現代變頻器的技術特點與發展方向

許朝山 龔仲華

（常州機電職業技術學院，江蘇常州 213164）

現代變頻器的技術特點與發展方向

許朝山 龔仲華

（常州機電職業技術學院，江蘇常州 213164）

介紹了通用變頻器的發展歷程、技術特點與發展方向，并對當代變頻器高性能化、環保化與網絡化所涉及的各種最新技術進行了綜合分析與闡述。

變頻器 技術特點 發展方向 最新技術

通用變頻器（以下簡稱變頻器）是20世紀70年代初隨電力電子器件、PWM控制技術的發展出現的一種感應電動機調速裝置，矢量控制理論的誕生使變頻器的轉矩與位置控制成為了現實。當前，變頻器的控制技術已日臻完善、性能不斷提高，產品在自動控制各領域取得了廣泛應用，在某些場合甚至出現了全面替代直流傳動的趨勢。本文介紹了當今世界變頻控制技術的發展簡況，分析了現代變頻器的技術特點與發展方向，并對變頻器高性能化、環保化、網絡化所涉及的最新技術進行了全面闡述。

1 通用變頻器的技術特點與發展方向

1.1 發展歷程

變頻器是一種強弱電綜合的控制裝置，其共性關鍵技術包括“變流技術”與“控制技術”兩方面。前者主要涉及電力電子器件應用、電路拓撲結構與PWM控制等問題；后者是感應電動機控制理論研究與控制技術實用化問題。圖1是世界變頻器的主要技術應用與發展簡圖。

變頻器使用的電力電子器件主要經歷了第二代的GTR、第三代的是IGBT與第四代的IPM的發展歷程，IGBT與IPM為現代變頻器的主流器件。在電路拓撲結構上，目前仍以“交－直－交”電壓控制型PWM逆變為主流；但12脈沖整流、雙PWM變頻、三電平逆變等技術已在高性能變頻器上應用（如YASKAWA的Varispeed G7）；“交－交”逆變、矩陣控制的變頻器產品已問世（如YASKAWA的Varispeed V1000）；數字化SPWM、矢量化PWM已經成為實用化技術。

變頻器的控制理論從最初的單一“恒定電壓/頻率比”控制（V/f控制）發展到了今天的矢量控制與直接轉矩控制理論，而控制技術上則從模擬量控制發展到了全數字控制與網絡控制，變頻器的速度控制性能大幅度提高，轉矩控制與位置控制功能正逐步完善。

1.2 技術特點

作為一種面向交流感應電動機的通用控制裝置，與其他交流控制裝置（如伺服驅動器）比較，變頻器具有如下明顯的技術特點：

（1）多種控制方式兼容 V/f控制、矢量控制與直接轉矩控制各有自己的特點與適用范圍，目前還沒有具備各控制方式所有優點的理論與技術。為此，現代變頻器一般可兼容多種控制方式，使用時可通過參數的設定選擇所需要的控制方式。

（2）開環/閉環通用 閉環控制可通過反饋消除穩態誤差，提高精度，但也帶來了系統穩定性問題。為適應不同的控制要求，現代變頻器一般采用開環/閉環通用的結構形式，開環變頻器只要簡單地增加閉環接口便可實現閉環控制。

（3）適應性強 變頻器兼容的多種控制方式可適應各類負載的控制要求，而且可以進行1∶n（多電動機）控制。但由于控制對象不確定，無法建立準確的電動機模型，使變頻器的控制難度大大增加，其性能要明顯低于使用專用電動機的交流主軸與伺服驅動器。

1.3 發展方向

變頻器自產生起至今仍是人們研究的熱點，上世紀，變頻器的研究主要集中于電力電子器件的應用、電路拓撲結構及控制理論與方法上，并使動態性能與控制精度得到了大幅度提高。進入21世紀以來，隨著社會進步、信息技術普及與資源、環境等深層次社會問題逐漸顯露，人們在提高變頻器本身性能的同時，更注重了提高功率因數、節能降耗、減少電網公害、改善環境影響及與工業自動化網絡完美結合等綜合性問題，高性能化、環保化、網絡化已成為現代變頻器發展的必然趨勢。

