现代变频器的技术特点与发展方向

许朝山 龚仲华

（常州机电职业技术学院，江苏常州 213164）

现代变频器的技术特点与发展方向

许朝山 龚仲华

（常州机电职业技术学院，江苏常州 213164）

介绍了通用变频器的发展历程、技术特点与发展方向，并对当代变频器高性能化、环保化与网络化所涉及的各种最新技术进行了综合分析与阐述。

变频器 技术特点 发展方向 最新技术

通用变频器（以下简称变频器）是20世纪70年代初随电力电子器件、PWM控制技术的发展出现的一种感应电动机调速装置，矢量控制理论的诞生使变频器的转矩与位置控制成为了现实。当前，变频器的控制技术已日臻完善、性能不断提高，产品在自动控制各领域取得了广泛应用，在某些场合甚至出现了全面替代直流传动的趋势。本文介绍了当今世界变频控制技术的发展简况，分析了现代变频器的技术特点与发展方向，并对变频器高性能化、环保化、网络化所涉及的最新技术进行了全面阐述。

1 通用变频器的技术特点与发展方向

1.1 发展历程

变频器是一种强弱电综合的控制装置，其共性关键技术包括“变流技术”与“控制技术”两方面。前者主要涉及电力电子器件应用、电路拓扑结构与PWM控制等问题；后者是感应电动机控制理论研究与控制技术实用化问题。图1是世界变频器的主要技术应用与发展简图。

变频器使用的电力电子器件主要经历了第二代的GTR、第三代的是IGBT与第四代的IPM的发展历程，IGBT与IPM为现代变频器的主流器件。在电路拓扑结构上，目前仍以“交－直－交”电压控制型PWM逆变为主流；但12脉冲整流、双PWM变频、三电平逆变等技术已在高性能变频器上应用（如YASKAWA的Varispeed G7）；“交－交”逆变、矩阵控制的变频器产品已问世（如YASKAWA的Varispeed V1000）；数字化SPWM、矢量化PWM已经成为实用化技术。

变频器的控制理论从最初的单一“恒定电压/频率比”控制（V/f控制）发展到了今天的矢量控制与直接转矩控制理论，而控制技术上则从模拟量控制发展到了全数字控制与网络控制，变频器的速度控制性能大幅度提高，转矩控制与位置控制功能正逐步完善。

1.2 技术特点

作为一种面向交流感应电动机的通用控制装置，与其他交流控制装置（如伺服驱动器）比较，变频器具有如下明显的技术特点：

（1）多种控制方式兼容 V/f控制、矢量控制与直接转矩控制各有自己的特点与适用范围，目前还没有具备各控制方式所有优点的理论与技术。为此，现代变频器一般可兼容多种控制方式，使用时可通过参数的设定选择所需要的控制方式。

（2）开环/闭环通用 闭环控制可通过反馈消除稳态误差，提高精度，但也带来了系统稳定性问题。为适应不同的控制要求，现代变频器一般采用开环/闭环通用的结构形式，开环变频器只要简单地增加闭环接口便可实现闭环控制。

（3）适应性强 变频器兼容的多种控制方式可适应各类负载的控制要求，而且可以进行1∶n（多电动机）控制。但由于控制对象不确定，无法建立准确的电动机模型，使变频器的控制难度大大增加，其性能要明显低于使用专用电动机的交流主轴与伺服驱动器。

1.3 发展方向

变频器自产生起至今仍是人们研究的热点，上世纪，变频器的研究主要集中于电力电子器件的应用、电路拓扑结构及控制理论与方法上，并使动态性能与控制精度得到了大幅度提高。进入21世纪以来，随着社会进步、信息技术普及与资源、环境等深层次社会问题逐渐显露，人们在提高变频器本身性能的同时，更注重了提高功率因数、节能降耗、减少电网公害、改善环境影响及与工业自动化网络完美结合等综合性问题，高性能化、环保化、网络化已成为现代变频器发展的必然趋势。

