變頻器的發(fā)展過程
變頻器的發(fā)展過程
變頻器技術(shù)的發(fā)展，其中主要以變頻器控制方式的發(fā)展和電力電子器件的發(fā)展作為基礎(chǔ)。
很久以來，交流調(diào)速取代直流調(diào)速一直是人們所希望的。在交流電動機(jī)調(diào)速控制方 面，也進(jìn)行了大量的研究工作，然而，一直未能取得滿意的成果。直到1964年，法國人A.schcnung和H.stemmler首先提出了把通訊技術(shù)的脈寬調(diào)制〈簡稱PWM)技術(shù)應(yīng)用到交流調(diào)速系統(tǒng)中。從此，PWM速技術(shù)的研究引起了人們的髙度重視。
20世紀(jì)80年代，日本學(xué)者提出了磁通軌跡控制方式，使變頻變壓？技術(shù)（即u/f控制方式）成為變頻器技術(shù)的核心。研究人員又繼續(xù)著力于PWM技術(shù)的進(jìn)一步研究，達(dá) 到了調(diào)壓調(diào)頻的目的。
日本、北美、西歐一些發(fā)達(dá)國家，從20世紀(jì)80年代起，生產(chǎn)出了VVVF技術(shù)的變頻 器，而且很快就商業(yè)化，廣泛地應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)之中。**代變頻器的性能盡管不盡人 意，但已有較好的機(jī)械特性，能夠滿足一般交流電動機(jī)無極調(diào)速的要求。比較適合應(yīng)用于 風(fēng)機(jī)、水泵等以節(jié)能為主要目的的調(diào)速場合，在這一領(lǐng)域內(nèi)，迅速得到了普及應(yīng)用。
上述這種U/f控制方式通用變頻器，還不具備轉(zhuǎn)矩控制的能力，只是變頻器的原型。 后來廠商，如日本的富士公司、三肯公司、德國的西門子公司，分別采用了新型的U/f控制方法，融人新的箅法，控制技術(shù)、功能和新工藝，在性能方面有了很大的改進(jìn)。低頻 性能大大提高，并具備了自尋優(yōu)運(yùn)行功能，節(jié)電效果更好，已能滿足一般工業(yè)控制的需 要。我國近年進(jìn)口的一些變頻器絕大部分都是這種類型的性能。它是我國各領(lǐng)域廣泛使用 變頻器的基礎(chǔ)。
1968年德國人哈斯博士首先提出了磁場定向控制理論。1971年德國的伯拉斯切克又提 出了異步電動機(jī)轉(zhuǎn)子磁場定向矢量控制方法，并以直流電動機(jī)和交流電動機(jī)比較的方法， 分析這一原理，使人們認(rèn)識到盡管交流電動機(jī)電磁關(guān)系復(fù)雜，但同樣可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩、磁場 分別控制的方法。該理論提出了對寧鏈和磁轉(zhuǎn)矩分別采用閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)電流和磁場的解 耦，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子磁場定向矢量-制，使異步電動機(jī)的控制特性和他勵直流電動機(jī)特性 相似。 在實(shí)用方面，人們進(jìn)一步分析研究，發(fā)現(xiàn)對于一般異步電動機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)，可以采 用較簡單的轉(zhuǎn)子磁場定向矢量控制，即所謂轉(zhuǎn)差頻率矢量控制。這是矢量控制型變頻器的 理論基礎(chǔ)。
1992年開始，德國西門子公司相繼開發(fā)了 6SE70系列通用變頻器。它通過PE、VC、SC板可以分別實(shí)現(xiàn)頻率控制、矢量控制、伺服控制等，并具有轉(zhuǎn)矩控制功能和無跳閘性 能。輸出靜態(tài)特性與普通型U/f控制方式通用變頻器有很大的改進(jìn)。機(jī)械特性硬于工頻 電網(wǎng)供電的異步電動機(jī)。這種典型的產(chǎn)品，屬于髙功能性U/f控制方式通用變頻器。在 這個基礎(chǔ)上，又開發(fā)生產(chǎn)了髙性能型矢量控制通用變頻器。這種變頻器在動態(tài)性能上，又 有了很大的提高。
目前應(yīng)用*多的還是髙功能型U/f控制方式通用變頻器，它的性能足以滿足大多數(shù) 生產(chǎn)機(jī)械高質(zhì)量調(diào)速控制的需要，只有特殊應(yīng)用場合才考慮選用高性能矢量控制通用變頻器. 1985年德國迪普布羅克首先提出了，基于六邊形乃至圓形磁鏈軌跡的直接轉(zhuǎn)矩控制理 論。這種直接轉(zhuǎn)矩控制不是通過控制電流磁鏈等量間接控制轉(zhuǎn)矩。而是把轉(zhuǎn)矩直接作為控 制量來控制。實(shí)際上，就是用空間矢量的分析方法，以定子磁場定向方式，對定子磁鏈和 電磁轉(zhuǎn)矩進(jìn)行直接控制。
1995年，ABB公司首先推出了直接轉(zhuǎn)矩控制型通用變頻器。目前已成為各系列通用變 頻器的核心技術(shù)。其動態(tài)轉(zhuǎn)矩響應(yīng)已達(dá)到小于2mm，在帶速度傳感器時(shí)的靜態(tài)速度精度達(dá) ±0.01%.不帶速度傳感器也可以達(dá)到±0.1%的速度控制精度。其他一些公司，也在以直接轉(zhuǎn)矩控制作為努力目標(biāo)。
電力電子器件的發(fā)展又是變頻器技術(shù)發(fā)展的另一個基礎(chǔ)。**代以晶閘管(SCR)為代表的電力電子器件出現(xiàn)在20世紀(jì)50年代。它主要是電流控制型開關(guān)器件，以小電流控 制大電流的變換。但其開關(guān)頻率低，且導(dǎo)通后不能自關(guān)斷。20世紀(jì)60年代有了門極關(guān)斷 晶閘管（CTO)，雙極型電力晶體管（CTR)，是一種電流型自關(guān)斷電力電于開關(guān)器件。20 世紀(jì)70年代開始應(yīng)用金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管（MOSFET）、MOS控制晶體管 (MCT)、絕緣柵雙極型晶體管（ICBT)。它們是一種電壓型自關(guān)斷電力電子器件，其開關(guān)頻率高達(dá)勸20kHz，甚至20kHz以上。20世紀(jì)90年代末，智能模塊問世且得到應(yīng)用。它內(nèi) 部含有ICBT芯片及外圍的驅(qū)動電路和保護(hù)電路，甚至有霍爾傳感器和光耦電路。
*近，日立公司開發(fā)的通用變頻器專用集成功率模塊（ISPM），將整流電路、逆變電 路、邏輯控制、驅(qū)動和保護(hù)，電源電路全部集成在一塊模塊內(nèi)。使通用變頻器的體積大大 縮小，引線減少。電力電子器件的發(fā)展，使通用變頻器的性能有了很大的提高。