1.1 中、高壓變頻器技術的發展

在傳統調速系統中，直流調速以其控制簡單、調速精度高等特點長期處于主導地位，但是由于換向器的存在，使得結構復雜、事故率高、維修工作量大、過電流能力不強、環境適應差，單機難以實現大功率、特大功率和高速度化，加之難以應用在一些易燃、易爆場合等原因，一直限制了其應用范圍的進一步擴大。正是因為直流調速系統存在這些難于解決的缺點，才促使人們著力研究交流傳動技術。相比較而言，交流異步電動機具有環境適應能力強、過電流能力強、牢固耐用、結構簡單、容易維護及價格低廉等優點，但異步電動機的調速性能難以滿足生產要求。盡管人們早就知道改變交流異步電動機的頻率即可改變它的速度，但只有在電力電子器件、控制理論和高性能微處理器得到飛速發展后，才為高性能交流調速系統的實現奠定了基礎，進入實用化階段，使得交流調速性能可以和直流調速相媲美、相競爭，并漸漸取代直流調速，淘汰了用旋轉變頻發電機組作為可變頻率電源對異步電動機的調速方式。下面簡要介紹這些新技術、新理論對變頻器帶來的突飛猛進的發展。

1.1.1 新型電力電子器件促進了變頻器的發展

變頻器的核心器件是電力半導體開關器件，隨著高性能、大功率電力半導體器件的出現，變頻器也不斷地向前發展。

最早推動中、高壓變頻器工業化應用的因素是關鍵功率器件——晶閘管（SCR）的出現，早期的交-交高壓變頻器技術和電流型高壓變頻器技術都是基于SCR發展起來的。由于SCR開關性能的缺陷，隨后成功開發了一種高電壓、大電流、自關斷器件——門極關斷（Gate-Turn-Off，GTO）晶閘管。20世紀80年代末期，隨著低壓絕緣柵雙極型晶體管（LV-Insulated Gate Bipolar Transistor，LV-IGBT）的問世，促使在1995年推出了基于LV-IGBT功率單元串聯的高壓變頻器，基本解決了之前高壓變頻器諧波成分大、功率因數低的問題。1998年又推出了基于HV-IGBT的三電平結構高壓變頻器，IGBT具有輸入阻抗高、開關速度快、元器件損耗小、驅動電路簡單、驅動功率小、極限溫度高、熱阻小、飽和電壓降和電阻低、電流容量大、抗浪涌能力強、安全區寬、并聯容易、穩定可靠及模塊化等一系列優點，是一種理想的開關器件。

在IGBT問世時，還推出了基于集成門極換流晶閘管（Integrated Gate Commutated Thyris-tor，IGCT）的三電平結構高壓變頻器。IGCT是把MOS結構置于GTO晶閘管外面來協助關斷的電力電子器件，具有電流大、阻斷電壓高、開關頻率高、可靠性高、結構緊湊、導通損耗低等特點，而且成本低、成品率高，有很好的應用前景。

GTO晶閘管、IGBT及IGCT的比較見表1-1。

表1-1 GTO晶閘管、IGBT及IGCT的比較

由于目前的電力電子器件（IGBT）電壓耐量（800～1200V）的限制，中、高壓變頻調速領域還不能像低壓變頻調速領域那樣，用單一的電力電子器件完成變頻調速。通常用多脈沖變壓移相整流（見1.6節和1.7節）、多電平逆變器（見1.8節）、多重化單元串聯型逆變器（見1.9節）的方式解決中高壓的變頻調速。

IGBT和IGCT在中、高壓變頻器中得到應用后，現在持續向開關損耗更低、開關速度更快、耐壓更高、容量更大的方向發展。

1.1.2 變頻器隨著控制理論技術的創新而發展

變頻器不斷采用新控制理論技術而發展，集中體現下面三個方面：

1）第1代變頻器以電壓/頻率（U/f）恒定控制（見1.11.1節）為代表，實現這種控制的方法有很多，目前中、高壓通用變頻器大多采用正弦脈沖寬度調制（Sinusoidal Pulse-Width Modulation，SPWM）控制方式（見1.11.2節）來實現。這種控制方法的特點是：控制電路簡單、成本較低，但系統性能不高，控制曲線會隨負載變化，轉矩響應慢，頻率低于20Hz時，電動機輸出轉矩下降，轉矩利用率不高。

2）第2代變頻器采用矢量控制方式（見1.11.4節），矢量控制的一個突出優點是：可以使電動機在較低速時的輸出轉矩達到額定轉矩。現在，由矢量控制的交流變頻器組成的傳動系統已實現了數字化、智能化、模塊化控制；同時在軟件配置上也實現了標準化，還提供了許多非標準功能，如手動、自動設定、輸入設定值的通用性、自動重啟動功能等。矢量控制的交流變頻調速系統的動、靜態性能已完全能夠與直流調速系統相媲美，是目前比較成熟、完善的技術。