2 高性能化

2.1 變頻控制理論與技術

理論研究與技術實用化是提高性能的前提，變頻控制理論與技術發展經歷了V/f控制、矢量控制與直接轉矩控制三個階段。

V/f控制是一種經典控制理論。在感應電動機誕生后不久，人們通過對等效電路與穩態特性的分析，便得出了電樞電壓與頻率比保持恒定的V/f控制方案，由于受技術的限制，直到20世紀70年代第2代電力電子器件與PWM控制技術的出現才被真正實用化。

V/f控制是在忽略感應電動機定子電阻等因素影響的前提下，從穩態特性上得出的速度控制方案，它較好地解決了感應電動機的平滑調速問題，但本質上不具備轉矩控制功能，因此，電動機的轉矩特性差，有效調速范圍小，電動機需“降額”使用。

V/f控制的最大優點是變頻控制與對象特性幾乎無關，負載波動對速度的影響小，因而可用于各類電動機與多電動機控制，所以，即使在矢量控制早已實用化的今天，對于結構參數特殊的高速電動機、或對低速穩定性有較高要求的磨床/研磨機主軸控制、或用一臺變頻器同時控制多臺電動機的場合，仍需采用V/f控制方式。

矢量控制理論由西門子工程師F.Blaschke等人在上世紀70年初首先提出，80年代初矢量控制的變頻器研制成功，并迅速普及與推廣。矢量控制的基本出發點是將感應電動機等效為直流電動機。該理論通過坐標變換將定子電流分解為轉矩電流Iq和勵磁電流Id兩個獨立分量，實現了磁通與轉矩的解耦。矢量控制需要進行坐標變換，解耦得到的勵磁電流Id對應轉子磁鏈，故又稱“坐標變換矢量控制”或“轉子磁場定向控制”。

矢量控制解決了感應電動機的轉矩控制問題。但由于轉子磁鏈與開環系統速度的精確觀測與控制難度很大，為此，變頻器實際使用的通常都是簡化了的控制方案（如轉差頻率矢量控制、定子磁場定向矢量控制等），至今尚未形成一種世所公認的最佳控制方案。

直接轉矩控制理論在上世紀80年代中期由德國Depenbrock教授等首先提出。該理論摒棄了矢量控制的定子電流“解耦”思想，省略了復雜的旋轉坐標變換與計算，使得轉矩控制更為簡捷，80年代末被逐漸應用到變頻器產品上。直接轉矩控制是基于定子電壓的轉矩控制方案。理論證明了在忽略定子電阻影響時，定子磁鏈矢量的運動方向與定子電壓方向一致、且旋轉速度決定于定子電壓幅值，因此，可利用空間矢量分析法在定子坐標系下計算出感應電動機的轉矩。

直接轉矩控制的最大優點是不需要進行電流、磁鏈等變量的復雜變換，其物理概念明確，系統結構簡單，特別適合開環控制的變頻器，但同樣存在轉矩與開環速度的精確觀測問題。

2.2 控制技術的改進

V/f控制的主要問題是低頻工作時的輸出轉矩下降過大。為此，現代變頻器采用了低頻轉矩提升、多點V/f設定、速度誤差補償等方法來提高性能。

低頻轉矩提升是通過改變f=0時的輸出電壓、改變V/f控制曲線的起點，來補償定子電阻壓降、提升輸出轉矩的一種方法；多點V/f設定則是人為規定V/f比，改變V/f控制曲線形狀的控制方法，其負載適應性更好（圖2）。

速度誤差補償是根據感應電動機的機械特性（M－n曲線）與額定電流、轉差，按實際輸出電流推算出穩態速降，并通過提高輸出頻率補償穩態速降的一種方法。轉差頻率補償、定子電阻壓降補償是開環V/f控制常用的功能；在精度要求高的場合，還可直接采用閉環V/f控制來消除穩態速度誤差。

現代變頻器在使用改進的V/f控制功能后，3 Hz工作時的連續輸出轉矩與最大輸出轉矩已分別可達50%Me與150%Me以上，輸出轉矩大于50%Me（Me為額定轉矩）的有效調速范圍為1∶40左右；速度響應為10～20 rad/s；開環速度精度為±（2～3）%，閉環控制時可達 ±（0.2 ～0.3）%。

