一：變頻器的發(fā)展 　　直流電動機(jī)拖動和交流電動機(jī)拖動先后誕生與19世紀(jì)，距今已有100多年的歷史，并已成為動力機(jī)械的主要驅(qū)動裝置。但是，由于技術(shù)上的原因，在很長一段時(shí)期內(nèi)，占整個(gè)電力拖動系統(tǒng)80%左右的不變速拖動系統(tǒng)中采用的是交流電動機(jī)（包括異步電動機(jī)和同步電動機(jī)），而在需要進(jìn)行調(diào)速控制的拖動系統(tǒng)中則基本上采用的直流電動機(jī)。 　　但是，眾所周知，由于結(jié)構(gòu)上的原因，直流電動機(jī)存在以下缺點(diǎn)： （1） 需要定期更換電刷和換向器，維護(hù)保養(yǎng)困難，壽命較短； （2） 由于直流電動機(jī)存在換向火花，難以應(yīng)用于存在易燃易爆氣體的惡劣環(huán)境； （3） 結(jié)構(gòu)復(fù)雜，難以制造出大容量、高轉(zhuǎn)速和高電壓的直流電動機(jī)。 　而與直流電動機(jī)相比，交流電動機(jī)則具有以下優(yōu)點(diǎn)： （1） 結(jié)構(gòu)堅(jiān)固，工作可靠，易于維修保養(yǎng)； （2） 不存在換向火花，可以應(yīng)用于存在易燃易爆氣體的惡劣環(huán)境； （3） 容易制造出大容量、高轉(zhuǎn)速和高電壓的交流電動機(jī)。 因此，很久以來，人們希望在許多場合下能夠用可調(diào)速的交流電動機(jī)來代替直流電動機(jī)，并在交流電動機(jī)的調(diào)速控制方面進(jìn)行了大量的研究開發(fā)工作。但是，直至20世紀(jì)70年代，交流調(diào)速系統(tǒng)的研究開發(fā)方面一直未能得到真正能夠令人滿意的成果，也因此限制了交流調(diào)速系統(tǒng)的推廣應(yīng)用。也正是因?yàn)檫@個(gè)原因，在工業(yè)生產(chǎn)中大量使用的諸如風(fēng)機(jī)、水泵等需要進(jìn)行調(diào)速控制的電力拖動系統(tǒng)中不得不采用擋板和閥門來調(diào)節(jié)風(fēng)速和流量。這種做法不但增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性，也造成了能源的浪費(fèi)。 　　經(jīng)歷了20世紀(jì)70年代中期的第2次石油危機(jī)之后，人們充分認(rèn)識到了節(jié)能工作的重要性，并進(jìn)一步重視和加強(qiáng)了對交流調(diào)速技術(shù)的研究開發(fā)工作。隨著電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)和控制理論的發(fā)展，電力半導(dǎo)體器件和微處理器的性能的不斷提高，變頻驅(qū)動技術(shù)也得到了顯著的發(fā)展。隨著各種復(fù)雜控制技術(shù)在變頻器技術(shù)中的應(yīng)用，變頻器的性能不斷提高，而且應(yīng)用范圍也越來越廣。目前變頻器不但在傳統(tǒng)的電力拖動系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用，而且?guī)缀跻呀?jīng)擴(kuò)展到了工業(yè)生產(chǎn)的所有領(lǐng)域，并且在空調(diào)、洗衣機(jī)、電冰箱等家電產(chǎn)品中也得到了廣泛應(yīng)用。 　　變頻器技術(shù)是一門綜合性的技術(shù)，它建立在控制技術(shù)、電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的基礎(chǔ)之上，并隨著這些基礎(chǔ)技術(shù)的發(fā)展而不斷得到發(fā)展。 