变频技术的研究现状与发展趋势
2009年08月28日 作者：王吉校／钱希森 来源：《中国电源博览》 编辑：樊晓琳
摘要：本文首先从电力电子器件、控制理论和控制技术以及主电路拓扑结构三个方面介绍了变频技术的研究现状，而后针对变频技术中的电力电子器件、控制理论和控制技术和主电路拓扑结构三个方面分别指出了其发展趋势。
关键词：变频技术；PWM；研究现状；发展趋势
Abstract:The paper introduces the study status quo of frequency conversion technique from the power electronics device, control theory and technology and main circuit topologies in the first place．Aiming at the power electronics device, control theory and technology and main circuit topologies，the development trend of frequency conversion technique is pointed out in the second place．
Key words: Frequency conversion technique; PWM; Study status quo; Development trend
1、引言
现代工业生产及社会发展的需要推动了交交变频技术的飞速发展，现代电力电子器件的发展和应用、现代控制理论和控制器件的发展和应用、微机控制技术及大规模集成电路的发展和应用为交流变频技术的发展和应用创造了物质和技术条件。以微处理技术、PWM控制芯片和电力电子开关器件为基础，以正弦波脉宽调制(SPWM)技术、矢量变换技术 、直接转矩控制和网络通信技术为基础的全数字化控制技术作为控制手段。交流变频技术经历了一个由传统交交直接变频到交直交变频再到矩阵交交变频的过程[1]。
变频技术的研究现状与发展趋势
2、变频技术的研究现状
2.1.1 电力电子器件的研究现状[2][3]
从1956年普通晶闸管的问世到20世纪80年代以前，以晶闸管为核心的交交变频电路广泛的应用电机的传动系统，典型的应用电路就是传统的相控交交变频电路。国内外在这一方面的理论研究都比较成熟，而且也有相应的产品大量应用于生产实践。随着技术的进步，晶闸管的半控特性，控制电路的分离结构，相控角变化等缺点已经使晶闸管为核心的交交变频电路不能满足变频技术发展的需要。到20世纪80年代，各种全控器件先后问世，变频技术特别是交流调速技术得到了长足的发展。特别是80年代中期以后基于GTR、GTO和IGBT的变频装置在性能和价格上可以和直流调速装置相媲美，逐渐成为变频调速的主流技术。20世纪90年代后期至今，电力电子器件的发展进入了一个新的时代，高压IGBT、IGCT、IEGT和SGCT等器件出现并进入了实用化阶段，从而推动变频技术向大电流、高电压、高频化方向继续发展。
2.1.2 控制理论和控制技术的研究现状[5][7][12]
1964年德国人首先提出把通信技术中的脉宽调制PWM技术应用到交流传动中，PWM控制技术一直是变频技术的核心技术之一，由于电力电子器件和微机控制技术的发展，PWM变频技术获得了飞速的发展。PWM可以同时实现变频变压及抑制谐波的特点，由此在交流传动乃至其它能量变换系统中得到广泛应用。
20世纪80年代初，日本学者提出了基于磁通轨迹的磁通轨迹控制方法，该方法以三相波形的整体生成效果为前提，以逼近电动机气息的理想圆形旋转磁场轨迹为目的，一次生成两相调制波形，使变压变频(VVVF)成为变频调速技术的核心。
七十年代初，矢量控制是由西德F.Biasschke等人首先提出，他以直流电动机和交流电动机比较的方法分析阐述了这一原理，由此开创了交流电动机等效直流电动机控制的先河。1980年，德国人在应用微处理器的矢量控制研究中取得了进展，促进了矢量控制的实用化。
1985年德鲁尔大学Depenbrock教授首先提出转矩控制理论(Direct Torque Control简称DTC)。直接转矩控制与矢量控制不同它不是通过控制电流、磁链等量来间接控制转矩，而是把转矩直接作为被控量来控制。*初，主要在高压、大功率且开关频率较低的逆变器控制中广泛应用。目前被应用于通用变顿器的控制方法是一种改进的、适合于高开关频率逆变器的方法。1995年，ABB公司首先推出的直接转矩控制通用变频器，目前已成为其各系列通用变频器的核心技术。
相关关键字：博览78期 变频技术 PWM
2.1.3 主电路拓扑结构的研究现状[4][6] 主电路拓扑结构的发展经历了由传统交交直接变频到交直交变频再到矩阵交交变频的过程。首先是传统的交交变频电路也称为周波变流器，这种电路早在20世纪70年代就已经出现了，随着晶闸管的问世逐渐应用于电机的拖动。20世纪80年代，随着新型全控功率元件的出现和先进控制技术的运用，交直交变频技术得到快速发展并大规模应用于变频调速场合。这一时期的变频技术包括VVVF变频、矢量控制变频、直接转矩控制变频等都是交直交变频中的一种。其共同缺点是输入功率因数低，谐波电流大，直流回路需要大的储能电容，变换环节多，效率低下，再生能量又不能反馈回电网，即不能进行四象限运行。