矢量控制與直接轉矩控制的共性問題是建立準確的磁通觀測器與速度觀察器，前者決定了變頻器的轉矩控制性能，后者決定了變頻器的開環速度控制精度。精確的對象模型需要詳細的參數（如電動機的定子/轉子電阻、電感、鐵芯飽和系數等），這對控制對象不確定的通用變頻器來說是非常困難甚至是不可能的。為此，現代變頻器在完成變頻控制的基礎上，增加了可自動進行對象參數測試與設定的“自動調整（Autotuning）”功能。

自動調整功能包括長線調整、停止型調整、空載旋轉型調整與帶負載在線自動調整等。長線調整用于電樞連接線與電動機定子的電阻測試與設定，可減小低頻時的定子電阻壓降對輸出轉矩的影響，它對V/f控制、矢量控制、直接轉矩控制同樣有效。停止型調整通過電動機的靜態勵磁，可根據電壓/電流反饋數據，計算出建立模型所需要的電阻、電感等基本參數。旋轉型調整最初只能在空載時進行，它從不同轉速下的動態電壓/電流變化數據，計算出較為準確的對象參數；而在線自動調整則可以在此基礎上進一步完成包括負載慣量在內的更多參數的測試與設定，其模型更為準確。

當前，開環矢量控制變頻器的3 Hz連續輸出轉矩已可達95%Me以上，0.3 Hz時的最大輸出轉矩可達200%Me；有效調速范圍大于1∶200；速度響應為120 rad/s左右；速度精度為 ±（0.2 ～0.3）%。閉環矢量控制的變頻器的有效調速范圍可達1∶1 500以上；速度響應為300 rad/s左右；速度精度可達 ±（0.02～0.03）%，其性能已經接近交流主軸驅動器。

2.3 位置控制

為使變頻器的應用進一步向運動控制領域拓展，現代變頻器已具備了簡單的位置控制功能，但目前只能實現定向停止與任意角度定位（分度定位）控制，而不能像伺服系統那樣進行高增益、高精度插補控制與同步控制。

位置控制需要在速度控制前再增加一個位置環，因此必須采用閉環控制結構。矢量控制的變頻器由于“解耦”在旋轉磁場坐標系上實現，所構成的位置控制系統響應速度較快，但位置、速度、電流三環調整比較困難，為此，通常需要采用“滑模變結構控制”與“最優位置控制”等方案。

滑模變結構控制具有“結構自適應”功能，其性能要優于固定結構的系統，且實現容易、動靜態性能較好；最優位置控制是運用現代控制理論設計的位置控制方案，它只需要考慮系統的機械特性，系統結構簡單，但對三階以上系統的實時求解比較困難。位置控制同樣也有多種理論與方案，但用于通用感應電動機的控制性能與交流伺服電動機差距甚遠，要做到完全位置控制是極為困難的。

3 環保化

變頻器的環保化包括減小網側諧波、提高功率因數、節能降噪、縮小體積等方面的內容。以上問題均與主回路有關，需要通過應用新型電力電子器件與改進電路拓撲結構解決。

3.1 電力電子器件的應用

電力電子器件是變流技術的基礎元件，變頻器的整流與逆變主回路都要采用電力電子器件。理想的電力電子器件應具有載流密度大、導通壓降小；耐壓高、控制容易；工作頻率高、開關速度快的特點。

電力電子器件的發展經歷了以晶閘管為代表的第一代“半控型”器件，以GTO、GTR與功率MOSFET為代表的第二代“全控型”器件，以IGBT為代表的第三代“復合型”器件以及當前以IPM為代表的第四代功率集成器件（PIC）的歷程。第一代電子電力器件由于關斷不可控與工作頻率低，實際上并沒有為變頻器的實用化帶來幫助。變頻器的快速發展始于第二代“全控型”器件；而第三代“復合型”器件的出現，更使變頻器的小型、高效、低噪聲成為了現實；第四代功率集成電路的實用化則使變頻控制更為簡單、性能更高。

早期的變頻器大都采用GTR；1988年后開始使用IGBT；1994后在高性能專用變頻器上開始逐步使用第四代IPM，但目前通用變頻器的主導器件仍然是IGBT。

第二代產品中的功率MOSFET至今仍不失為一種優秀的電力電子器件。其顯著特點是驅動電路簡單、驅動功率小、無少數載流子存儲效應，特別是工作頻率可高達MHz，為所有電力電子器件之最。但由于電流容量小、耐壓低、通態壓降大（實用化水平大致在1 kV/2 A/2 MHz與60 V/200 A/2 MHz左右），因而不適合變頻器使用。

