变频调速技术发展现状及前景展望

中心论题：

• 变频调速技术的发展概况
• 变频调速技术国内外现状
• 变频调速未来的发展方向

解决方案：

• 国外神经网络在变频调速系统控制中获得了应用
• 实现全数字控制化
• 实现变频器的通信网络化和技术规格标准化
• 实现变频器的特大容量化和硬件的集成化
• 实现变频器的高频化
• 实现软开关化和实现变频器的“绿色环保”化

电气传动是工业控制领域中的一个重要内容，它利用电动机将电能转变为机械能，从而满足工农业生产及日常生活中的各种需求。目前，变频调速技术已成为节能、改善工艺流程、提高产品质量和改善环境、推动技术进步的有效措施。变频调速以其优异的调速和起制动性能，高效率、高功率因数和节能效果，广泛的适用范围及其它许多优点而被国内外公认为最有发展前途的调速方式，其重要性日益得到世界各国的重视。在世界能源紧缺的今天，开展变频调速技术的研究，推广其应用，有着非常重大的现实意义和巨大的经济效益及社会效益。

变频调速技术的发展概况
20 世纪60 年代以前，直流调速一直以控制能力强、可靠性高、噪声低、控制电路简单等一系列优良的性能在传动领域中占据着主导地位。但是随着社会生产力及技术的不断发展，直流传动的薄弱环节逐步显示出来。由于换向器的存在，使直流电动机的维护工作量加大，单机容量、最高转速以及使用环境等都受到限制。同时，电动机在实际应用中，已由过去简单的起停控制，以提供动力为目的发展为对其速度、位置、转矩等参数进行精确控制，使被驱动的机械运动符合预想的要求。另外，随着电力电子技术、控制技术以及微型计算机和大规模集成电路的飞速发展，交流调速取代直流调速，计算机数字控制技术取代模拟控制技术已成为发展趋势。因此，人们便转向应用结构简单、运行可靠、便于维护、价格低廉的交流电动机。

然而，要实现对交流电动机高性能的调速远比直流电动机调速困难得多。从20 世纪30 年代开始，人们就致力于交流调速技术的研究。20 世纪60 年代以后，特别是70 年代以来，随着新型自关断电力电子器件、智能功率集成电路的问世，现代控制理论的发展和计算机技术的应用，新的控制策略不断涌现，使得交流调速技术得到迅猛发展，并已在冶金、机械、电气、纺织、食品等行业得到普遍应用，交流调速以其显著的节电效果，优良的调速性能以及广泛的适用性逐步取代直流调速的地位，已经成为电气传动领域发展的主流方向。

变频调速技术国内外现状
a.国外现状
市场有大量需求随着工业自动化程度的不断提高和能源全球性短缺，变频器越来越广泛地应用在冶金、机械、石油、化工、纺织、造纸、食品等各个行业以及风机、水泵等节能场合，并取得了显著的经济效益。

功率器件发展迅速变频调速技术是建立在电力电子技术基础之上的。近年来，高电压、大电流的SCR、GTO、IGBT、IGCT 以及智能模块IPM (Intelligent Power Module) 等器件的生产以及并联、串联技术应用的发展，使高电压、大功率变频器产品的生产及应用成为现实。

在大功率交—交变频(循环变流器) 调速技术方面，法国阿尔斯通已能提供单机容量达30 000 kW的电气传动设备用于船舶推进系统。在大功率无换向器电机变频调速技术方面，意大利ABB 公司提供了单机容量为60 000 kW 的设备用于抽水蓄能电站；在中功率变频调速技术方面, 德国西门子公司Simovert A 电流型晶闸管变频调速设备单机容量为10耀2 600 kV•A 和Simovert P GTO PWM 变频调速设备单机容量为100 耀900 kV•A，其控制系统已实现全数字化，用于电力机车、风机、水泵传动；在小功率变频调速技术方面，日本富士BJT 变频器最大单机容量可达700 kV•A ，IGBT变频器已形成系列产品，其控制系统也已实现全数字化。IPM 投入应用比IGBT 约晚2年, 由于IPM 包含了IGBT 芯片及外围的驱动和保护电路，有的甚至还把光耦也集成于一体，是一种更为适用的集成型功率器件。目前，在模块额定电流10耀600 A 范围内，通用变频器均有采用IPM 的趋向。IPM 除了在工业变频器中被大量采用之外，经济型的IPM 在近年内也开始在一些民用品，如家用空调变频器、冰箱变频器、洗衣机变频器中得到应用。IPM 也在向更高的水平发展，日本三菱电机最近开发的专用智能模块ASIPM 将不需要外接光耦，通过内部自举电路可单电源供电，并采用了低电感的封装技术，在实现系统小型化，专用化，高性能，低成本方面又推进了一步。

控制理论和微电子技术的支持在现代自动化控制领域中，以现代控制论为基础，融入模糊控制、专家控制、神经网络控制等新的控制理论为高性能变频调速提供了理论基础；16 位、32 位高速微处理器以及信号处理器(DSP)和专用集成电路(ASIC)技术的快速发展，则为实现变频调速的高精度、多功能提供了硬件手段。

b.国内现状
我国电气传动产业始于1954 年。当时，在机械工业部属下建立了我国第一个电气传动成套公司，即现在的天津电气传动设计研究所的前身。现在，我国有200家左右的公司、工厂和研究所从事变频调速技术的工作。随着改革开放，经济高速发展，形成了一个巨大的市场，它既对国内企业，也对外国公司敞开。很多最先进的产品从发达国家进口，在我国运行良好，满足了我国生产和生活需要。国内许多合资公司生产当今国际上先进的产品，国内的成套部分在自行设计制造的成套装置中采用外国进口和合资企业的先进设备，自己开发应用软件，能为国内外重大工程项目提供一流的电气传动控制系统，在变频调速技术的应用和研究上取得了很大的成绩。