近几年来，由于生产发展的需要和节约电能的要求，以及微型计算机控制技术与大规模集成电路的迅速发展和广泛应用，矩阵交交变频技术成为研究的新热点。矩阵交交变换电路的电路拓扑形式早己提出，但直到1979年，意大利学者MVenturini提出的矩阵交交变换电路理论及其控制策略后才使人们开始这方面的真正研究。90年代初，美国弗吉尼亚电力电子中心的L.Huber、D.Borojevie在Fred.C. Lee教授的带领下，采用MOSFET作为功率开关，制作出输出电压和输入电流都为正弦波、开关频率20Khz、负载为2KVA的矩阵变换器的实验装置。随后的十几年里先后有多位学者在这方面取得进展，比如由R.W. Erickson等学者提出了一种新型的矩阵交交变换电路拓扑结构，和以前所提出的拓扑结构不同在于采用了H桥型的开关单元，目的是为了实现矩阵变换器的输出电压可以任意调节；由Lixiang Wei和T.A.Lipo等提出的一种稀疏矩阵变换器的拓扑结构，主要优点是减少了开关数量。我国在矩阵变换器方面的研究开始于90年代初，南京航空航天大学、上海大学、哈尔滨工业大学、福州大学、华中科技大学、浙江大学、清华大学等都开展了这方面的研究。但总的来说，我国的矩阵变换器的研究工作无论在理论上还是在实际应用上，与国际**水平相比还有不小的差距。
变频技术的研究现状与发展趋势
3、变频技术的发展趋势
20世纪末，以电力电子��率变换技术，微电子控制技术为核心的变频技术得到了惊人的发展。展望本世纪，变频技术将在以下几个方面取得更为广阔的发展。
3.1.1 电力电子器件的发展趋势[8]
IGBT变频器已成为20世纪90年代变频调速技术的主流；在21世纪初相当长的一段时间内仍将是电气传动领域的主导变频器。近年来，ABB公司在硬驱动GTO 的基础上，通过采用缓冲层技术、透明阳极技术，逆导技术等先进技术。进一步实现了*新一代的功率开关器件集成门极换向晶闸管(IGCT)。IGCT将门极驱动电路与芯片集成在一起．结合了GTO的低通损耗和IGBT均匀关断能力两种优点，具有开关频率高、损耗小、可无吸收关断运行、易用于串联等优点。IGCT器件将逐渐取代GTO器件成为大功率应用场合中的优选开关器件。现在功率半导体器件的发展目标是：高集成度，制成各种特定用户的模块，大大降低成本，提高可靠性，研制出新一代IPEM(Integrated Power Electronic Module)以取代PIC。开关器件的发展将极大的推动变频技术的发展。
3.1.2 控制理论和控制技术的发展趋势[9]
控制理论的发展趋势根据电动机和机械模型的控制策略，有矢量控制、磁场控制、直接转矩控制和机械扭振补偿等；根据现代理论的控制策略，有滑模变结构技术、模型参考自适应技术、采用微分几何理论的非线性解耦、鲁棒观察器；根据智能控制思想的控制策略，有模糊控制、神经元网络、专家系统各种的自优化、自诊断技术等。
利用DSP进行全数字化控制也是目前的研发重点。现在高压变频器已经基本实现了数字化控制，而采用DSP会使高压变频器的硬件成本更低，功能更多。今后变频器的发展方向是进一步缩小元器件的体积，提高专用集成电路(ASIC)的集成度，使小容量系统的控制器和变换器都能嵌装在电机机壳里面，构成机电一体化。另外，微机和控制技术的不断进步，还将使变频器向多功能化和高性能化方向发展。
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3.1.3 主电路拓扑结构的发展趋势[10][11]
基于双PWM 技术的交一直一交变频器和矩阵式变频器是低压变频技术的*新发展趋势。双PWM 控制技术采用PWM 技术分别控制变频器的整流和逆变，打破了过去变频器的统一结构，成为变频器技术的*新发展状态。目前，双PWM 控制技术已经在交一直一交变频器中应用。其主要优点是：输出电压和输出电流的低次谐波含量都较小；输入功率因数可调；输出频率不受限制；能量可双向流动，以获得四象限运行。另外，矩阵式变频器除了具有上述优点外，还可省去中间直流环节的大电容元件。随着双向开关的电力半导体器件性能的不断提高和价格的不断下降，这种结构会得到广泛地推广和应用。总的来说，低压变频技术正朝着高性能化、高频化、大容量方向发展。然而，高频化和大容量化使装置内部电压、电流发生剧变，不但给器件造成很大的电应力，增加了装置损耗，还在装置的输人输出引线及周围空间产生高频电磁噪声，形成电磁干扰(Electro Magnetic Interference，EMI)公害。所以软开关技术作为对这些问题的一个有效的防御措施，而得到了很大的发展。目前已出现了对谐振式逆变器的实验研究。它使得功率器件在零电压或零电流下开关，大大减小了器件的开关应力和开关损耗，开关频率得以大幅度提高。
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3.1.4 开发清洁电能的变流器 所谓清洁电能变流器是指变流器的功率因数为l，网侧和负载侧有尽可能低的谐波分量，以减少对电网的公害和电动机的转矩脉动。对中小容量变流器，提高开关频率的PWM控制是有效的。对大容量变流器，在常规的开关频率下，可改变电路结构和控制方式，实现清洁电能的变换。
4、结束语
变频调速技术是各种自动化技术的基本环节，它的发展是与电力电子技术，计算机技术、自动控制理论技密切相关的。目前变频技术凭借效率高、调速范围宽、精度高、平滑性好等优点广泛应用电机的拖动， 尤其是针对空调系统、给水系统中风机和泵类负载时， 可以获得很好的节能效果。对电梯恒转矩负载可以保证电梯的舒适感和**可靠的平层。因此，可以预期在21世纪变频调速技术将会有广阔的发展前景。