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[摘要］了解近十年來國外通用變頻器的技術發展對于深入了解交流傳動與控制技術的發展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都具有十分積極的意義。

[關鍵詞]通用變頻 電力電子 IGBT IPM PWM DTC

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：

（l）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；

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。

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。

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②3．④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.

矢量控制。也稱磁場定向控制。它是七十年代初由西德 F.Blasschke等人首先提出，以直流電動機和交流電動機比較的方法分析闡述了這一原理，由此開創了交流電動機等效直流電動機控制的先河。它使人們看到交流電動機盡管控制復雜，但同樣可以實現轉矩、磁場獨立控制的內在本質。

矢量控制的基本點是控制轉子磁鏈，以轉子磁通定向，然后分解定子電流，使之成為轉矩和磁場兩個分量，經過坐標變換實現正交或解耦控制。但是，由于轉子磁鏈難以準確觀測，以及矢量變換的復雜性，使得實際控制效果往往難以達到理論分析的效果，這是矢量控制技術在實踐上的不足。此外．它必須直接或間接地得到轉子磁鏈在空間上的位置才能實現定子電流解耦控制，在這種矢量控制系統中需要配留轉子位置或速度傳感器，這顯然給許多應用場合帶來不便。僅管如此，矢量控制技術仍然在努力融入通用型變頻器中，1992年開始，德國西門子開發了6SE70通用型系列，通過FC、VC、SC板可以分別實現頻率控制、矢量控制、伺服控制。1994年將該系列擴展至315KW以上。目前，6SE70系列除了200KW以下價格較高，在200KW以上有很高的性價比。

1985年德國魯爾大學Depenbrock教授首先提出直接轉矩控制理論（Direct Torque Control簡稱DTC）。直接轉矩控制與矢量控制不同，它不是通過控制電流、磁鏈等量來間接控制轉矩，而是把轉矩直接作為被控量來控制。

轉矩控制的優越性在于：轉矩控制是控制定子磁鏈，在本質上并不需要轉速信息；控制上對除定子電阻外的所有電機參數變化魯棒性良好；所引入的定子磁鍵觀測器能很容易估算出同步速度信息。因而能方便地實現無速度傳感器化。這種控制方法被應用于通用變頻器的設計之中，是很自然的事，這種控制被稱為無速度傳感器直接轉矩控制。然而，這種控制依賴于精確的電機數學模型和對電機參數的自動識別（Identification向你ID),通過ID運行自動確立電機實際的定子阻抗互感、飽和因素、電動機慣量等重要參數，然后根據精確的電動機模型估算出電動機的實際轉矩、定子碰鏈和轉子速度，并由磁鏈和轉矩的Band－Band控制產生PWM信號對逆變器的開關狀態進行控制。這種系統可以實現很快的轉矩響應速度和很高的速度、轉矩控制精度。

1995年ABB公司首先推出的ACS600直接轉矩控制系列，已達到<2ms的轉矩響應速度在帶PG時的靜態速度精度達土O.01%，在不帶PG的情況下即使受到輸入電壓的變化或負載突

變的影響，向樣可以達到正負0.1％的速度控制精度。其他公司也以直接轉矩控制為努力目標，如安川VS－676H5高性能無速度傳感器矢量控制系列，雖與直接轉矩控制還有差別，但它也已做到了100ms的轉矩響應和正負0.2%（無PG）,正負0.01％（帶 PG）的速度控制精度，轉矩控制精度在正負3％左右。其他公司如日本富士電機推出的FRN 5000G9／P9以及最新的 FRN5000Gll／P11系列出采取了類似無速度傳感器控制的設計，性能有了進一步提高，然而變頻器的價格并不比以前的機型昂貴多少。

控制技術的發展完全得益于微處理機技術的發展，自從1991年INTEL公司推出8X196MC系列以來，專門用于電動機控制的芯片在品種、速度、功能、性價比等方面都有很大的發展。如日本三菱電機開發用于電動機控制的M37705、M7906單片機和美國德州儀器的TMS320C240DSP等都是頗具代表性的產品。

4.關于PWM技術

PWM控制技術一直是變頻技術的核心技術之一。1964年A.Schonung和H.stemmler首先在<<BBC>>評論上提出把這項通訊技術應用到交流傳動中，從此為交流傳動的推廣應用開辟了新的局面。