二： 變頻器調(diào)速控制系統(tǒng)的優(yōu)勢 　　與傳統(tǒng)的交流拖動系統(tǒng)相比，利用變頻器對交流電動機(jī)進(jìn)行調(diào)速控制的交流拖動系統(tǒng)有許多優(yōu)點(diǎn)，如節(jié)能，容易實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)有電動機(jī)的調(diào)速控制，可以實(shí)現(xiàn)大范圍的高效連續(xù)調(diào)速控制，容易實(shí)現(xiàn)電動機(jī)的正反轉(zhuǎn)切換，可以進(jìn)行高頻度的起停運(yùn)轉(zhuǎn)，可以進(jìn)行電氣制動，可以用一臺變頻器對多臺電動機(jī)進(jìn)行調(diào)速控制，電源功率因數(shù)大，所需電源容量小，可以組成高性能的控制系統(tǒng)等等。下面介紹一下上面提到的變頻器調(diào)速控制系統(tǒng)的各種主要優(yōu)點(diǎn)。 　　在許多情況下，使用變頻器的目的是節(jié)能，尤其是對于在工業(yè)中大量使用的風(fēng)扇、鼓風(fēng)機(jī)和泵類負(fù)載來說，通過變頻器進(jìn)行調(diào)速控制可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)上利用擋板和閥門進(jìn)行的風(fēng)量、流量和揚(yáng)程的控制，所以節(jié)能效果非常明顯。 　　因?yàn)橐怨?jié)能為目的的調(diào)速運(yùn)轉(zhuǎn)對電動機(jī)的調(diào)速范圍和精度要求不高，所以通常采用在價(jià)格方面比較經(jīng)濟(jì)的通用型變頻器。 　　由于變頻器可以看作是一個(gè)頻率可調(diào)的交流電源，對于現(xiàn)有的進(jìn)行恒速運(yùn)轉(zhuǎn)的異步電動機(jī)來說，只需在電網(wǎng)電源和現(xiàn)有的電動機(jī)之間接入變頻器和相應(yīng)設(shè)備，就可以利用變頻器實(shí)現(xiàn)調(diào)速控制，而無須對電動機(jī)和系統(tǒng)本身進(jìn)行大的設(shè)備改造。 　　在采用了變頻器的交流拖動系統(tǒng)中，異步電動機(jī)的調(diào)速控制是通過改變變頻器的輸出頻率實(shí)現(xiàn)的。因此，在進(jìn)行調(diào)速控制時(shí)，可以通過控制變頻器的輸出頻率使電動機(jī)工作在轉(zhuǎn)差率較小的范圍，電動機(jī)的調(diào)速范圍較寬，并可以達(dá)到提高運(yùn)行效率的目的。一般來說，通用型變頻器的調(diào)速范圍可以達(dá)到1：10以上，而高性能的矢量控制方式的變頻器的調(diào)速范圍可以達(dá)到1：1000。此外，當(dāng)采用矢量控制方式的變頻器對異步電動機(jī)進(jìn)行調(diào)速控制時(shí)，還可以直接控制電動機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩。因此，高性能的矢量控制變頻器與變頻器專用電動機(jī)的組合在控制性能方面可以達(dá)到和超過高精度直流伺服電動機(jī)的控制性能。 利用普通的電網(wǎng)電源運(yùn)行的交流拖動系統(tǒng)，為了實(shí)現(xiàn)電動機(jī)的正反轉(zhuǎn)切換，必須利用開閉器等裝置對電源進(jìn)行換相切換。利用變頻器進(jìn)行調(diào)速控制時(shí)，只需改變變頻器內(nèi)部逆變電路換流器件的開關(guān)順序即可以達(dá)到對輸出進(jìn)行換相的目的，很容易實(shí)現(xiàn)電動機(jī)的正反轉(zhuǎn)切換而不需要專門設(shè)置正反轉(zhuǎn)切換裝置。 　　