一、發(fā)展概況簡(jiǎn)述

　　變頻器問世已近30年，中國(guó)的變頻器發(fā)展也有20年的時(shí)光，變頻器具有如下特點(diǎn)：

1、調(diào)速性能好，調(diào)速范圍廣。輸出功率從0～400Hz，通用型，0～120Hz，水泵風(fēng)機(jī)調(diào)速精度高0.1%，因頻率分辨率是0.1%且是無級(jí)調(diào)速，用矢量控制時(shí)精度可達(dá)0.01%,速度的穩(wěn)定性好，被設(shè)定值不變，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快10～30ms級(jí)等優(yōu)點(diǎn)。所以問世后幾乎取代過去一切的調(diào)速系統(tǒng)——直流調(diào)速、滑差調(diào)速、串級(jí)調(diào)速、繞線式轉(zhuǎn)子內(nèi)反饋調(diào)速等方法。

2、節(jié)電率較高。一般至少可達(dá)10%，甚至40～50%，看負(fù)載類型及使用的工況運(yùn)行參數(shù)，以及實(shí)施節(jié)電方法與措施，有關(guān)運(yùn)行參數(shù)的設(shè)定等。

正因?yàn)樯鲜鰞纱笸怀龅膬?yōu)點(diǎn)，所以變頻器每年以20%的遞增率在發(fā)展著，到目前國(guó)外使用普及率高達(dá)80～85%，國(guó)內(nèi)使用普及率達(dá)25～30%，這是節(jié)能降耗、低碳排放、增加效益、減少成本、提高產(chǎn)品質(zhì)量、是想電氣化的有效手段和方法，預(yù)估以后20年仍不會(huì)衰減，具有強(qiáng)大的生命力，發(fā)展前景十分美好。

二、產(chǎn)品的技術(shù)品位

　　變頻器的技術(shù)品位的高低是逐步發(fā)展而成型的，隨著使用要求的提高及技術(shù)的發(fā)展，器件的品質(zhì)，功能的擴(kuò)展，自動(dòng)化技術(shù)的進(jìn)步而逐步前進(jìn)的。一般判斷產(chǎn)品的質(zhì)量有以下十個(gè)要點(diǎn)是首先要考慮的，如下：

1、變頻器的控制方式

控制方式是決定變頻器性能的首位，它取決于軟件編程技術(shù)。隨著時(shí)代的前進(jìn)，技術(shù)發(fā)展，變頻器控制方式有：

（1)V／f=C屬開環(huán)控制；

（2)SVPWM空間電壓矢量控制，屬開環(huán)控制；  

(3)矢量控制VC,屬閉環(huán)控制，有電流I，磁通φ，轉(zhuǎn)矩T，轉(zhuǎn)速n四種；一般內(nèi)環(huán)是φ、T、I任選一種，外環(huán)是n（或w）。

(4)直接轉(zhuǎn)矩控制DTC屬閉環(huán)控制，在n=0時(shí)可有400%Te，以上四種常用的。

2000年后國(guó)外出現(xiàn)無反饋裝置的變頻器，即不需要另外加裝傳感器或編碼器，利用變頻器在工作時(shí)的電流、電壓、磁通、轉(zhuǎn)速變化，通過檢測(cè)、解耦等器件裝置，反饋到輸入端    詳見圖1、表1、表2。自問世后深受用戶歡迎和青睞，主要是方便使用，功能不亞于有速度傳感器反饋裝置的變頻器。目前高壓變頻器控制方式以A、B兩種為多數(shù)。無反饋裝置在試制中，C處于研發(fā)中。

