逆变功率电路和控制电路一体化、智能化和高性能化的HVIC（高耐压IC）SOC（System on Chip）。其首先应用到家电产品中，以满足低成本、小型化、高可靠性和易使用等要求。因此随着芯片功率逐渐增大，将在市场上极具竞争力。

2.小型化

变频器的体积越来越小是另一发展趋势。小功率变频器产品的最终目标是像接触器、软起动器等电器元件一样，使用简单，安装方便，安全可靠。变频器的小型化取决于支撑部件的实装技术和系统设计的大规模集成化，功率器件发热的改善和冷却技术的发展已成为变频器实现小型化的重要因素。

3.低电磁噪声化

变频器在抗干扰和抑制高次谐波方面应符合 EMC 国际标准，通常在变频器输入侧装交流电抗器或有源功率因数校正（Active Power Factor Correction,APFC）电路来改善输入电流波形，降低电网谐波，以及逆变桥采取电流过零的开关技术。

4.专用化变频器

为了提高某类负载的控制性能，各厂商开发了专用变频器，以使其更好地发挥独特的功能，尽可能方便用户使用。如用于起重机负载的ARB ACC系列，用于电梯的Siemens MICO340系列和FUJI FRN 5000 G11UD系列，其他还有用于恒压供水、机械主轴传动、纺织、机车牵引等的专用系列。

5.系统化

作为发展趋势，通用变频器从模拟式、数字式、智能化、多功能向集中型发展，形成一个完整的系统，目的是为用户提供最佳的系统。