但应看到，由于国内自行开发、生产产品的能力弱，对国外公司的依赖仍很严重。目前，国内生产的主要产品的状况如下：晶闸管变流器和可关断器件(DJT、IGBT、VDMOS)斩波器供电的直流调速设备这类设备的市场很大，随着交流调速的发展，该市场虽在缩减，但由于我国旧设备改造任务重，以及它在几百至一千多kW范围内价格比交流调速设备价格低得多，所以短期内仍有较大市场，国产设备能满足需要，部分出口。自行开发的控制器多为模拟控制，近年来主要采用进口数字控制器配国产功率装置。IGBT 或BJT PWM 逆变器供电的交流变频调速设备这类设备总容量占的比例不大，但台数多，增长快，应用范围从单机扩展到全生产线，从简单的V/f 控制到高性能的矢量控制。负载换流式电流型晶闸管逆变器供电的变频调速设备这类产品在抽水蓄能电站的机组起动，大容量风机、泵、压缩机和轧机传动方面有很大需求。国内只有少数科研单位有能力制造，目前容量最大做到12 MW。功率装置国内配套，自行开发的控制装置只有模拟式的，数字装置需进口，自己开发应用软件。交—交变频器供电的变频调速设备这类产品在轧机和矿井卷扬机传动方面有很大需求，台数不多，功率大。主要靠进口，国内只有少数科研单位有能力制造。目前最大容量做到7 000耀8 000 kW。功率部分国产，数字控制装置进口，包括开发应用软件。

变频调速未来的发展方向
交流变频调速是强、弱电混合，机电一体的综合技术，既要处理巨大电能的转换，又要处理信息的收集变换和传输。因此它的共性技术必定是分为功率和控制两大部分。前者要解决与高压大电流有关的技术问题和新型电力电子器件的应用技术问题，后者要解决硬、软件开发问题。各种高性能变频控制都是国内外研究的热点，其未来主要的发展方向是:

a.实现变频器的人工智能化对于交流电机这样多变量、强耦合的参数非线性时变的复杂被控对象，要获得良好的控制性能较为困难。由于神经网络具有很强的信息处理能力，能通过自身学习来解决复杂系统的控制问题，故目前已成为非线性系统建模的重要技术。近年来，国外神经网络在变频调速系统控制中获得了应用，已成为当前神经网络理论及应用的研究热点。

b.实现全数字控制化。全数字控制使硬件简化，柔性的控制算法使控制灵活、可靠，易实现复杂的控制规律，便于故障诊断和监视。

c.实现变频器的通信网络化和技术规格标准化。当前，国外先进的变频器都配有总线适配器模块(如modbus, feidbus, interbus等)作为选件，外部总线可以双绞线和适配器连接，变频器则作为系统的智能终端。进一步可形成集散式(DCS)变频控制系统和现场总线(FCS)变频控制系统。变频器的技术规格已统一成国际性标准，可根据用户的需要实现灵活的配置。

d.实现变频器的特大容量化随着电力电子技术的不断进步，控制容量将进一步增大，使交流电机比直流电机的优势更加明显。

e.实现变频器硬件的集成化为了使变频装置体积更小巧，新型变频器要求功率和控制单元具有高集成度。利用不断发展的大规模集成电路工艺，把自动控制系统中控制电路集成化为若干个专用IC芯片(ASIC )，使整个系统的构成更小型、可靠，从而构成强弱电一体的智能化电机。

f.实现变频器的高频化提高变频器开关频率是抑制谐波、提高系统性能的关键之一。但开关频率提高，会增加器件自身的开关损耗，影响变频器的效率和可靠性，使其调制频率受到限制。目前在高频变换器中采用较多的器件是MOSFET，IGBT和IPM。各国正在利用新一代高频电力电子器件，如静电感应晶闸管(SITH )，以及IGCT 和IECT，研发新一代高频的电控装置。

g.实现软开关化。软开关技术是目前国内外电力电子技术领域中的研究方向之一。传统的变换器中的开关器件工作在硬开关状态，硬开关妨碍了变换器工作频率和容量的提高，还存在容性开通问题引起过热损坏，在感性关断时易造成瞬时短路。近年来，软开关技术被引进变频控制中并己逐渐推向实用。软开关技术可以减小甚至完全消除变换器中开关器件在开关过程中的损耗，使缓冲吸收电路成为多余，提高了开关器件的工作频率，减小了开关器件的散热体积，提高了变频器工作的可靠性和效率。

h.实现变频器的“绿色环保”化。实现变频器的“绿色环保”化也就是开发清洁电能的变频器。所谓清洁电能变频器是指变频器的功率因数为1，电网侧和负载侧的谐波分量很少。研究环保型整流器，使其不产生谐波，且实现功率双向流动是国内外目前研究的热点问题。

结语
变频调速技术作为高新技术、基础技术和节能技术，已经渗透到所有经济领域的技术部门中。应积极应用变频调速技术来改造传统产业，节约能源及提高产品质量，以获得较好的经济效益和社会效益；要大力发展变频调速技术，必须把我国变频调速技术提高到一个新的水平，缩小与世界先进水平的差距，提高自主开发能力，满足国民经济重点工程建设和市场的需求；并规范我国变频调速技术方面的标准，提高产品可靠性及工艺水平，实现规模化、标准化生产。