1引言
变频调速技术通过转矩、转速控制，在节能降耗与提高加工过程质量方面起了重要作用。在过去的几十年里变频调速技术发展非常快，从主回路拓扑结构、功率开关器件及驱动到数字信号处理器、控制策略均获得长足的进步;控制对象从异步电机到无刷直流、正弦同步电机、磁阻同步电机到伺服同步电机，变频调速技术的控制性能不断提升，在工业自动化领域起着越来越重要的作用，并已渗透到国民经济的各个角落。
能源的有效利用关系到国家经济的可持续性发展，具有非常重要的战略意义。中国经济目前处在高速增长的阶段，对能源的需求量非常大;但另一方面，能源利用率很低。根据有关调查研究，我国2003年的电能消耗中，60~70%为动力电;而在总容量高达5.8亿kw的电动机总容量中，却只有不到2000万kw的电动机是采用变频调速控制的。国家目前大力提倡推广变频调速技术，改造现有落后设备，提高生产、加工过程的效率，降低能源消耗;在过去的几年内中国变频器的市场保持着12％~15％的增长率，这个速度已经远远超过了近几年的gdp增长水平，而且至少在未来的5年内保持着10％以上的增长率。
2变频调速技术发展
2.1变频调速系统功率拓扑结构
变频调速中最为广泛使用的，也是最为基本的系统结构如图1所示。
三相50hz交流输入经过整流后在母线电容上建立直流电压，直流电压经过三相逆变器再转换为变压变频的交流输出电压，驱动三相电机。通过变压变频(vvvf)调节电机转速，达到降低使用电能、改进过程控制的目的。经过几十年的发展，变频调速系统的拓扑结构目前出现了多种形式，主要包括如下几种:
(1)电压源pwm逆变器(vsi)
vsi在通用变频器中应用最为广泛，其运行效率高，电机电流畸变小，调速范围宽。其基本结构不具备再生能力，再生能量通过制动单元及制动电阻消耗，如图2(a)所示;在其基础上出现具有回馈再生能力的“四象限”变频器，如图2(b)所示。
具有回馈功能的vsi在需要长时间发电运行的场合(如提升)应用较多。
以上介绍的是“两电平”vsi，还有所谓的“三电平”vsi，亦即所谓的npc-vsi(中点钳位式vsi)。yaskawa的g7通用变频器中就采用该种拓扑结构，减小电机侧尖峰电压，降低运行噪声，提高长线驱动能力。
(2)电流源pwm逆变器(csi)
csi的结构如图3所示。在csi中通过电流环控制及大直流电抗器近似实现“恒流源”特性。csi具有较高的可靠性，这是因为其对噪声及短路并不敏感;csi具有再生能力，而且对功率开关器件的速度要求较低，在电机侧产生的谐波电压及谐波电流可以通过电机本身绕组阻抗限制。但是csi要使用大的直流电抗器，并采用高耐压scr器件，同时要考虑抑制输出电压尖峰，这使其无法在小功率获得实际应用，因此csi主要用在大容量驱动(通常大于500kw)中应用，如机车牵引传动。
(3)负载换流逆变器(lci)
lci是一种特殊的csi，只能应用于同步电机驱动。它通过控制励磁电流，使电机工作于超前功率因素角下的“过激磁”状态，并通过电机emf实现自然换流。其基本结构如图4所示。
(4)交-交逆变器(cyclo-converter)
交-交逆变器(通常所说的“交交变频”)将恒频、恒压输入信号直接逆变为变压、变频信号。其基本结构如图5所示，从图中可以看出，该结构使用了大量的scr和特别的三相副边变压器，但由于不需要强迫换流，因此可以采用相对便宜的scr器件。
该种结构适合低速及零速运行，特别是采用矢量控制方式可以获得较高的性能，在轧钢等场合应用，功率等级在1mw以上;但由于随输出频率增加，输出电压谐波也大幅增加，因此该结构输出频率不高于25hz，通常运行频率都在输入频率的33%以下。
(5)矩阵逆变器(mc)
mc采用特别的换流pwm控制，如图6所示。实现固定频率、固定电压到变频、变压的ac/ac直接转换，省却了中间直流环节，并可实现四象限、高功率因素运行。采用mc，结合高性能控制策略，如vc、dtc等，可以实现高性能的驱动系统。yaskawa成功研制了应用于电梯驱动的样机。随着未来功率器件技术的进步和价格下降，mc在通用变频器中的应用优势将逐步明显。
2.2变频调速系统的功率器件
在过去的几十年里，变频调速系统中采用的功率器件取得了相当的进步，这要归功于功率半导体技术的迅猛发展。功率开关器件的开关损耗及导通损耗的降低，直接导致了变频调速系统体积、重量的大幅下降以及功率密度的大幅上升。在过去的20多年里，驱动系统的体积及重量下降的比率为10:1，其中80年代至90年代由于igbt引入使得系统体积及重量下降的比率为5:1，最为可观;而最近十几年由于系统设计的优化，系统体积及重量进一步下降，其比率为2:1。由此可见，功率器件的进步极大地推动了变频调速系统的发展。
从理论上讲，igbt器件管压降已经达到硅的极限，在1.8v左右，未来的发展主要在ipm及可靠性上;而采用所谓press-pack封装的hvigbt在3mw功率等级上获得了应用。值得一提的是sic器件，由于其可承受高关断电压，管压降及开关损耗低，工作温度高，有望在成本、体积上同时获得突破，在未来变频调速系统中的应用值得关注。由于不需要缓冲吸收，igct在高功率范围获得了应用。表1列出了一些常用的功率开关器件及其电压、电流等级。