2 高性能化

2.1 变频控制理论与技术

理论研究与技术实用化是提高性能的前提，变频控制理论与技术发展经历了V/f控制、矢量控制与直接转矩控制三个阶段。

V/f控制是一种经典控制理论。在感应电动机诞生后不久，人们通过对等效电路与稳态特性的分析，便得出了电枢电压与频率比保持恒定的V/f控制方案，由于受技术的限制，直到20世纪70年代第2代电力电子器件与PWM控制技术的出现才被真正实用化。

V/f控制是在忽略感应电动机定子电阻等因素影响的前提下，从稳态特性上得出的速度控制方案，它较好地解决了感应电动机的平滑调速问题，但本质上不具备转矩控制功能，因此，电动机的转矩特性差，有效调速范围小，电动机需“降额”使用。

V/f控制的最大优点是变频控制与对象特性几乎无关，负载波动对速度的影响小，因而可用于各类电动机与多电动机控制，所以，即使在矢量控制早已实用化的今天，对于结构参数特殊的高速电动机、或对低速稳定性有较高要求的磨床/研磨机主轴控制、或用一台变频器同时控制多台电动机的场合，仍需采用V/f控制方式。

矢量控制理论由西门子工程师F.Blaschke等人在上世纪70年初首先提出，80年代初矢量控制的变频器研制成功，并迅速普及与推广。矢量控制的基本出发点是将感应电动机等效为直流电动机。该理论通过坐标变换将定子电流分解为转矩电流Iq和励磁电流Id两个独立分量，实现了磁通与转矩的解耦。矢量控制需要进行坐标变换，解耦得到的励磁电流Id对应转子磁链，故又称“坐标变换矢量控制”或“转子磁场定向控制”。

矢量控制解决了感应电动机的转矩控制问题。但由于转子磁链与开环系统速度的精确观测与控制难度很大，为此，变频器实际使用的通常都是简化了的控制方案（如转差频率矢量控制、定子磁场定向矢量控制等），至今尚未形成一种世所公认的最佳控制方案。

直接转矩控制理论在上世纪80年代中期由德国Depenbrock教授等首先提出。该理论摒弃了矢量控制的定子电流“解耦”思想，省略了复杂的旋转坐标变换与计算，使得转矩控制更为简捷，80年代末被逐渐应用到变频器产品上。直接转矩控制是基于定子电压的转矩控制方案。理论证明了在忽略定子电阻影响时，定子磁链矢量的运动方向与定子电压方向一致、且旋转速度决定于定子电压幅值，因此，可利用空间矢量分析法在定子坐标系下计算出感应电动机的转矩。

直接转矩控制的最大优点是不需要进行电流、磁链等变量的复杂变换，其物理概念明确，系统结构简单，特别适合开环控制的变频器，但同样存在转矩与开环速度的精确观测问题。

2.2 控制技术的改进

V/f控制的主要问题是低频工作时的输出转矩下降过大。为此，现代变频器采用了低频转矩提升、多点V/f设定、速度误差补偿等方法来提高性能。

低频转矩提升是通过改变f=0时的输出电压、改变V/f控制曲线的起点，来补偿定子电阻压降、提升输出转矩的一种方法；多点V/f设定则是人为规定V/f比，改变V/f控制曲线形状的控制方法，其负载适应性更好（图2）。

速度误差补偿是根据感应电动机的机械特性（M－n曲线）与额定电流、转差，按实际输出电流推算出稳态速降，并通过提高输出频率补偿稳态速降的一种方法。转差频率补偿、定子电阻压降补偿是开环V/f控制常用的功能；在精度要求高的场合，还可直接采用闭环V/f控制来消除稳态速度误差。

现代变频器在使用改进的V/f控制功能后，3 Hz工作时的连续输出转矩与最大输出转矩已分别可达50%Me与150%Me以上，输出转矩大于50%Me（Me为额定转矩）的有效调速范围为1∶40左右；速度响应为10～20 rad/s；开环速度精度为±（2～3）%，闭环控制时可达 ±（0.2 ～0.3）%。