2．獨(dú)特的幾種變頻器的控制方法

（1)優(yōu)化PWM矢量控制

正弦脈寬調(diào)制SPWM具有電路簡(jiǎn)單、線性度好的優(yōu)點(diǎn)，但輸出電壓不高，最大線性輸出電壓幅值僅為輸入電壓的/2=0.866,其實(shí)質(zhì)是相電壓控制法。優(yōu)化PWM矢量控制模式采用雙調(diào)制過程，即三角波相位預(yù)及調(diào)制信號(hào)(0～50Hz)的幅值共同調(diào)節(jié)來控制IGBT的開關(guān)工作狀態(tài)，方法是通過開關(guān)角α（30°～60°)及調(diào)制深度α=正弦波幅值／三角波幅值<0．95。特點(diǎn)是總諧波電流損耗小，脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩小。當(dāng)α=0.92～0．95時(shí)，諧波損耗最小，尤其當(dāng)載波頻率較低時(shí)，能充分顯示出其優(yōu)越性，表現(xiàn)為輸出電壓提高約20％，諧波減小，但信號(hào)波調(diào)制深度與開關(guān)角之間的線性度受到影響。隨著α加大電壓受控性變小，但總諧波電流失真THD值仍較小，因此常被選用。

（2) PWM的調(diào)制方法控制

①同步調(diào)制

在一個(gè)調(diào)制信號(hào)周期內(nèi)包含三角波的個(gè)數(shù)不變，在改變信號(hào)周期的同時(shí)成比例改變載波周期，使≥3，且必須是奇數(shù)。在開關(guān)頻率較低時(shí)，可以保證輸出波形的對(duì)稱性，但在較低頻率時(shí)，載波數(shù)量顯得稀疏，從而產(chǎn)生電流波形脈動(dòng)諧波加大，因此只適用在f>20Hz頻率段工作，目前的V／F方式即如此。

②異步調(diào)制

調(diào)制信號(hào)周期變化的同時(shí)載波周期仍保持不變，即，這種調(diào)制特點(diǎn)是在低頻工作時(shí)對(duì)減小諧波損耗及轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)大有改善，適用f<20Hz低頻工作段。   

③隨機(jī)調(diào)制

按調(diào)制信號(hào)的周期及輸出的電壓值，能自動(dòng)選擇調(diào)制方式與調(diào)制深度a及開關(guān)角α，以適應(yīng)工作頻率變動(dòng)幅值較大、負(fù)載轉(zhuǎn)矩或功率變動(dòng)大及有沖擊性的閉環(huán)系統(tǒng)。這種調(diào)制方式是從根本上解決SPWM在低頻工作段存在先天不足，即轉(zhuǎn)矩變小、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)、諧波較大的缺點(diǎn)，但軟件技術(shù)上有一定難度，幾乎國(guó)內(nèi)外沒有這類調(diào)制方式的產(chǎn)品。近

（3）按電動(dòng)機(jī)U型特性曲線與V／f配合方式的控制

按電動(dòng)機(jī)U特性曲線與V／f配合的控制方式——眾所同知，V／f控制是靜態(tài)的調(diào)壓，即當(dāng)f一定時(shí)，電壓也一定了，它沒有按電動(dòng)機(jī)負(fù)載率β的大小進(jìn)行最佳控制。日本AREX公司10年前獲得世界公認(rèn)的超能士節(jié)能控制器，多了一個(gè)環(huán)節(jié)，可按實(shí)際的負(fù)載率β來自動(dòng)搜索(通過專用集成電路)，輸出最小的工作電壓和最小工作電流(U形特性曲線)，因此是最節(jié)電的，比一般變頻器在相同工況條件下，能多節(jié)電8％～10％，而且cos，是個(gè)動(dòng)態(tài)調(diào)功控制器，特別適用風(fēng)機(jī)、水泵類負(fù)載。在節(jié)能運(yùn)行時(shí)，效果特好，早期產(chǎn)品為SMX系列，近年為擴(kuò)大使用范圍，適用調(diào)速需要，新品種為VMX系列。后來日立J300系列變頻器在節(jié)能運(yùn)行時(shí)也有此功能。電動(dòng)機(jī)的U形特性曲線見圖2。

（4）模糊控制方式

模糊控制(FUZZY)

