（已结束）变频擂台第67期——变频器的前世今生 你所知道的变频技术 点击：1116 | 回复：33
自从大功率电子元器件的成功生产以后，变频技术－－－－－－－－-这一早已研究多时的高科技，终于登上了工控历史的舞台，变频器从通用型到专用型，从低压变频器到高压变频器，新产品层出不穷，环顾我们的日常生活，也是琳琅满目，变频空调，变频冰箱。。。。。。 那么，在您的眼里，变频器是怎么来的呢，你所认识的变频技术又是怎么样的呢？你认为这一曾经让科技工作者引以为豪的科技成果会不会被另一高科技替代呢，这一期，让我们讨论一下变频器的前世今生如何？
非常支持原创，评奖倾向于原创者。
变频擂台每周一期，本期擂台的最晚结贴时间为：2012年2月18日。
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举例说明：在上世纪90年代，欧洲和美国的一些设备厂商提供的一些生产设备还是用的直流调速设备。其中在塑料和包装行业应用的EUROTHERM SSD570L\SSD590L，是全数字的直流调速器，通讯采用光纤通讯，SSD LINK系列产品可以根据工艺要求进行组态。所有硬件的更换，到可能涉及软件程序的加载。
在意大利制造的纺织印染行业的磨毛机，德国生产的定性机，直到90年代初期还是用直流调速技术。
在90年代我们见到从美国转到中国的二手印刷机（欧洲产80年）使用的还是直流调速技术。
我在80年代初见到欧洲的模拟时代（70年代）的优秀的设计（直流调速），工艺控制甚至可以插入一个变结构的PID调节器，欧洲将其过时的技术卖给中国。可惜欧洲的设计思想没有在中国生根。听说英国铁娘子在谈到中国人是讲过“不要怕中国人，中国人再过100年，也不会产生对世界有价值的思想”
从上面实例可以猜想在欧洲和美国在严格要求速度同步的应用上，直到80年代末仍然以直流调速为主。
变频器的发展得益于电子元器件的发展以及控制算法的发展。
背景：变频技术诞生背景是交流电机无级调速的广泛需求。传统的直流调速技术因体积大而应用受限。
一．元器件的发展
20世纪60年代以后，电力电子器件普遍应用了晶闸管及其升级产品。但其调速性能远远无法满足需要。
80年代初期出现的 MOS功率场效应晶体管和功率集成电路的工作频率达到兆赫级。集成电路的技术促进了器件的小型化和功能化。这些新成就为发展高频电力电子技术提供了条件，推动电力电子装置朝着智能化、高频化的方向发展。这个阶段出现了IGBT这种广为人知的开关元器件。
二、控制理论的发展
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、水泵调这场合。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。
变频器控制理论的发展经过了以下三个阶段：
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。
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。
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。
在交流传动中，除了交流换向器电动机是采用机械换向器进行转差功率反馈的一种特殊调速电动机，其他交流调速电机均无机械换向器。交流电动机转速的公式为：n=(0*f/p)*(1-s)其中n为转速，单位RPM；f为电源频率；p为极对数；s为转差率。于是交流电机调速的基本方法有三种（1）改变极对数（2）改变转差率（3）改变电源频率。于是交流调速主要有以下方式：（1）变极调速，速度只能以，整数比改变，不能连续调速，常见的是双速电机，主要应用于笼型异步电动机。如风机高低速运行电机。（2）转子串电阻调速，应用于线绕转子异步电动机，可以有极也可连续调速，但是因为转差功率消耗在电阻上，所以效率不高，调速范围也赶不上直流电动机。（3）串级调速。在异步电动机转子侧接一个二极管或晶闸管整流桥，将转差频率交流电变为直流电，在用直流电动机旋转变流机组或电子逆变器将转差功率变为机械能加以利用或使其返回电源以进行调速的一种方式。在风机、泵类的传动电动机上广泛使用。（4）调压调速，应用于特殊笼型和线绕转子等小容量电动机。如K10定型机左右喂布轮驱动电机的控制。（5）电磁调速，这是在笼型异步电动机和负载之间串接电磁离合器，调节电磁离合器的励磁，改变转差率进行调速。收卷机构的放卷电机常常采取这种方式。（6）液力耦合器调速，凄恻自动波箱就是这种方式。（7）变频调速，后面会详细讨论。（8）无换向器电动机调速，这是用旋转频率同步的交流电源来驱动同步电动机，改变电源频率和电压实现调速的一种方法。
这些调速方法都曾经得到很好的应用，但是随着交流变频技术的应用前面五种已经不再是必需的技术，基本在新的设计中已经不再采用。液力耦合器调速，因为其高可靠性，在一些特殊应用场合还在应用。变频调速和无换向器电动机调速，在目前是主流技术，这在30年前已经预计到，但是真正到来还是使人兴奋！
交一交变频是早期变频的主要形式，适应于低转速大容量的电动机负载。其主电路开关器件处于自然关断状态，不存在强迫换流问题，所以第一代电力电子器件—晶闸管就能完全满足它的要求。由于其技术成熟，在国内开发研制也最多，目前在国内仍有一定的市场。交一交变频在其主接线中需要大量的晶闸管，结构复杂，维护工作量较大，并因采用移相控制方式，功率因数较低，一般仅有0.6～0.7，而且谐波成分大，需要无功补偿和滤波装置，使得总的造价提高。
交一直一交变频采用了多种拓扑结构，如中一低一中方式，其实质上还是低压变频，只不过从电网和电动机两端来看是高压。由于其存在着中间低压环节，所以具有电流大、结构复杂、效率低、可靠性差等缺点。由于其发展较早，技术也比较成熟，所以目前仍广泛应用。随着中压变频技术的发展，特别是新型大功率可关断器件的研制成功，中一低一中方式具有被逐步淘汰的趋势。 而直接中压变频方式，因没有中间的低压环节，结构上有着广阔的发展前景。
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