變頻驅(qū)動器 （VFDs） 所具有的體積更小、更加智能、效率更高、成本更低的傳統(tǒng)已經(jīng)延續(xù)了50年。隨著對其性能要求越來越高，這種發(fā)展趨勢將更加明顯。 在過去50年里，大家可以看到交流變頻驅(qū)動器（Variable-Frequency Drives, VFDs）的外形尺寸和重量已經(jīng)有了很明顯的變化。但是在這種表象下更加顯著的變化是這些電機驅(qū)動器所表現(xiàn)出的性能、效率和可靠性的改善。產(chǎn)生這些變化的原因是功率開關(guān)晶體管、微處理器、其他硬件及軟件功能的提高，這些減少了用戶對驅(qū)動器應(yīng)用和維護所需要投入的精力。 　　 早期的交流驅(qū)動器是開環(huán)運行的，僅有有限的功能。一個重大的進步是1971年Siemens公司的Felix Blaschke開發(fā)出用于感應(yīng)電機的磁場定向（磁通矢量）控制技術(shù)，并在其他人的努力下，最終使得變頻驅(qū)動器在許多應(yīng)用場合達到或超過了直流驅(qū)動器的性能。無速度傳感器矢量控制（省去了軸角編碼器）和其他驅(qū)動算法也隨后出現(xiàn)。而且，這些改進仍在不斷加速中。 　　 Rockwell Automation公司產(chǎn)品經(jīng)理William L. Sinner 注意到兩大歷史性的變化分別影響著變頻驅(qū)動器的功率和控制這兩方面。早期的交流驅(qū)動器 （20世紀80年代） 由于晶體管的電壓和電流等級有限，每相采用多個晶體管。而如今已變?yōu)橐惑w化封裝，所以今天一個10馬力 （1馬力= 0.745kW） 驅(qū)動器的體積比過去驅(qū)動器中的一個晶體管單元還要小。“為了制造商能開發(fā)出更小、更高效的功率設(shè)備，新一代晶體管的性能仍然需要繼續(xù)提高,”Sinner 這樣說。絕緣柵雙極晶體管 （IGBTs） 仍然是現(xiàn)在主要的功率器件。 　　 在控制方面，模擬控制在最初階段是占統(tǒng)治地位的，目前正讓位于數(shù)字控制，盡管數(shù)字控制起初只是基于集成電路。Sinner又提到，基于微處理器的數(shù)字驅(qū)動器在稍晚時間出現(xiàn)，一開始只是提供開環(huán)（V/Hz）控制。微處理器單元的繼續(xù)發(fā)展實現(xiàn)了在一臺驅(qū)動器中加入多種控制模式，只需通過改變軟件參數(shù)來轉(zhuǎn)換控制模式。 　　 多種控制類型，互連性 　　 多種控制模式代表著變頻驅(qū)動器領(lǐng)域目前的發(fā)展水平。典型的低端驅(qū)動器提供V/Hz和無速度傳感器矢量控制方式，而高端驅(qū)動器起初是采用磁通矢量控制，后來也加入了其他控制模式。例如，Rockwell公司的PowerFlex 700S通過內(nèi)置的Logix處理器提供幾種控制模式，其中包括伺服控制。產(chǎn)品線間的技術(shù)移植是另一種趨勢，Sinner以低端PowerFlex 70加入矢量控制和一些高端的驅(qū)動器采用V/Hz控制為例進行了說明。 　　 為什么高端產(chǎn)品會使用開環(huán)控制？Sinner認為，是由于V/Hz變換可以使一臺驅(qū)動器控制多種不同類型的電機。一種型號的驅(qū)動器應(yīng)用于多種不同的場合有利于降低備件庫存。 　　 互連性是當前變頻驅(qū)動器的另一個重要特征，Rockwell公司所有驅(qū)動器都是這樣裝備的。根據(jù)該公司的經(jīng)驗，目前聯(lián)網(wǎng)的驅(qū)動器已經(jīng)達到使用總數(shù)的50%，而且高端單元的使用量還在增加。Sinner說：“在過去的3年中，聯(lián)網(wǎng)驅(qū)動器的百分比已經(jīng)翻了一番?！? 　　 