此方式按電動(dòng)機(jī)參數(shù)及運(yùn)行狀態(tài)，通過模糊控制方法控制，特別適用通用單片機(jī)如8031等為CPU的場(chǎng)合應(yīng)用，模糊控制軟件簡(jiǎn)化不要數(shù)學(xué)模型，又可對(duì)多變量實(shí)時(shí)控制，隨機(jī)變量能達(dá)一定精度要求，在冰箱、空調(diào)、洗衣機(jī)、微波爐等家電應(yīng)用較廣。當(dāng)然模糊控制也適用變頻器的控制，如Vacon變頻器就采用模糊電流矢量控制(見圖3)。

（5）自整定(電動(dòng)機(jī)參數(shù)在線測(cè)量控制)

（6）最近有綠色無諧波問世

3．未來發(fā)展的幾種控制方式

（1)智能型控制方式：

①以變頻器、電動(dòng)機(jī)、負(fù)載(風(fēng)機(jī)、水泵等)的三個(gè)效率乘積最大為依據(jù)，通過模糊控制技術(shù)后，輸入到變頻器，見結(jié)構(gòu)框圖4（北京四方方圓）。

②加裝無源濾波器，主要消除5次、7次的逆序諧波，使變頻器的THD％指標(biāo)值低于諧波標(biāo)準(zhǔn)，幾乎接近為零，這樣cosl，真正實(shí)現(xiàn)無諧波綠色變頻器的愿望。

③最后效果。在不同的負(fù)載率條件下，系統(tǒng)效率高達(dá)90％以上，采用先進(jìn)的濾波技術(shù)，使輸出諧波含量低于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。功率因數(shù)達(dá)到0．96以上，動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間不大于30ms，總之在相同工況條件下，能夠多節(jié)省電量10％以上。

（2）雙PWM型控制方式

當(dāng)今電壓型交一直一交的主電路應(yīng)用十分廣泛，SPWM調(diào)制僅用在逆變器部分，而整流器是三相不可控的。因輸入有諧波存在，cosφ也較低，損耗較大，對(duì)電網(wǎng)有一定影響。隨著變頻器的廣泛應(yīng)用，對(duì)電網(wǎng)的諧波污染問題又提到議事日程，經(jīng)專家研討，認(rèn)為采用雙PWM控制，即整流橋也采用可控IGBT的SPWM方法是有效的。從理論分析cosφ=1，無諧波，有綠色變頻器的美稱，并能實(shí)現(xiàn)回饋再生制動(dòng)。雙PWM變頻器結(jié)構(gòu)見圖5。

（3)采用矩陣開關(guān)控制方式——指逆變器DC／AC變換器采用矩陣開關(guān)方式。矩陣變頻器具有cosφ可調(diào)，無中間直流環(huán)節(jié)，輸出電壓幅值、相位和頻率可調(diào)等優(yōu)點(diǎn)，具有良好的變頻能力，輸入cosφ≈l，輸出電流波形好，諧波小，矩陣變頻器是一種直接交一交變換。開關(guān)器件為全控器件SCR控制方式為斬控方式。交一交變頻器則采用移相控制SCR實(shí)現(xiàn)交流電流與交流電動(dòng)機(jī)之間功率直接變換，可實(shí)現(xiàn)能量雙向流動(dòng)。變頻效率高，但存在輸出工作頻率低的缺點(diǎn)，它與雙PWM性能類似。日本富士2010年已有產(chǎn)品可供，用于高速電梯為主MXT型，屬PG矢量控制，精度模擬量輸入在最高速時(shí)±0.1%，數(shù)字量輸入±0.005.監(jiān)測(cè)PG是脈沖編碼器有轉(zhuǎn)矩／速度指令、自整定功能、距離推測(cè)。THD<5%、cosφ>0.99損耗降1/3，原有的電介大電容、交流電抗器、濾波器都不要。

（4)采用軟開關(guān)控制方式——指逆變器DC／AC變換器以接通在電壓U=0，斷開在電流I=0的狀態(tài)下進(jìn)行。這樣IGBT功率損耗最小，理想值為零，結(jié)溫最低，大大減少工作過程的發(fā)熱量，使散熱器及風(fēng)量減少到最小程度，使容量可大大提高。