矢量控制与直接转矩控制的共性问题是建立准确的磁通观测器与速度观察器，前者决定了变频器的转矩控制性能，后者决定了变频器的开环速度控制精度。精确的对象模型需要详细的参数（如电动机的定子/转子电阻、电感、铁芯饱和系数等），这对控制对象不确定的通用变频器来说是非常困难甚至是不可能的。为此，现代变频器在完成变频控制的基础上，增加了可自动进行对象参数测试与设定的“自动调整（Autotuning）”功能。

自动调整功能包括长线调整、停止型调整、空载旋转型调整与带负载在线自动调整等。长线调整用于电枢连接线与电动机定子的电阻测试与设定，可减小低频时的定子电阻压降对输出转矩的影响，它对V/f控制、矢量控制、直接转矩控制同样有效。停止型调整通过电动机的静态励磁，可根据电压/电流反馈数据，计算出建立模型所需要的电阻、电感等基本参数。旋转型调整最初只能在空载时进行，它从不同转速下的动态电压/电流变化数据，计算出较为准确的对象参数；而在线自动调整则可以在此基础上进一步完成包括负载惯量在内的更多参数的测试与设定，其模型更为准确。

当前，开环矢量控制变频器的3 Hz连续输出转矩已可达95%Me以上，0.3 Hz时的最大输出转矩可达200%Me；有效调速范围大于1∶200；速度响应为120 rad/s左右；速度精度为 ±（0.2 ～0.3）%。闭环矢量控制的变频器的有效调速范围可达1∶1 500以上；速度响应为300 rad/s左右；速度精度可达 ±（0.02～0.03）%，其性能已经接近交流主轴驱动器。

2.3 位置控制

为使变频器的应用进一步向运动控制领域拓展，现代变频器已具备了简单的位置控制功能，但目前只能实现定向停止与任意角度定位（分度定位）控制，而不能像伺服系统那样进行高增益、高精度插补控制与同步控制。

位置控制需要在速度控制前再增加一个位置环，因此必须采用闭环控制结构。矢量控制的变频器由于“解耦”在旋转磁场坐标系上实现，所构成的位置控制系统响应速度较快，但位置、速度、电流三环调整比较困难，为此，通常需要采用“滑模变结构控制”与“最优位置控制”等方案。

滑模变结构控制具有“结构自适应”功能，其性能要优于固定结构的系统，且实现容易、动静态性能较好；最优位置控制是运用现代控制理论设计的位置控制方案，它只需要考虑系统的机械特性，系统结构简单，但对三阶以上系统的实时求解比较困难。位置控制同样也有多种理论与方案，但用于通用感应电动机的控制性能与交流伺服电动机差距甚远，要做到完全位置控制是极为困难的。

3 环保化

变频器的环保化包括减小网侧谐波、提高功率因数、节能降噪、缩小体积等方面的内容。以上问题均与主回路有关，需要通过应用新型电力电子器件与改进电路拓扑结构解决。

3.1 电力电子器件的应用

电力电子器件是变流技术的基础元件，变频器的整流与逆变主回路都要采用电力电子器件。理想的电力电子器件应具有载流密度大、导通压降小；耐压高、控制容易；工作频率高、开关速度快的特点。

电力电子器件的发展经历了以晶闸管为代表的第一代“半控型”器件，以GTO、GTR与功率MOSFET为代表的第二代“全控型”器件，以IGBT为代表的第三代“复合型”器件以及当前以IPM为代表的第四代功率集成器件（PIC）的历程。第一代电子电力器件由于关断不可控与工作频率低，实际上并没有为变频器的实用化带来帮助。变频器的快速发展始于第二代“全控型”器件；而第三代“复合型”器件的出现，更使变频器的小型、高效、低噪声成为了现实；第四代功率集成电路的实用化则使变频控制更为简单、性能更高。