Danfoss Drives 公司產(chǎn)品經(jīng)理Tom Momberger的觀點是：“將微處理器技術(shù)應(yīng)用于變頻驅(qū)動器是今天交流驅(qū)動器性能提高的主要原因。”對于物理外形上的改變，他對比了一種1968年生產(chǎn)的典型的模擬型5馬力交流驅(qū)動器（為使用該驅(qū)動器，它的油冷單元需要進行多種不同的手工調(diào)整）與當前變頻驅(qū)動器體積和重量的數(shù)字（見Danfoss公司過去的5馬力VLT型驅(qū)動器照片）。當然，新型的交流驅(qū)動器還加入了許多其他特性，例如可通過操作員鍵盤或計算機進行編程?！拔⑻幚砥饕呀?jīng)使這一切成為可能，” Momberger說。 　　 根據(jù)Momberger的觀點，靈活性、智能化和友好的用戶操作環(huán)境是變頻驅(qū)動器技術(shù)發(fā)展的特征。靈活性意味著只用一種類型的驅(qū)動器即可提供開環(huán)、閉環(huán)、磁通矢量甚至準伺服（near-servo）控制來滿足多種應(yīng)用。他說：“這種功能通過減少現(xiàn)場庫存、操作員培訓和備件的成本，降低了驅(qū)動器所有者的成本?！? 　　 微處理器單元和先進的診斷能力允許使用者智能地配置一臺驅(qū)動器，因此降低了試運行成本和停工時間。而軟件功能，如自動電機適配和軟件向?qū)Вコ嗽O(shè)置驅(qū)動器/電機連接過程中的不確定性?！败浖δ苤杏押玫牟僮鹘缑婵s短了設(shè)置過程以減少操作員可能的錯誤，簡化了與驅(qū)動器的交互”， Momberger解釋說。Danfoss公司的新產(chǎn)品FC-302 自動驅(qū)動器具有所有這些特征。 　　 PWM、DTC、模塊化 　　 在交流驅(qū)動器發(fā)展的重要里程中，ABB公司見證了工業(yè)用基于脈寬調(diào)制驅(qū)動器的出現(xiàn)和1995年直接轉(zhuǎn)矩控制的引入。 　　 Ilkka Ikonen在芬蘭的ABB Oy驅(qū)動器市場交流會上提到，ABB公司第一臺脈寬調(diào)制驅(qū)動器的工業(yè)安裝使用出現(xiàn)于20世紀70年代。造紙廠和地鐵的應(yīng)用為這一重要產(chǎn)品的進步和魯棒性打下了基礎(chǔ)。他說：“這種技術(shù)在這些應(yīng)用中證明了它的可靠性和競爭力后，人們開始接受交流驅(qū)動器作為主導控制技術(shù)來代替直流驅(qū)動器?！? 　　 ABB公司認為它的直接轉(zhuǎn)矩控制是一種先進的技術(shù)，不需要分別控制電壓和頻率就能夠直接控制電機的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速。更值得一提的是它的快速轉(zhuǎn)矩反應(yīng)時間和控制精度，“通常比脈寬調(diào)制要快10倍?！?直接轉(zhuǎn)矩控制還能優(yōu)化電機磁通，這樣能提高電機和驅(qū)動器的總能量利用率。直接轉(zhuǎn)矩控制不用調(diào)節(jié)器，控制時無需電機軸位置和速度反饋?！安捎弥苯愚D(zhuǎn)矩控制，速度為零時轉(zhuǎn)矩可達100%，低頻時微轉(zhuǎn)矩增量可在小于1ms的時間內(nèi)得到控制，” Ikonen說。 　　 如今，ABB的交流驅(qū)動器能通過“按訂單配置產(chǎn)品”滿足多種用戶需求，其模塊化設(shè)計發(fā)揮了重要作用。幾乎可以滿足購買者的所有需求，如交貨時間、質(zhì)量和成本，就好像現(xiàn)貨一樣。 　　 Bosch Rexroth公司開發(fā)的可靠的開關(guān)器件和微處理器，使得目前的變頻驅(qū)動器具有體積更小、效率更高和魯棒性更強的特點。