4．功率模塊

　　即逆變器DC／AC變換使用器件，它是變頻器的重要的組成部分，其模塊的質(zhì)量對(duì)變頻器至關(guān)重要，其器件的價(jià)值要占變頻器總價(jià)值的50％左右，所以值得引起制造廠及用戶的關(guān)注，是理所當(dāng)然的。目前低壓或高壓變頻器常用功率模塊有IGBT、IGBT一HV、IGCT、SGCT、IEGT、SiC等。在這個(gè)問題上要注意如下：

（1)模塊的封裝型式有單個(gè)(中，大功率)或IPM、PIM組合方式。

（2)使用的安全系數(shù)，電壓3～5倍的額定電壓，電流3～5倍的額定電流，這樣靜態(tài)工作時(shí)器件負(fù)擔(dān)小，動(dòng)態(tài)工作時(shí)亦有足夠的裕量，確保使用具有較大的安全可靠性，這點(diǎn)在國(guó)外的產(chǎn)品中是這樣的，所以主電路的功率模塊，損壞率幾乎為零，然而國(guó)內(nèi)的電壓只有2～3倍額定電壓，電流2～3倍額定電流。這時(shí)靜態(tài)工作時(shí)亦沒事，但動(dòng)態(tài)工作時(shí)，往往因安全系數(shù)偏小，造成器件損壞可能性就高了，約為2～3％，特別是高壓變頻器，電壓高3kV、6kV、10kV電流亦較大，而IGBT采取串、并聯(lián)連接方式，這時(shí)必須關(guān)心靜態(tài)均壓及動(dòng)態(tài)均壓的方式，使用電阻、電容器的耐壓、電流、功率值安全系數(shù)過小了，不但引起保護(hù)電路器件的損壞，在國(guó)內(nèi)IGBT多數(shù)只是封裝，尤其高電壓、大功率的器件，多數(shù)是國(guó)外引進(jìn)的。如美國(guó)IR公司(國(guó)際半導(dǎo)體公司、德克薩斯公司等)。日本的東芝、三菱、日立公司等。德國(guó)的西門子、西門康。中國(guó)的英飛凌公司等。一般大公司的品牌產(chǎn)品，可靠性高、信譽(yù)度好、可放心使用。事實(shí)確也如此，古人云：“不怕不識(shí)貨，只怕貨比貨”的論斷。

5．整流模塊

即AC／DC整流用，雖然較簡(jiǎn)單，但亦存在上述應(yīng)該的注意點(diǎn)。

6．微處理器

　　或稱CPU是變頻器的核心器件，其重要性不喻可知，好比是人體的大腦和心臟至關(guān)重要。過去國(guó)產(chǎn)變頻器多數(shù)選用美國(guó)Intel公司16位的87C196MC為主，另有日本日立HD6433037F、MB90F462、MB6475328F10東芝的等。德國(guó)相對(duì)較少些。近幾年一般不用專用IC芯片，ASIC而改用信號(hào)微處理器，一則貨源多，二則價(jià)位低，三則性能更好，四則是32位的其抗干擾能力更強(qiáng)，傳輸速度更快，實(shí)時(shí)性好，信息量更大，例美國(guó)德克薩斯公司的TMS320F206芯片等，這也是評(píng)判變頻器質(zhì)量的重要指標(biāo)之一，是當(dāng)之無愧的事。

7．在交一直一交變頻器主電路中，濾波電容器亦是關(guān)鍵器件之一，它亦是易損器件之一，正常壽命3～5年。

當(dāng)電容器的容量≤85％時(shí)，使用中發(fā)現(xiàn)膨漲、漏液、過溫(外殼發(fā)黃)時(shí)，必須更換，否則影響使用，表現(xiàn)直流電壓變小，不穩(wěn)定，帶負(fù)載后輸出力矩變小，不穩(wěn)定 ，這都與電容器質(zhì)量有關(guān)，過去多數(shù)制造廠采用德國(guó)或日立的電介電容器，但價(jià)格較貴，現(xiàn)選用中國(guó)南通海立牌質(zhì)量不錯(cuò)，價(jià)位適中，是中日合資生產(chǎn)的，頗受歡迎。

