通用變頻器技術的發展和展望

 1. 前言  
    交流傳動與控制技術是目前發展最為迅速的技術之一，這是和冉力電子器件制造技術、變流技術控制技術以及微型計算機和大規模集成電路的飛速發展密切相關。 

    通用變頻器作為早個商品開始在國內上市，是近十年的事，銷售額逐年增加，于今全年有超過數十億元（RMB）的市場。其中，各種進口品牌居多，功率小至百瓦大至數千千瓦；功能簡易或復雜；精度低或高；響應慢或快：有PG（測速機）或無PG;有噪音或無噪音等等。 

    對于許多用戶來說,這十年中經歷了多次更新，現所使用的變頻器大都屬于目前最為先進的機型如果從應用的角度來說，我們的水準與發達國家沒有什么兩樣。作為國內制造商,通過這十年來對國外的先進技術進行銷化，也正在積極地進行國產變頻器的自主開發．努力追趕世界發達國家的水平。 

    回顧近十年來國外通用變頻器技術的發展對于深入了解交流傳動與控制技術的走向，以及如何站在高起點上結合我國國情開發我國自己的產品應該說具有十分積極的意義。 

    2. 關于功率器件 

    變頻技術是建立在電力電子技術基礎之上的。在低壓交流電動機的傳動控制中，應用最多的功率器件有GTO、GTR、IGBT以及智能模塊IPM(Intelligent Power Module），后面二種集GTR的低飽和電壓特性和MOSFET的高頻開關特性于一體是目前通用變頻器中最廣泛使用的主流功率器件。IGBT集射電壓Vce可＜3V,頻率可達到20KHZ,內含的集射極間超高速二極管Trr可達150ns,1992年前后開始在通用變頻器中得到廣泛應用。其發展的方向是損耗更低,開關速度更快、電壓更高,容量更大(3.3KV、 1200A), 目前，采用溝道型柵極技術、非穿通技術等方法大幅度降低了集電極一發射極之間的飽和電壓[VCE（sat)]的第四代IGBT也已問世。 

    第四代IGBT的應用使變頻器的性能有了很大的提高。其一是ICBT開關器件發熱減少，將曾占主回路發熱50－70％的器件發熱降低了30％。其二是高載波控制，使輸出電流波形有明顯改善；其三是開關頻率提高，使之超過人耳的感受范圍，即實現了電機運行的靜青化；其四是驅動功率減少，體積趨于更小。 

    而IPM的投入應用比IGBT約晚二年，由于IPM包含了1GBT芯片及外圍的驅動和保護電路。甚至還有的把光耦也集成于一體，因此是種更為好用的集成型功率器件，目前，在模塊額定由流10－600A范圍內，通用變頻器均有采用IPM的趨問，其優點是： 

    （1）開關速度快，驅動電流小，控制驅動更為簡單。  

    （2）內含電流傳感器，可以高效迅速地檢測出過電流和短路電流，能對功率芯片給予足夠的保護，故障率大大降低。 

    （3）由于在器件內部電源電路和驅動電路的配線設計上做到優化，所以浪涌電壓，門極振蕩，噪聲引起的干擾等問題能有效得到控制。 

4）保護功能較為豐富，如電流保護、電壓保護、溫度保護一應俱全，隨著技術的進步，保護功能將進一步日臻完善。 

    （5）IPM的售價已逐漸接近IGBT．而計人采用IPM后的開關電源容量、驅動功率容量的減小和器件的節省以及綜合性能提高等因素后在許多場合其性價比已高過IGBT，有很好的經濟性。 

    為此IPM除了在工業變頻器中被大量采用之后，經濟型的IPM在近年內也開始在一些民用品如家用空調變頻器，冰箱變頻器、洗衣機變頻器中得到應用。IPM也在向更高的水平發展，日本三菱電機最近開發的專用智能模塊ASIPM將不需要外接光耦，通過內部自舉電路可單電源供電并采用了低電感的封裝技術，在實現系統小型化，專用化，高性能，低成本方面又推進了一步。 

    3. 關于控制方式 

    早期通用變頻器如東芝TOSVERT－130系列、FUJI FVRG5／P5系列，SANKEN SVF系列等大多數為開環恒壓比（V／F=常數）的控制方式．其優點是控制結構簡單、成本較低，缺點是系統性能不高，比較適合應用在風機、水泵調這場合。具體來說，其控制曲線會隨著負載的變化而變化；轉矩響應慢，電視轉矩利用率不高，低速時因定子電阻和逆變器死區效應的存在而性能下降穩定性變差等。對變頻器U／F控制系統的改造主要經歷了三個階段。 

    第一階段： 

    (1) 八十年代初日本學者提出了基本磁通軌跡的電壓空間矢量（或稱磁通軌跡法）。該方法以三相波形的整體生成效果為前提，以逼近電機氣隙的理想圓形旋轉磁場軌跡為目的，一次生成二相調制波形。這種方法被稱為電壓空間矢量控制。典型機種如1989年前后進入中國市場的FUJI（富士）FRN5OOOG5/P5、SANKEN（三墾）MF系列等。 

    (2) 引人頻率補償控制，以消除速度控制的穩態誤差 

    (3) 基于電機的穩態模型，用直流電流信號重建相電流，如西門子MicroMaster系列,由此估算出磁鏈幅值，并通過反饋控制來消除低速時定子電阻對性能的影響。 

    (4) 將輸出電壓、電流進行閉環控制，以提高動態負載下的電壓控制精度和穩定度，同時也一定程度上求得電流波形的改善。這種控制方法的另一個好處是對再生引起的過電壓、過電流抑制較為明顯，從而可以實現快速的加減速。 

    之后，1991年由富士電機推出大家熟知的FVR與 FRNG7／P7系列的設計中，不同程度融入了(2)(3)(4)項技術，因此很具有代表性。三菱日立，東芝也都有類似的產品。然而，在上述四種方法中，由于未引入轉矩的調節，系統性能沒有得到根本性的改善。