從最初采用模擬電路完成三角調制波和參考止弦波比較，產生止弦脈寬調制SPWM信號以控制功率器件的開關開始，到目前采用全數字化方案，完成優化的實時在線的PWM信號輸出，可以說直到目前為止，PWM在各種應用場合仍占主導地位,并一直是人們研究的熱點。

由于PWM可以同時實現變頻變壓反抑制諧波的特點，由此在交流傳動乃至其它能量變換系統中得到廣泛應用。PWM控制技術大致可以分為三類，正弦PWM（包括電壓，電流或磁通的正弦為目標的各種PWM方案，多重PWM也應歸于此類），優化PWM及隨機PWM。正弦PWM已為人們所熟知，而旨在改善輸出電壓、電流波形，降低電源系統諧波的多重PWM技術在大功率變頻器中有其獨特的優勢（如 ABB ACS1000系列和美國ROBICON公司的完美無諧波系列等）；而優化PWM所追求的則是實現電流諧波畸變率（THD）最小，電壓利用率最高，效率最優，及轉矩脈動最小以及其它特定優化目標。

在70年代開始至80年代初，由于當時大功率晶體管主要為雙極性達林頓三極管，載波頻率一般最高不超過5KHZ，電機繞組的電磁噪音及諧波引起的振動引起人們的關注。為求得改善，隨機PwM方法應運而生。其原理是隨機改變開關頻率使電機電磁噪音近似為限帶白噪聲（在線性頻率坐標系中，各頻率能量分布是均勻的），盡管噪音的總分貝數未變，但以固定開關頻率為特征的有色噪音強度大大削弱。正因為如此，即使在IGBT已被廣泛應用的今天，對于載波頻率必須限制在較低頻率的場合，隨機PWM仍然有其特殊的價值（DTC控制即為一例）；另一方面則告訴人們消除機械和電磁噪音的最佳方法不是盲目地提高工作頻率，因為隨機PWM技術提供了一個分析、解決問題的全新思路。

5.展望

通用變頻器的發展是世界高速經濟發展的產物。其發展的趨勢大致為：

5.l主控一體化

日本三菱公司將功率芯片和控制電路集成在一快芯片上的DIPIPM（即雙列直插式封裝）的研制已經完成并推向市場。一種使逆變功率和控制電路達到一體化，智能化和高性能化的HVIC（高耐壓IC）SOC（System on Chip）的概念已被用戶接受，首先滿足了家電市場低成本、小型化、高可靠性和易使用等的要求。因此葉以展望，隨著功率做大，此產品在市場上極具競爭力。

5.2 小型化

用日本富士（FUJI）電機的三添勝先生的話說，變頻器的小型化就是向發熱挑戰。這就是說變頻器的小型化除了出自支撐部件的實裝技術和系統設計的大規模集成化，功率器件發熱的改善和冷卻技術的發展已成為小型化的重要原因。ABB公司將小型變頻器定型為Comp－ACTM他向全球發布的全新概念是，小功率變頻器應當象接觸器、軟起動器等電器元件一樣使用簡單，安裝方便，安全可靠。

5.3低電磁噪音化

今后的變頻器都要求在抗干擾和抑制高次諧波方面符合EMC國際標準，主要做法足在變頻器輸入側加交流電抗器或有源功率因數校正（Active Power Factor Correction． APFC）電路，改善輸入電流波形降低電網諧波以及逆變橋采取電流過零的開關技術。而控制電源用的開關電源將推崇半諧振方式，這種開關控制方式在30－50MhZ時的噪聲可降低15－20dB。

5.4專用化

通用變頻器中出現專用型家族是近年來的事。其目的是更好發揮變頻器的獨特功能并盡可能地方便用戶。如用于起重稅負載的 ARB ACC系列，用廣交流電梯的 Siemens MICO340系列和FUJI FRN5000G11UD系列，其他還有用于恒壓供水、上作機械主軸傳動、電源再生、紡織、機車牽引等專用系列。

5.5系統化

作為發展趨勢，通用變頻器從模擬式、數字式、智能化、多功能向集中型發展。最近，日本安川由機提出了以變頻器，伺服裝置，控制器及通訊裝置為中心的”D&M&C”概念，并制定了相應的標準。目的是為用戶提供最佳的系統。因此可以預見在今后．變頻器的高速響應件和高性能什將是基本條件。

摘自凹凸網，2000/5/6