8．制造的工藝性

相同的電路結(jié)構(gòu)，相同的元器件質(zhì)量。由于制造工藝性不到位，亦要影響產(chǎn)品質(zhì)量，表現(xiàn)為故障多，特別是高壓、大電流、大功率的變頻器，工藝性亦是很重要的表現(xiàn)如下：

（1)相間、對(duì)地的安全距離。

（2)銅排比鋁排好，鋁易氧化，導(dǎo)電率小，易發(fā)熱過溫，結(jié)點(diǎn)接觸不良。

（3)連接螺栓要用發(fā)藍(lán)或鍍鋅的防氧化。

（4)大電流的螺栓要用力矩扳手，按規(guī)定扭矩緊固，必要時(shí)連接處貼溫度測(cè)試片，以測(cè)量實(shí)際溫度，預(yù)防松動(dòng)，定期檢查。

（5)大電流的銅牌或鋁排采用雙疊形結(jié)構(gòu)，以減少分布電感量，對(duì)減少雜散損耗，穩(wěn)定工作參數(shù)都有利的。國(guó)外不少?gòu)S商已采用。

（6)散熱器、通風(fēng)機(jī)要定期除塵、通風(fēng)道的分布合理性與否。    ‘

（7)插接件國(guó)外都選用涂銀或涂金的。而國(guó)內(nèi)往往是涂鋅或純銅的，這樣容易氧化，尤其在濕熱、高溫使用環(huán)境中更應(yīng)注意的，主電路的接線端子亦要注意的。

9．印刷板PCB的質(zhì)量

　　印刷板亦是重要質(zhì)量的一部分，目前多數(shù)的廠商都采用貼片元件SMT組裝、波峰焊接、個(gè)別的還有分離元件手工焊接的。使用中印刷板的孔化空尤為重要，否則易造成使用中，因溫度升高，孔化空接觸不良，以致正反面空洞間、中間斷裂亦有發(fā)生。印刷板要選用環(huán)氧樹脂的或ABS工程塑料的基板，線條要光滑、粗細(xì)勻稱、邊緣無毛刺，要經(jīng)鎳融處理，表面光亮平整，印刷板二面要噴涂一層防潮涂液，特別濕熱的環(huán)境中應(yīng)要有防潮處理，通風(fēng)機(jī)入口處要干燥處理的。國(guó)內(nèi)一般都是雙面板，國(guó)外有三層、甚至四層板的。

10．穩(wěn)定和可靠是首位

　　變頻器的控制電路和其它的電子電路一樣，都是低電壓、毫安級(jí)電流，因此是較為嬌弱的，為保證其穩(wěn)定和可靠地工作，對(duì)工作環(huán)境、溫度、濕度都有一定要求，并要加強(qiáng)定期維護(hù)，是十分關(guān)鍵的事，故不可粗心大意，造成事故的惡化、擴(kuò)大，因小失大，后果不堪設(shè)想，造成重大損失(例IGBT燒壞，整流二極管燒壞，電動(dòng)機(jī)燒壞諸似此類事故的產(chǎn)生，到那時(shí)就后悔莫及，真是“早知今日，何必當(dāng)初”也。

　　關(guān)于先進(jìn)技術(shù)與穩(wěn)定可靠的關(guān)系是辯證的統(tǒng)一，因此我們?cè)谶x用變頻器時(shí)，不要一味追求先進(jìn)的電路，先進(jìn)的控制方式為主導(dǎo)思想，實(shí)際只要滿足使用要求，電路越簡(jiǎn)單越好，要以穩(wěn)定和可靠為首位，只要適用，價(jià)格亦低的原則，能簡(jiǎn)就簡(jiǎn)為主導(dǎo)，不要貪大求洋，只要進(jìn)口名牌，國(guó)產(chǎn)變頻器現(xiàn)在亦不錯(cuò)，旦具有價(jià)格較低，維修方便，服務(wù)周到，配件易購(gòu)，隨叫隨到，一呼就應(yīng)，不誤生產(chǎn)，優(yōu)勢(shì)很多，為發(fā)展民族工業(yè)的振興，從制造走向創(chuàng)造，我們共同努力吧！