元件部經(jīng)理Peter Fischbach說：“基于隔離電源模塊的晶閘管或場效應(yīng)晶體管以及后來出現(xiàn)的絕緣柵雙極晶體管，結(jié)合正弦脈寬調(diào)制控制法，徹底改變了電源部分和散熱系統(tǒng)的設(shè)計?！? [align=center] 圖1： Danfoss公司同一系列的變頻驅(qū)動器在30多年的發(fā)展中發(fā)生很大變化。 VLT 200包括模擬PWM控制，而VLT 3000起轉(zhuǎn)為數(shù)字控制。[/align] IGBT、MPU 　　 Rexroth公司在1988年發(fā)布了全系列基于IGBT的驅(qū)動器產(chǎn)品，其實，該公司的交流驅(qū)動業(yè)務(wù)早在1965年就發(fā)展起來了，并于1968年推出了它的第一臺高速、機架型工業(yè)用變頻驅(qū)動器，它可使感應(yīng)打磨電機的運轉(zhuǎn)速度達到180，000rpm。 微處理器單元的發(fā)展與持續(xù)提高（第二個里程碑）使Rexroth公司于1982年生產(chǎn)出最早的微處理器控制的工業(yè)用變頻驅(qū)動器之一。這種變頻驅(qū)動器的特征是具有帶鍵盤的點陣LCD操作員模塊和菜單指導的設(shè)置功能，替代了基于模擬電位計的設(shè)置。1989年，更新的發(fā)展導致了全系列采用IGBT和磁通矢量控制驅(qū)動器的出現(xiàn)。Fischbach說，這些變頻驅(qū)動器的特點是具有最大起動轉(zhuǎn)矩、改進的低速時轉(zhuǎn)速控制和使用反饋控制，達到并超過了直流驅(qū)動器的性能。 　　 Emerson Control Techniques（CT）的驅(qū)動器設(shè)計工程師Jim Thompson認為，早期的變頻驅(qū)動器受到了采用可控硅整流器和相當復雜的6步（six-step）控制的限制?！笆褂每煽毓璧墓β誓孀兤黧w積很大，并需要配備復雜的換相電路，其中包括許多電感和電容”他說,“6步輸出在電機中產(chǎn)生高次諧波，導致出現(xiàn)不希望的額外發(fā)熱，而且這種方案不能快速動態(tài)的控制電機電流”——需要更高性能的驅(qū)動器來解決。 　　 除了提高功率器件的開關(guān)速度，IGBT還允許迅速地調(diào)整電機的工作電壓?！斑@使帶寬相當高的磁場定向控制（矢量控制）成為可行，并能快速、高精度地控制轉(zhuǎn)速（velocity profiling）與定位”， Thompson解釋說。電子控制的高成本也限制了早期交流變頻驅(qū)動器的性能。“數(shù)字控制那時并不很實用，主要是由于需要在驅(qū)動模塊中加入體積巨大的系統(tǒng)級電路（或計算機）輔助裝置?！彼a充到。 [align=center] 圖2：變頻驅(qū)動技術(shù)的進步表現(xiàn)在Rockwell自動化新的2hp的PowerFlex 4驅(qū)動器 比1985年生產(chǎn)的具有相同功率等級的1332交流驅(qū)動器（左）小70%。 PowerFlex 4僅重2.2磅，可以放在手掌中，而1332重量為16.8磅。[/align] Emerson CT認為快速脈寬調(diào)制輸出是變頻驅(qū)動器的主要特征，因為它產(chǎn)生的諧波電流最小并能動態(tài)的控制電機轉(zhuǎn)矩。配置功能豐富的特點使現(xiàn)代交流驅(qū)動器更具特色。典型的可選特點包括調(diào)整速度或轉(zhuǎn)矩，接受多種模擬或數(shù)字參考電壓，反饋速度或轉(zhuǎn)矩，還有控制同步（伺服）和感應(yīng)電機。