此外，對在電網(wǎng)電源下運(yùn)行的電動機(jī)進(jìn)行正反轉(zhuǎn)切換時(shí)，如果在電動機(jī)尚未停止時(shí)就進(jìn)行相序的切換，電動機(jī)內(nèi)將會由于相序的改變而流過大于起動電流的電流，有燒毀電動機(jī)的危險(xiǎn)，所以通常必須等電動機(jī)完全停下來之后才能夠進(jìn)行換相操作。而在采用變頻器的交流調(diào)速系統(tǒng)中，由于可以通過改變變頻器的輸出頻率使電動機(jī)按照斜坡函數(shù)的規(guī)律進(jìn)行加速，從而達(dá)到限制加速電流的目的。因此，在利用變頻器進(jìn)行調(diào)速控制時(shí)更容易和其它設(shè)備一起構(gòu)成自動控制系統(tǒng)。 對于利用普通的電網(wǎng)電源運(yùn)行的交流拖動系統(tǒng)來說，由于電動機(jī)的起動電流較大并存在著與起動時(shí)間成正比的功率損耗，所以不能使電動機(jī)進(jìn)行高頻度的起停運(yùn)轉(zhuǎn)。而對于采用了變頻器的交流調(diào)速系統(tǒng)來說，由于電動機(jī)的起停都是在低速區(qū)進(jìn)行而且加減速過程都比較平緩，電動機(jī)的功耗和發(fā)熱較小，可以進(jìn)行較高頻度的起停運(yùn)轉(zhuǎn)。 　　變頻調(diào)速系統(tǒng)的上述特點(diǎn)可以用于采用交流拖動系統(tǒng)的傳送帶和移動工作臺等以達(dá)到節(jié)能的目的。這是因?yàn)�，在利用異步電動機(jī)進(jìn)行恒速驅(qū)動的傳送帶以及移動工作臺中，電動機(jī)通常一直處于工作狀態(tài)，而采用變頻器 進(jìn)行調(diào)速控制后，由于可以使電動機(jī)進(jìn)行高頻度的起停運(yùn)轉(zhuǎn)，可以使傳送帶或移動工作臺只是在有貨物或工件時(shí)停止運(yùn)行，從而達(dá)到節(jié)能的目的。 　　由于在變頻器驅(qū)動系統(tǒng)中電動機(jī)的調(diào)速控制是通過改變變頻器的輸出頻率進(jìn)行的，當(dāng)把變頻器的輸出頻率降至電動機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速所對應(yīng)的頻率以下時(shí)，負(fù)載的機(jī)械能將被轉(zhuǎn)換為電能，并被回饋給供電電網(wǎng)，并形成電氣制動。此外，一些變頻器還具有直流制動功能，即在需要進(jìn)行制動時(shí)，可以通過變頻器給電動機(jī)加上一個(gè)直流電壓，并利用該電壓產(chǎn)生的電流進(jìn)行制動。 　　同機(jī)械制動相比，電氣制動有許多優(yōu)點(diǎn)，例如體積小，維護(hù)簡單，可靠性好等。但是也應(yīng)該注意到，由于在靜止?fàn)顟B(tài)下電氣制動并不能使電動機(jī)產(chǎn)生保持轉(zhuǎn)矩，所以在某些場合還必須采取相應(yīng)的措施，例如和機(jī)械制動器同時(shí)使用等。 　　高速驅(qū)動是變頻器調(diào)速控制的最重要的優(yōu)點(diǎn)之一。這是因?yàn)閷τ谥绷麟妱訖C(jī)來說，由于受電刷和換向環(huán)等因素的制約，無法進(jìn)行高速運(yùn)轉(zhuǎn)。但是，對于異步電動機(jī)來說，由于不存在上述制約因素，理論上講異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速可以達(dá)到相當(dāng)高的速度。 