3）繼矢量控制系統以后，又發展了一種直接轉矩控制（Direct Torgue Control，DTC）交流變頻調速系統（見1.11.5節）。該技術避開了矢量控制中的兩次坐標變換及求矢量模與相角的復雜計算工作，直接在靜止的定子坐標系上計算電動機的轉矩與磁通，控制器結構簡單，具有良好的動、靜態性能。

1.1.3 變頻器應用微機新技術的發展

隨著微機控制技術的迅速發展，交流調速控制領域出現了以微處理器為核心的微機控制系統。

開始時，采用將CPU、ROM、RAM、定時器、D-A轉換器等直接集成到一塊芯片上的單片機，20世紀80年代采用以DSP（Digital Signal Processor，數字信號處理器）為基礎的內核，配以電動機控制所需的外圍功能電路，集成在單一芯片內的DSP單片電動機控制器。DSP和普通的單片機相比，數字運算處理能力增強10～15倍，確保了系統有更優越的控制性能。數字控制使硬件簡化，柔性的控制算法使控制具有很大的靈活性，可實現復雜控制規律，使現代控制理論應用在運動控制系統中成為現實；易于與上層系統連接進行數據傳輸，便于故障診斷、加強保護和監視功能，使系統智能化（如有些變頻器具有自調整功能）。1996年前后，將控制器、PWM、A-D轉換器等組成一體做成芯片，使得微處理器在性能上獲得質的飛躍。近年來，微機集成電路（IC）的集成度以驚人的速度發展，采用微機控制技術同時可以對變頻器進行控制和保護。

在控制方面，計算確定開關器件的導通和關斷時刻，使逆變器按調制策略輸出要求的電壓；通過不同的編碼實現多種傳動調速功能，如各種頻率的設定和執行，啟動、運行方式的選擇，轉矩控制的設定與運行，加減速設計與運行，制動方式的設定和執行等；通過接口電路、外部傳感器、微機構成調速傳動系統。

在保護方面，在外部傳感器及I/O電路配合下，構成完善的檢測保護系統，可完成多種自診斷保護方案。保護功能包括主電路、控制電路的欠電壓、過電壓保護，輸出電流的欠電流、過電流保護，電動機或逆變器的過載保護，制動電阻的過熱保護以及失速保護。采用人工智能技術對變頻器進行故障診斷，構成故障診斷系統，該系統由監控、檢測、知識庫（故障模式知識庫或故障診斷專家系統知識庫）、推理機構、人機對話接口和數據庫組成，不僅在故障發生后能準確地指出故障性質、部位，且在故障發生前也能預測發生故障的可能性。在變頻器啟動前對診斷系統本身及變頻器主電路（包括電源）、控制電路等進行一次診斷，清查隱患。若發現故障現象，則調用知識庫推理、判斷故障原因并顯示不能開機，如無故障則顯示可以開機，開機后，實時檢測診斷。工作時對各檢測點進行循環查詢，存儲數據并不斷刷新，若發現數據越限，則認為可能發生故障，立即定向追蹤。若幾次檢查結果相同，則說明確實出現故障，于是調用知識庫進行分析推理，確定是何種故障及其部位并顯示出來，嚴重時則發出停機指令。

1.1.4 變頻器應用現場總線和光纖通信技術的發展

在網絡日益普及的今天，對普通的點對點硬線連接方式而言，通過現場總線和光纖通信連接的變頻器系統可以最大程度地降低系統維護時間，提高生產效率，減少運行成本。一般變頻器系統配置最基本的RS-232/RS-485串行通信協議、PROFIBUS等現場總線協議以及局域網協議，對不同用戶的其他要求，可配置和選用不同的網絡協議。目前，安裝的現場總線模塊有PROFIBUS-DP、INTERBUS、Device Net、CANopen和MODBUS Plus等。用戶可以有更多的選擇，根據生產過程選擇PLC型號和品牌，并可以非常簡單地集成到現有的網絡中去。而且，通過現場總線模塊可以不考慮變頻器的型號，而以同一種語言與不同功率段、不同型號的變頻器進行組合，如功率、速度、轉矩、電流、設定值等，詳見第3章有關內容。

由于采用了現場總線和光纖通信，通過PLC可以方便地進行組態和系統維護，包括上傳、下載、復制、監控和參數讀寫等。

目前推出的變頻器具有極其靈活的通信功能，通過現場總線和光纖，不僅可在變頻器之間進行通信，還可與PLC或上一級自動化系統進行通信。此外，隨著變頻器的進一步推廣和應用，用戶也在不斷地提出各種新的要求，促進了變頻器功能的多樣化。

隨著新型電力電子器件和控制技術的發展，高性能微處理器的應用以及現場總線和光纖通信技術的應用，中、高壓變頻器的性價比越來越高，體積也越來越小，而廠家仍然在不斷地提高其可靠性以實現變頻器的進一步小型輕量化、高性能化、多功能化以及無公害化。