早期的变频器大都采用GTR；1988年后开始使用IGBT；1994后在高性能专用变频器上开始逐步使用第四代IPM，但目前通用变频器的主导器件仍然是IGBT。

第二代产品中的功率MOSFET至今仍不失为一种优秀的电力电子器件。其显著特点是驱动电路简单、驱动功率小、无少数载流子存储效应，特别是工作频率可高达MHz，为所有电力电子器件之最。但由于电流容量小、耐压低、通态压降大（实用化水平大致在1 kV/2 A/2 MHz与60 V/200 A/2 MHz左右），因而不适合变频器使用。

第三代产品中的IGBT可视为双极型大功率晶体管与功率场效应晶体管的复合，产品兼有GTR通态压降小、载流密度大、耐压高和功率MOSFET驱动功率小、开关速度快、输入阻抗高、热稳定性好的优点（实用化水平大致在4 500 V/1 000 A/150 kHz左右），是当前中高压、中小功率变频器的主流器件。4.5kV/1 kA以上高压、大容量IGBT开发、MCT的普及是第三代产品的发展方向。

功率集成电路（PIC）是电力电子器件技术与微电子技术结合的产物，它是一种将功率器件、驱动电路、保护电路、接口电路等集成于一体的智能器件。PIC分为高压功率集成电路（HVIC）、智能功率集成电路（SPIC）和智能功率模块（IPM）三类，其中，HVIC的电流容量较小（20 A以下），SPIC的电流容量大但耐压能力差，而IPM则是一种适用于变频器的新型功率器件。

IPM具有过压、过流、过热等故障监测电路，信号可直接传送至外部，因此，具有体积小、可靠性高、使用方便等优点；IPM内部的功率器件一般为IGBT，其功率性能与IGBT相似；但IPM的价格相对较高，目前多用于性能高、价格贵的专用变频器（如交流伺服驱动器、交流主轴驱动器等）。

3.2 拓扑结构的改进

改进变频器主回路的拓扑结构是实现“环保化”的重要手段。虽然，目前中小功率变频器的仍以传统的“交－直－交”电压控制型PWM逆变为主导，但随着对用电设备能耗、环保要求的不断提高，12脉冲整流、双PWM变频技术、三电平逆变、矩阵控制技术等新结构正在被普及与实用化。

双PWM变频是指整流与逆变同时采用PWM控制的“交－直－交”电压控制型逆变电路。该拓扑结构具有本征四象限工作能力，因此，可解决变频器能量的双向流动问题，无须增加附加设备就能实现回馈制动；此外，通过对整流的高频正弦波PWM控制，可使输入电流的波形、相位与输入电源相同，变频器的功率因数可接近1。

12脉冲整流是对变频器网侧整流电路所进行的改进，该结构的主回路采用了交流输入独立、直流输出并联的两组整流桥，两组整流的输入电压幅值相同、相位相差30°（通过△/Y变压得到），在直流输出侧得到的是电压叠加的12个整流脉冲波形（图3）。这种整流方式虽只对整流电路进行了简单的改进，但带来的优点是两组整流桥输入电流傅立叶级数展开式中的5、7、17、19、…次谐波正好相互抵消，从而大大减轻了变频器的谐波危害，降低了输入变压器、断路器、电缆等相关设备的容量与耐压要求；同时，整流侧电压纹波只有6脉冲整流的50%，变频器内部对平波器件的要求亦可相应降低。

三电平逆变方案原本是为解决低压器件的高电压控制问题所设计的电路，但由于它具有可靠性高、输出电流波形好、电动机侧的电磁干扰与谐波小等优点，目前在中小容量的通用变频器上也得到了推广。三电平逆变电路（图3）每个桥臂上使用了两对串联的IGBT，然后利用二极管V5与V6的1/2电压钳位控制，使每对IGBT所承受的最大电压降低到E/2，而电动机每相输出将由普通逆变的两种状态（ －E、E）变为三种状态，即：V3/V4导通（输出电压为 －E/2）、V2/V3导通（输出电压为0）、V1/V2导通（输出电压为E/2），IGBT所承受的最大电压只有原来的1/2，从而提高了可靠性、缩小了体积、改善了输出电流波形。