由于異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速為： 式中n——電機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min； f——電源頻率，HZ； p——電動機(jī)磁極個(gè)數(shù)； s——轉(zhuǎn)差。 　　當(dāng)用工頻電源（50HZ）對異步電動機(jī)進(jìn)行驅(qū)動時(shí)，二極電動機(jī)的最高速度只能達(dá)到3000r/min。為了得到更高的轉(zhuǎn)速，則必須使用專用的高頻電源或使用機(jī)械增速裝置進(jìn)行增速。 　　與此相比，目前高頻變頻器的輸出頻率已經(jīng)可以達(dá)到3000KHZ，所以當(dāng)利用這種高速變頻器對二極異步電動機(jī)進(jìn)行驅(qū)動時(shí)，可以得到高達(dá)180000r/min的高速。而且隨著變頻器技術(shù)的發(fā)展，高頻電源的輸出頻率也在不斷提高，因此進(jìn)行更高速度的驅(qū)動也將成為可能。 此外，與采用機(jī)械增速裝置的高速驅(qū)動系統(tǒng)相比，由于采用高頻變頻器的高速驅(qū)動系統(tǒng)中并不存在異步電動機(jī)以外的機(jī)械裝置，其可靠性更好，而且保養(yǎng)和維修也更加簡單。 　　在變頻器調(diào)速控制系統(tǒng)中，變頻器和電動機(jī)是可以分離設(shè)置的。因此，通過和各種不同的異步電動機(jī)的適當(dāng)組合，可以得到使用于各種工作環(huán)境的交流調(diào)速系統(tǒng)，而對變頻器本身并沒有特殊要求。 例如，對有防爆和防腐蝕要求的環(huán)境，只需將電動機(jī)換為專用電動機(jī)，而使用普通的變頻器并將其安裝在有防爆和防腐蝕要求的環(huán)境之外的普通環(huán)境即可。 　　由于變頻器本身對外部來說可以看作是一個(gè)可以進(jìn)行調(diào)頻調(diào)壓的交流電源，可以用一臺變頻器同時(shí)驅(qū)動多臺異步電動機(jī)或同步電動機(jī)，從而達(dá)到節(jié)約設(shè)備投資的目的。而對于直流調(diào)速系統(tǒng)來說，則很難做到這一點(diǎn)。 　　當(dāng)用一臺變頻器同時(shí)驅(qū)動多臺電動機(jī)時(shí)，若驅(qū)動對象為同步電動機(jī)，所有的電動機(jī)將會以同樣的速度（同步轉(zhuǎn)速）運(yùn)轉(zhuǎn)，而當(dāng)驅(qū)動對象為容量和負(fù)載都不相同的異步電動機(jī)時(shí)，則由于轉(zhuǎn)差的原因，各電動機(jī)之間會存在一定的速度差。 　　因?yàn)樽冾l器時(shí)通過交流—直流的電源變換后對異步電動機(jī)進(jìn)行驅(qū)動的，所以電源的功率因數(shù)不受電動機(jī)功率因數(shù)的影響，幾乎為定值。 　　此外，當(dāng)用電網(wǎng)電源對異步電動機(jī)進(jìn)行驅(qū)動時(shí)，電動機(jī)的起動電流為額定電流的5—6倍，而在采用變頻器對異步電動機(jī)記性驅(qū)動時(shí)，由于可以將變頻器的輸出頻率降至很低時(shí)起動，電動機(jī)的起動電流很小，因而變頻器輸入端電源的容量也可以比較小。一般來說，變頻器輸入端電源的容量只需為電動機(jī) 輸出容量的1.5倍左右即可。這也說明變頻器也可以同時(shí)起到減壓起動器的作用。 隨著控制理論、交流調(diào)速理論和電子技術(shù)的發(fā)展，變頻器技術(shù)也得到了充分的重視和發(fā)展，目前，有高性能變頻器和專用的異步電動機(jī)組成的控制系統(tǒng)在性能上已經(jīng)達(dá)到和超過了直流電動機(jī)伺服系統(tǒng)。