第三代產品中的IGBT可視為雙極型大功率晶體管與功率場效應晶體管的復合，產品兼有GTR通態壓降小、載流密度大、耐壓高和功率MOSFET驅動功率小、開關速度快、輸入阻抗高、熱穩定性好的優點（實用化水平大致在4 500 V/1 000 A/150 kHz左右），是當前中高壓、中小功率變頻器的主流器件。4.5kV/1 kA以上高壓、大容量IGBT開發、MCT的普及是第三代產品的發展方向。

功率集成電路（PIC）是電力電子器件技術與微電子技術結合的產物，它是一種將功率器件、驅動電路、保護電路、接口電路等集成于一體的智能器件。PIC分為高壓功率集成電路（HVIC）、智能功率集成電路（SPIC）和智能功率模塊（IPM）三類，其中，HVIC的電流容量較小（20 A以下），SPIC的電流容量大但耐壓能力差，而IPM則是一種適用于變頻器的新型功率器件。

IPM具有過壓、過流、過熱等故障監測電路，信號可直接傳送至外部，因此，具有體積小、可靠性高、使用方便等優點；IPM內部的功率器件一般為IGBT，其功率性能與IGBT相似；但IPM的價格相對較高，目前多用于性能高、價格貴的專用變頻器（如交流伺服驅動器、交流主軸驅動器等）。

3.2 拓撲結構的改進

改進變頻器主回路的拓撲結構是實現“環保化”的重要手段。雖然，目前中小功率變頻器的仍以傳統的“交－直－交”電壓控制型PWM逆變為主導，但隨著對用電設備能耗、環保要求的不斷提高，12脈沖整流、雙PWM變頻技術、三電平逆變、矩陣控制技術等新結構正在被普及與實用化。

雙PWM變頻是指整流與逆變同時采用PWM控制的“交－直－交”電壓控制型逆變電路。該拓撲結構具有本征四象限工作能力，因此，可解決變頻器能量的雙向流動問題，無須增加附加設備就能實現回饋制動；此外，通過對整流的高頻正弦波PWM控制，可使輸入電流的波形、相位與輸入電源相同，變頻器的功率因數可接近1。

12脈沖整流是對變頻器網側整流電路所進行的改進，該結構的主回路采用了交流輸入獨立、直流輸出并聯的兩組整流橋，兩組整流的輸入電壓幅值相同、相位相差30°（通過△/Y變壓得到），在直流輸出側得到的是電壓疊加的12個整流脈沖波形（圖3）。這種整流方式雖只對整流電路進行了簡單的改進，但帶來的優點是兩組整流橋輸入電流傅立葉級數展開式中的5、7、17、19、…次諧波正好相互抵消，從而大大減輕了變頻器的諧波危害，降低了輸入變壓器、斷路器、電纜等相關設備的容量與耐壓要求；同時，整流側電壓紋波只有6脈沖整流的50%，變頻器內部對平波器件的要求亦可相應降低。

三電平逆變方案原本是為解決低壓器件的高電壓控制問題所設計的電路，但由于它具有可靠性高、輸出電流波形好、電動機側的電磁干擾與諧波小等優點，目前在中小容量的通用變頻器上也得到了推廣。三電平逆變電路（圖3）每個橋臂上使用了兩對串聯的IGBT，然后利用二極管V5與V6的1/2電壓鉗位控制，使每對IGBT所承受的最大電壓降低到E/2，而電動機每相輸出將由普通逆變的兩種狀態（ －E、E）變為三種狀態，即：V3/V4導通（輸出電壓為 －E/2）、V2/V3導通（輸出電壓為0）、V1/V2導通（輸出電壓為E/2），IGBT所承受的最大電壓只有原來的1/2，從而提高了可靠性、縮小了體積、改善了輸出電流波形。

矩陣控制變頻器（Matrix Converter）是一種借鑒了傳統“交－交”變頻方式，融合現代控制技術的新型控制技術，矩陣控制完全脫離了“交－直－交”電壓控制型PWM的結構，可以直接將輸入的M相交流轉換為幅值與頻率可變、相位可調的N相交流輸出，當前小容量的矩陣控制變頻器產品已經問世。