矩阵控制变频器（Matrix Converter）是一种借鉴了传统“交－交”变频方式，融合现代控制技术的新型控制技术，矩阵控制完全脱离了“交－直－交”电压控制型PWM的结构，可以直接将输入的M相交流转换为幅值与频率可变、相位可调的N相交流输出，当前小容量的矩阵控制变频器产品已经问世。

矩阵控制变频器目前使用的是具有输入功率因数校正功能的3相到3相的矩阵式“交－交”变换电路。与传统的“交－直－交”变频相比，矩阵控制变频无中间直流储能环节、能量可以双向流动、输入谐波低，且输入电流的相位灵活可调（理论功率因数可达到0.99以上），还可实现相位的超前与滞后控制，起到功率因数补偿器的作用。矩阵控制的变频器结构紧凑、效率高，可以实现四象限运行与回馈制动，其发展前景良好。矩阵控制变频当前存在的主要问题是使用的功率器件数量多且为双向器件，变换控制的难度较大，电压的传输比较低，因此，目前还只能用于小容量变频器。

3.3 低噪声控制技术

降低变频器的噪声是环保化的重要内容之一。变频器噪声包括电磁干扰与音频干扰（噪声）两大方面。降低电磁干扰方法主要有：在进线与电枢线上安装电抗器、采用屏蔽电缆、安装EMC滤波器、零相电抗器等；变频器的音频干扰通常需要调整PWM载波频率实现。

研究表明，人体对3～4 kHz的噪声最为敏感，而对500 Hz以下或8 kHz以上的噪声反应迟钝。为此，现代变频器采用了柔性PWM控制技术（Soft－PWM），通过PWM载波频率的自动调整来回避敏感区。柔性PWM控制技术不仅可以降低噪声、限制射频干扰，而且还具有减小开关损耗、保护功率器件的作用。当变频器在低频满负载工作时，过高的PWM频率将导致逆变功率器件的损耗大幅度增加，而采用柔性PWM控制技术的变频器可在重载（大于85%Me）与低频（小于6 Hz）时，自动降低PWM载波频率以保护器件。

4 变频器的网络化

信息技术发展到了今天，网络控制已成为所有自动化控制装置的必备功能之一。通过网络总线链接，将变频器作为网络从站纳入现场总线网，由主站（如计算机、PLC、CNC等）进行集中、统一控制，不仅有利于制造业的信息化与自动化，而且还可以节省现场配线、简化系统结构。

变频器采用数字化控制后已具备了网络控制的前提条件，它完全可以像其他自动化装置那样实现网络控制。然而，由于变频器使用简单、控制容易、价格低廉等方面原因，直到21世纪人们才开始重视网络控制技术，起步明显晚于PLC、CNC等。21世纪初期的变频器网络功能只局限于“点到点”的数据通信与借助专用软件的监控、调试等简单功能，网络链接需要通过专门的选件模块实现。

现代变频器大幅度提升了网络控制功能，变频器不仅具有标准的RS485接口，且开始配备USB接口与支持 PROFIBUS－DP、CC －Link、Device－NET、Mod bus、CANopen、EtherNET等开放式现场总线的通信协议；用于远程故障诊断与维修的Teleservice技术也已经开始在变频器上应用；变频器的调试、监控与管理更加容易，可靠性更高。

5 结语

变频器自20世纪70年代诞生以来，经过30多年的努力，其应用领域正在不断扩大，发展前景广阔。然而，感应电动机控制是一个极为复杂的问题，尽管矢量控制、直接转矩控制使变频器的性能得到了大幅度提高，但磁通的精确观测、电动机参数的在线识别、电压的重构与死区补偿、面向三电平逆变的PWM控制、矩阵控制的变换等诸多问题还有待于进一步探索与研究；在实现高精度速度控制的基础上，能够使通用感应电动机进行高精度位置控制是人们对变频器的最终期望。相信随着研究工作的不断深入，感应电动机的控制理论与技术将会更加完善与成熟。

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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

许朝山，1970年生，工程硕士，副教授，研究方向：机械制造自动化。

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2009－10－20）

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