此外，由于異步電動機(jī)還具有對環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，維護(hù)簡單等許多直流伺服電動機(jī)所不具備的優(yōu)點(diǎn)，所以在許多需要進(jìn)行高速高精度控制的應(yīng)用中這種高性能的交流調(diào)速系統(tǒng)正在逐步替代直流伺服系統(tǒng)。而且由于高性能的變頻器的外部接口功能也非常豐富，可以將其作為自動控制系統(tǒng)中的一個(gè)部件使用，構(gòu)成所需的自動控制系統(tǒng)。 由于變頻器具有上述優(yōu)點(diǎn)，因而在各種領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。 三： 變頻器技術(shù)的發(fā)展動向 變頻器進(jìn)入實(shí)用期已超過了1/4個(gè)世紀(jì)，在此期間，作為變頻器技術(shù)基礎(chǔ)的電力電子技術(shù)和微電子技術(shù)都經(jīng)理了飛躍性的發(fā)展，隨著新型電力電子器件和高性能微處理器的應(yīng)用以及控制技術(shù)的發(fā)展，變頻器的性能價(jià)格比越來越高，體積越來越小，而廠家則仍然在不斷地為實(shí)現(xiàn)變頻器的進(jìn)一步小型化而做著新的努力。從技術(shù)方面來看，隨著變頻器市場的進(jìn)一步擴(kuò)大，今后變頻器技術(shù)將會隨著與變頻器有關(guān)的技術(shù)的發(fā)展在下面幾個(gè)方面進(jìn)一步得到發(fā)展： （1） 大容量和小體積化； （2） 高性能和多功能化； （3） 易操作性的提高； （4） 壽命和可靠性增加； （5） 無公害化。 　　大容量化和小體積化將會隨著電力半導(dǎo)體器件的發(fā)展而不斷的到發(fā)展。近年來，采用電壓驅(qū)動的電力半導(dǎo)體器件IGBT（Isolated Gate Bipolar Transistor,隔離門極雙極晶體管）發(fā)展很快，并在迅速進(jìn)入傳統(tǒng)上使用BJT（雙極功率晶體管）和功率MOSFET（場效應(yīng)管）的各種領(lǐng)域。此外，以IGBT為開關(guān)器件的IPM（Intelligent Power Module,智能功率模塊）和單片功率IC 芯片將功率開關(guān)器件與驅(qū)動電路，保護(hù)電路等集成在同一封裝內(nèi)，具有高性能和可靠性好的優(yōu)點(diǎn)，所以隨著它們在大電流化和高耐壓化方面的發(fā)展，必將在中小型變頻器中得到更加廣泛的應(yīng)用。 　　隨著微電子技術(shù)和半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，用于變頻器的CPU和半導(dǎo)體器件以及各種傳感器的性能越來越高。而隨著變頻器技術(shù)的發(fā)展，交流調(diào)速理論日益成熟，現(xiàn)代控制理論也在不斷得到新的應(yīng)用。這些都為進(jìn)一步提高變頻器的性能提供了條件。此外，隨著變頻器的進(jìn)一步推廣應(yīng)用，擁護(hù)也在不斷提出各種新的要求，促使變頻器的生產(chǎn)廠家不斷地在提高變頻器性能和變頻器功能方面做出新的努力，以滿足用戶的需要和爭取在激烈的市場競爭中立于不敗之地。 　　隨著變頻器市場的不斷擴(kuò)大，如何進(jìn)一步提高變頻器的易操作性，使普通的技術(shù)人員甚至非技術(shù)人員也能很快的掌握變頻器的使用技術(shù)已經(jīng)成為廠家必須考慮的問題。因?yàn)橹挥腥菀撞僮鞯漠a(chǎn)品才能夠不斷獲得新的用戶，并進(jìn)一步擴(kuò)大市場，所以今后的新型變頻器將更加容易操作。 　　隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展和電力電子技術(shù)的發(fā)展，變頻器中所使用的各種元器件的壽命和可靠性都在不斷提高，這些都將使變頻器本身的壽命和可靠性進(jìn)一步增加。 　　近年來，人們對環(huán)境問題非常重視，并因此而出現(xiàn)了“綠色產(chǎn)品”的名稱。因此，對于變頻器來說，也必須考慮其對周圍環(huán)境的影響。 　　在變頻器推廣應(yīng)用的初期，噪聲問題曾經(jīng)是一個(gè)比較大的問題。隨著IGBT的低噪聲變頻器的出現(xiàn)，這個(gè)問題已經(jīng)基本上得到了解決。但是，隨著噪聲問題的解決，人們的目光又轉(zhuǎn)向了變頻器對周圍環(huán)境的其它影響并在不斷探索新的解決辦法。例如，對于采用了二極管整流電路和電壓形PWM逆變電路的變頻器來說，變頻器本身造成的高次諧波將給電源電壓和電流帶來畸變，并影響接于同一電源的其它設(shè)備。但是，通過在變頻器中采用PWM整流電路，就可以基本上解決這個(gè)問題。雖然因?yàn)閮r(jià)格和控制技術(shù)等方面的原因目前采用PWM整流電路的變頻器尚未得到推廣，但是，隨著變頻器技術(shù)的發(fā)展和人們對環(huán)境問題的重視，不斷減少變頻器對環(huán)境的影響直至推出真正的無公害變頻器也已經(jīng)成為大勢所趨。 四：都說變頻調(diào)速比直流調(diào)速好，直流調(diào)速真的要淘汰嗎？ 變頻調(diào)速之所以比直流調(diào)速廣泛運(yùn)用是因?yàn)榻涣麟姍C(jī)，不是變頻調(diào)速原理具有優(yōu)越性，變頻調(diào)速只能應(yīng)用于調(diào)速，而對力矩是無法做到精確控制的，原因很簡單，直流調(diào)速的電樞和勵磁不是耦合的，是分開的，這樣對電樞電流和勵磁電流能夠做到精確控制。而交流調(diào)速，電樞電流和勵磁電流是耦合的，是無法做到精確控制的， 盡管目前的變頻調(diào)速具有矢量控制，也就是運(yùn)用現(xiàn)代控制理論，通過矢量轉(zhuǎn)換，將交流電機(jī)中耦合的電樞電流和勵磁電流解開，從而對其進(jìn)行控制，也就是仿真直流調(diào)速的原理。但是要做到直流調(diào)速的控制特性目前是很困難的。因此在軋機(jī)、造紙等對力矩要求很高行業(yè)，直流調(diào)速還是具有廣泛性。而僅對速度控制，目前變頻調(diào)速是可以逼真直流調(diào)速的特性，因?yàn)榻涣麟姍C(jī)的優(yōu)越性是直流電機(jī)無法做到的。 　　直流電機(jī)的電刷和體積的原因，限制了它的應(yīng)用范圍，變頻調(diào)速可以說是由風(fēng)機(jī)和水泵發(fā)展而來的，是由于風(fēng)機(jī)和水泵節(jié)能的需要，變頻調(diào)速是最佳選擇，不過我個(gè)人認(rèn)為就目前電價(jià)和變頻器的自身的價(jià)格相比，這種節(jié)能是毫無意義的，因?yàn)橐炎冾l器的投資收回，最少需要5-6年，在這5-6年的時(shí)間里，工況還不知道要發(fā)生什么變化。 因此，變頻器最好應(yīng)用在需要調(diào)速，而對啟動性能及力矩調(diào)節(jié)要求不是很苛刻的場合，而這種場合比比皆是，這才是變頻調(diào)速普遍應(yīng)用的原因。 因此可以說如果用直流調(diào)速控制器去控制交流電機(jī)那才是最好的，真能做到這一點(diǎn)，你就是第二個(gè)比爾蓋茨,甚至能拿個(gè)諾貝爾獎�！� 　 作者單位：唐山建龍實(shí)業(yè)有限公司 　 地址：河北省遵化市建設(shè)南路32號簡舟二軋廠　064200　 Email：JINCHQ368@VIP.SOHU.COM