矩陣控制變頻器目前使用的是具有輸入功率因數校正功能的3相到3相的矩陣式“交－交”變換電路。與傳統的“交－直－交”變頻相比，矩陣控制變頻無中間直流儲能環節、能量可以雙向流動、輸入諧波低，且輸入電流的相位靈活可調（理論功率因數可達到0.99以上），還可實現相位的超前與滯后控制，起到功率因數補償器的作用。矩陣控制的變頻器結構緊湊、效率高，可以實現四象限運行與回饋制動，其發展前景良好。矩陣控制變頻當前存在的主要問題是使用的功率器件數量多且為雙向器件，變換控制的難度較大，電壓的傳輸比較低，因此，目前還只能用于小容量變頻器。

3.3 低噪聲控制技術

降低變頻器的噪聲是環保化的重要內容之一。變頻器噪聲包括電磁干擾與音頻干擾（噪聲）兩大方面。降低電磁干擾方法主要有：在進線與電樞線上安裝電抗器、采用屏蔽電纜、安裝EMC濾波器、零相電抗器等；變頻器的音頻干擾通常需要調整PWM載波頻率實現。

研究表明，人體對3～4 kHz的噪聲最為敏感，而對500 Hz以下或8 kHz以上的噪聲反應遲鈍。為此，現代變頻器采用了柔性PWM控制技術（Soft－PWM），通過PWM載波頻率的自動調整來回避敏感區。柔性PWM控制技術不僅可以降低噪聲、限制射頻干擾，而且還具有減小開關損耗、保護功率器件的作用。當變頻器在低頻滿負載工作時，過高的PWM頻率將導致逆變功率器件的損耗大幅度增加，而采用柔性PWM控制技術的變頻器可在重載（大于85%Me）與低頻（小于6 Hz）時，自動降低PWM載波頻率以保護器件。

4 變頻器的網絡化

信息技術發展到了今天，網絡控制已成為所有自動化控制裝置的必備功能之一。通過網絡總線鏈接，將變頻器作為網絡從站納入現場總線網，由主站（如計算機、PLC、CNC等）進行集中、統一控制，不僅有利于制造業的信息化與自動化，而且還可以節省現場配線、簡化系統結構。

變頻器采用數字化控制后已具備了網絡控制的前提條件，它完全可以像其他自動化裝置那樣實現網絡控制。然而，由于變頻器使用簡單、控制容易、價格低廉等方面原因，直到21世紀人們才開始重視網絡控制技術，起步明顯晚于PLC、CNC等。21世紀初期的變頻器網絡功能只局限于“點到點”的數據通信與借助專用軟件的監控、調試等簡單功能，網絡鏈接需要通過專門的選件模塊實現。

現代變頻器大幅度提升了網絡控制功能，變頻器不僅具有標準的RS485接口，且開始配備USB接口與支持 PROFIBUS－DP、CC －Link、Device－NET、Mod bus、CANopen、EtherNET等開放式現場總線的通信協議；用于遠程故障診斷與維修的Teleservice技術也已經開始在變頻器上應用；變頻器的調試、監控與管理更加容易，可靠性更高。

5 結語

變頻器自20世紀70年代誕生以來，經過30多年的努力，其應用領域正在不斷擴大，發展前景廣闊。然而，感應電動機控制是一個極為復雜的問題，盡管矢量控制、直接轉矩控制使變頻器的性能得到了大幅度提高，但磁通的精確觀測、電動機參數的在線識別、電壓的重構與死區補償、面向三電平逆變的PWM控制、矩陣控制的變換等諸多問題還有待于進一步探索與研究；在實現高精度速度控制的基礎上，能夠使通用感應電動機進行高精度位置控制是人們對變頻器的最終期望。相信隨著研究工作的不斷深入，感應電動機的控制理論與技術將會更加完善與成熟。

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Technical Characteristics and Development Direction of the Current Inverter

XU Chaoshan，GONG Zhonghua
（Changzhou Institute of Mechatronic Technology，Changzhou 213164，CHN）

This article introduces the development history，technology characteristic and development direction of general purpose inverter.Some latest techniques of current inverters are comprehensively analyzed and specified which can advance inverters’high performance，protecting environment and linking into network.

Inverter；Technology Characteristic；Development Direction；Latest Techniques

許朝山，1970年生，工程碩士，副教授，研究方向：機械制造自動化。

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2009－10－20）

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