根據(jù)Thompson的觀點，相對的廉價、可擴展選擇模塊是另外一種受歡迎的特點，其中包括提供額外的I/O端口、反饋或通訊功能。 　　 直流驅(qū)動器早期的發(fā)展方向是變速電機控制。Yaskawa涉足直流和交流電機領(lǐng)域的研究有很長的歷史。Yaskawa美國研發(fā)主管Tsuneo Kume博士說，通過采用可控硅和門極可關(guān)斷功率開關(guān)器件實現(xiàn)變壓/頻控制，使得交流驅(qū)動器于20世紀70年代在工業(yè)領(lǐng)域有很大進步，根據(jù)Yaskawa（和其他一些公司）的資料，變頻驅(qū)動器主要的工業(yè)突破是在鋼廠處理和金屬電鍍的應(yīng)用。從模擬到數(shù)字控制電路的進步也是從那時開始的。 [align=center] 圖3：Rexroth公司在1982年生產(chǎn)的PWM變頻驅(qū)動器是最早的應(yīng)用微處理器控制 的工業(yè)用變頻驅(qū)動器之一。它的數(shù)字編程模塊包括一個D/A 轉(zhuǎn)換器來提供 模擬電壓和電流指示。[/align] Kume介紹說，用于造紙機的磁通矢量控制驅(qū)動器和機床轉(zhuǎn)軸驅(qū)動器隨后出現(xiàn)于20世紀70年代末。IGBT成為通用變頻驅(qū)動器功率器件的選擇大約是在1990年。采用集成微處理器單元的數(shù)字驅(qū)動器很快成為Yaskawa公司的標準，并且無速度傳感器矢量控制驅(qū)動器隨后出現(xiàn)于1995年。 　　 即將到來 　　 展望未來的十年，Rockwell 自動化公司的Sinner認為變頻驅(qū)動器將變得更加智能化。他說：“擴展輔助啟動功能，將允許通過最少的用戶參與來配置智能驅(qū)動器?！痹陔姍C內(nèi)嵌入芯片，使其自動鑒別驅(qū)動器的啟動。 　　 更緊密地與控制系統(tǒng)集成也是變頻驅(qū)動器的發(fā)展方向。Sinner比較了眾多現(xiàn)有驅(qū)動器連接方式和他所說的即將開始的真正的集成。這種真正的集成使驅(qū)動器完全成為控制系統(tǒng)編程和配置環(huán)境的一部分?！斑@種功能通過普通的驅(qū)動器特征技術(shù)移植，繼承高端產(chǎn)品，從而生產(chǎn)出低價產(chǎn)品，”他補充到。 　　 Danfoss Drives公司的Momberger預計在工業(yè)中分布式驅(qū)動器系統(tǒng)的使用量將會增加，這推動了在電機附近（或其上）安裝低成本、高可靠性的驅(qū)動器的趨勢，這樣可以不使用長的電機/驅(qū)動器連接電纜設(shè)備和連接管道盤（conduit trays），以降低安裝成本。“此外，分布式驅(qū)動器可使由長電機電纜引起的電磁兼容問題最小化，降低了使用昂貴濾波器的成本，”他說。分布式系統(tǒng)由于在變頻驅(qū)動器中更多的集成了運動控制和可編程邏輯控制器的功能，需求量還將會增長。 　　 其他一些發(fā)展還包括更多的使用和以太網(wǎng)兼容的通訊功能，這樣可將驅(qū)動器應(yīng)用信息連接到工廠內(nèi)部廣域網(wǎng)絡(luò)和無線訪問驅(qū)動器，特別是當這些驅(qū)動器用于環(huán)境惡劣的場所。“以太網(wǎng)描繪了建立工業(yè)標準通訊系統(tǒng)的最佳時機，”Momberger補充說。 　　 同時，Bosch Rexroth公司的Fischbach認為今天可任選的驅(qū)動器特征將來會變?yōu)楸匦璧?，他以大啟動轉(zhuǎn)矩、閉環(huán)速度和轉(zhuǎn)矩控制、預防性維護和數(shù)據(jù)與制造控制系統(tǒng)直接連接為主要例證。