2.3变频调速系统的控制
变频调速系统的控制方式包括v/f、矢量控制(vc)、直接转矩控制(dtc)等。v/f控制主要应用在低成本、性能要求较低的场合;而矢量控制的引入，则开始了变频调速系统在高性能场合的应用。近年来随着半导体技术的发展及数字控制的普及，矢量控制的应用已经从高性能领域扩展至通用驱动及专用驱动场合，乃至家用电器。交流驱动器已在工业机器人、自动化出版设备、加工工具、传输设备、电梯、压缩机、轧钢、风机泵类、电动汽车、起重设备及其它领域中得到广泛应用。随着半导体技术的飞速发展，数字信号处理器的处理能力愈加强大，处理速度不断提升，变频调速系统完全有能力处理复杂的任务，实现复杂的观测、控制算法，传动性能也因此达到前所未有的高度。值得一提的是，无速度传感器矢量控制已成为近年来驱动控制研究的热点，并在控制性能上获得长足的进步。随着具有强大处理能力的数字信号处理器的推出，实现该控制方式所需要的高鲁棒性、自适应的参数估计以及非线性状态观测成为可能，新的无速度传感控制方案不断推出。siemens、yaskawa、toshibage、rockwell、mistubishi、fuji等知名公司纷纷推出自己的svc控制产品，控制特性也在不断提高。svc目前已在印刷、印染、纺机、钢铁生产线、起重、电动汽车等领域中广泛应用，在高性能交流驱动中占有愈来愈重要的地位，并已成为通用变频器中的事实驱动设计标准。与svc相比，有速度传感器矢量控制(fvc)方式下，系统的稳速精度、动态响应都有一定的提高，并逐步替代伺服驱动(srv)的部分低端应用场合(如飞剪等)。
srv控制系统中同样采用了矢量控制方式，但考虑到加速能力、控制精度、动态响应等指标，系统设计时重点考虑了过载能力、码盘反馈精度及响应、环路(位置环、速度环及电流环)设计优化。表2列出了fvc与srv的设计指标比较，可以看出两者在稳速精度指标上相同，但在频率响应、电流响应等动态指标上有明显差异。
表2fvc与srv主要性能指标比较
性能指标fvcsrv
调速范围1:10001:5000
稳速精度±0.01%±0.01%
频率响应40hz400hz
电流响应360hz1500hz
最小加速时间(sec.)0.10.03
dtc是近年来引起关注的一种控制方式，abb公司于1995年推出了其直接转矩控制产品acs600，目前升级至acs800。国外研究人员将其称为“本质上的高级标量控制”，认为是一种自然的无速度传感器控制方式。与传统矢量控制相比，基本的dtc控制方式下，低速转矩、转速脉动较大，电流失真较严重，较适合在高功率范围(如机车牵引传动)应用。近年来，针对以上问题，研究人员对传统dtc进行了改进，提出了不少变形，但在计算量上有所增加，而且对参数的鲁棒性亦有所下降，在产业上的应用还需进一步研究。
从总体上来看，v/f及svc、dtc控制在市场上应用最多，目前占据了市场80%以上的分额;fvc由于成本较高，码盘、电缆及其安装接线等涉及问题较复杂，其销量不大，fvc相对较少，主要在一些精度较高的场合应用。未来随着svc观测模型的进一步完善，以及先进控制策略的引入，svc的调速范围、控制精度及动态响应性能将进一步提升，svc与fvc的差距将进一步减小;而另一方面，通用变频调速系统中的fvc控制亦将通过内置位置控制，优化环路设计及反馈精度来提升动态特性，逐步替代srv系统的部分应用场合。可以预见，技术的融合将引起这些控制方式在市场上的应用分布发生变化，相互重合的“灰色”区域会加大。
2.4变频调速系统的谐波及emi
变频调速系统中的谐波(包括输入谐波、输出谐波)及emi一直是变频调速系统应用中需要关注的重要问题。在通用变频调速系统中，由于前端采用了不可控整流，输入电流含有大量5次、7次谐波，污染电网。vfd输入、输出电压电流的典型谐波分布如图7所示。
谐波引起的电网污染，引起电网其它部分如电机、变压器、电缆、电容的附加损耗增加，温升提高，甚至与电网分布的功率因素校正电容产生“谐振”。这些高频信号，进一步产生电磁干扰(emi)，包括传导干扰及辐射干扰。目前主要通过采用交直流电抗器来改善系统功率因数，降低谐波含量;并采用输入输出滤波将emi水平降低至应用可接受的水平。
近年来，功率拓扑结构的改进，如四象限vsi、npc-vsi、mc的设计无疑对谐波、emi的抑制有重要作用，并将伴随功率器件的进步、性价比的提高，在未来通用变频调速系统中推广。另外，许多研究人员提出了一些拓扑结构与控制策略，通过降低共模电流，减小emi影响。所谓“绿色”变频的解决方案，将成为未来变频调速系统的重要研究方向，并将对市场应用产生深远影响。
3结束语
变频调速系统驱动技术在过去的几十年里发展很快，无论是功率拓扑结构、功率开关器件还是驱动控制策略、谐波抑制等都在不断地进步。无污染，高性能，高功率密度的变频调速系统将成为调速系统的发展方向。
参考文献
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abbacs800用户使用手册
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