另外，他還提及到一些將要出現(xiàn)的進步： 　　·隨著能量成本和電網(wǎng)標準的提高，有源驅(qū)動器前端（包括諧波抑制）逐漸被接受； 　　·簡單的調(diào)速控制器發(fā)展為可升級、分布式、現(xiàn)場級的具有可編程控制器功能或處理能力的機構(gòu)/過程控制單元。 [align=center] 圖4： ABB公司最新ACS550標準驅(qū)動器的直觀控制面板內(nèi)置輔助軟件， 清晰的多語言顯示方便用戶使用。[/align] 集成外部功能 　　 根據(jù)Emerson CT的說法，未來的變頻驅(qū)動器將會更多的集成多種外部功能。可編程控制器和運動控制功能現(xiàn)在可以在一臺驅(qū)動器中以相當?shù)偷目傁到y(tǒng)成本實現(xiàn)。“對于最尖端的系統(tǒng)應(yīng)用，多數(shù)的邏輯和運動控制仍然必須由外圍電子設(shè)備處理，但我們希望這種情況能很快改變，” Thompson說。“我們希望未來驅(qū)動系統(tǒng)的組成部分完全包括在機殼內(nèi)部，其中有驅(qū)動器單元、電源線和限流設(shè)備、串行通訊線、人機顯示和接口設(shè)備?！? ABB公司提到對環(huán)境影響的日益關(guān)注和高能量消耗的問題影響著未來的交流驅(qū)動器。它們注定要更廣泛地應(yīng)用于所有行業(yè)和發(fā)展中的市場，根據(jù)ABB的目標，它要提高全球采用變速控制的電機（僅占5%）數(shù)量。它還提到了驅(qū)動器的體積將會持續(xù)縮小，甚至加入了小型化的特征。今后變頻驅(qū)動器將會有新的、非傳統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域——取代其他類型的控制器（或加入到新興自動化領(lǐng)域）。Yaskawa公司同樣也預見到未來的變頻驅(qū)動器將更多地參與“綠色技術(shù)”的發(fā)展，特別是可能參與解決高能量消耗和區(qū)域性電力短缺的問題。高效和節(jié)能顯而易見是人們渴望的優(yōu)點，但是低運行成本、高可靠性和更緊湊的驅(qū)動器設(shè)計也是人們所期望的。工業(yè)和學術(shù)界對新型控制拓撲的研究一直在繼續(xù)，Kume博士解釋說，而現(xiàn)存的新型控制技術(shù)，如三電平拓撲和矩陣變換器，都將有更廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域。 　　 使用三電平拓撲結(jié)構(gòu)的好處包括對電機的浪涌電壓較低、漏電流較低和低速時散熱管理得到改進。甚至更新型的矩陣變換器也隱約顯示出特別的吸引力，如它增強了變頻驅(qū)動器再生能量的能力和去除了直流總線的電容。矩陣變換器的產(chǎn)品計劃于2005年投入市場，應(yīng)用于可再生能量的場合。 　　 Kume預計今后矢量控制和無速度傳感器矢量控制的性能將會提高，尤其是在電機轉(zhuǎn)速接近零時力矩的控制性能。由于受到操作簡單和體積與價格的持續(xù)降低的推動，變頻驅(qū)動器的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)U展。體積更小意味著更容易集成?！膀?qū)動單元會更易于安裝在機械設(shè)備或電機上，”他說。 　　 Kume總結(jié)說，在更遠一點的將來，新一代功率器件將對交流驅(qū)動器產(chǎn)生重大的影響，碳化硅技術(shù)將帶來能耗更低和更小型化的可能。 [align=center] 圖5: Emerson CT公司Unidrive系列體現(xiàn)了今日交流驅(qū)動器的擴展能力。 它具有Profibus接口、擴展I/O，以及將驅(qū)動器與機器其他部件同步的反饋接口。[/align]