[摘要］了le解jie近jin十shi年nian來lai國guo外wai通tong用yong變bian頻pin器qi的de技ji術shu發fa展zhan對dui於yu深shen入ru了le解jie交jiao流liu傳chuan動dong與yu控kong製zhi技ji術shu的de發fa展zhan走zou向xiang以yi及ji如ru何he站zhan在zai高gao起qi點dian上shang結jie合he我wo國guo國guo情qing開kai發fa我wo國guo自zi己ji的de產chan品pin都dou具ju有you十shi分fen積ji極ji的de意yi義yi。

[關鍵詞]通用變頻 電力電子 IGBT IPM PWM DTC

1.前言

交流傳動與控製技術是目前發展最為迅速的技術之一
，這是和冉力電子器件製造技術、變流技術控製技術以及微型計算機和大規模集成電路的飛速發展密切相關。

通用變頻器作為早個商品開始在國內上市，是近十年的事，銷售額逐年增加，於今全年有超過數十億元（RMB）的市場。其中．各種進口品牌居多
，功率小至百瓦大至數千千瓦；功能簡易或複雜；精度低或高；響應慢或快：有PG（測速機）或無PG;有噪音或無噪音等等。

對於許多用戶來說,這zhe十shi年nian中zhong經jing曆li了le多duo次ci更geng新xin，現xian所suo使shi用yong的de變bian頻pin器qi大da都dou屬shu於yu目mu前qian最zui為wei先xian進jin的de機ji型xing如ru果guo從cong應ying用yong的de角jiao度du來lai說shuo，我wo們men的de水shui準zhun與yu發fa達da國guo家jia沒mei有you什shen麼me兩liang樣yang。作zuo為wei國guo內nei製zhi造zao商shang,通過這十年來對國外的先進技術進行銷化，也正在積極地進行國產變頻器的自主開發．努力追趕世界發達國家的水平。

回hui顧gu近jin十shi年nian來lai國guo外wai通tong用yong變bian頻pin器qi技ji術shu的de發fa展zhan對dui於yu深shen入ru了le解jie交jiao流liu傳chuan動dong與yu控kong製zhi技ji術shu的de走zou向xiang
，以yi及ji如ru何he站zhan在zai高gao起qi點dian上shang結jie合he我wo國guo國guo情qing開kai發fa我wo國guo自zi己ji的de產chan品pin應ying該gai說shuo具ju有you十shi分fen積ji極ji的de意yi義yi.

2.關於功率器件

變頻技術是建立在電力電子技術基礎之上的。在低壓交流電動機的傳動控製中，應用最多的功率器件有GTO
、GTR、IGBT以及智能模塊IPM(Intelligent Power Module）
，後麵二種集GTR的低飽和電壓特性和MOSFET的高頻開關特性於一體是目前通用變頻器中最廣泛使用的主流功率器件。IGBT集射電壓Vce可＜3V,頻率可達到20KHZ,內含的集射極間超高速二極管Trr可達150ns,1992年前後開始在通用變頻器中得到廣泛應用。其發展的方向是損耗更低,開關速度更快、電壓更高,容量更大(3.3KV、 1200A), 目前，采用溝道型柵極技術


、非穿通技術等方法大幅度降低了集電極一發射極之間的飽和電壓[VCE（sat)]的第四代IGBT也已問世。

第四代IGBT的應用使變頻器的性能有了很大的提高。其一是ICBT開關器件發熱減少

，將曾占主回路發熱50－70％的器件發熱降低了30％。其二是高載波控製
，使輸出電流波形有明顯改善；其三是開關頻率提高
，使之超過人耳的感受範圍
，即實現了電機運行的靜青化
；其四是驅動功率減少，體積趨於更小。

而IPM的投入應用比IGBT約晚二年，由於IPM包含了1GBT芯片及外圍的驅動和保護電

路．甚至還有的把光耦也集成於一體，因此是種更為好用的集成型功率器件
，目前，在模塊額定由流10－600A範圍內
，通用變頻器均有采用IPM的趨問，其優點是：

（1）開關速度快，驅動電流小

，控製驅動更為簡單。

（2）內含電流傳感器，可以高效迅速地檢測出過電流和短路電流，能對功率芯片給予足夠的保護，故障率大大降低。

（3)由於在器件內部電源電路和驅動電路的配線設計上做到優化，所以浪湧電壓
，門極振蕩，噪聲引起的幹擾等問題能有效得到控製。

（4）保護功能較為豐富，如電流保護、電壓保護
、溫度保護一應俱全，隨著技術的進步，保護功能將進一步日臻完善。

（5）IPM的售價已逐漸接近IGBT．而計人采用IPM後的開關電源容量、驅動功率容量的減小和器件的節省以及綜合性能提高等因素後在許多場合其性價比已高過IGBT，有很好的經濟性。

為此IPM除了在工業變頻器中被大量采用之後，經濟型的IPM在近年內也開始在一些民用品如家用空調變頻器，冰箱變頻器、洗衣機變頻器中得到應用。IPM也在向更高的水平發展
，日本三菱電機最近開發的專用智能模塊ASIPM將jiang不bu需xu要yao外wai接jie光guang耦ou，通tong過guo內nei部bu自zi舉ju電dian路lu可ke單dan電dian源yuan供gong電dian並bing采cai用yong了le低di電dian感gan的de封feng裝zhuang技ji術shu，在zai實shi現xian係xi統tong小xiao型xing化hua

，專zhuan用yong化hua，高gao性xing能neng
，低di成cheng本ben方fang麵mian又you推tui進jin了le一yi步bu。

3.關於控製方式

早期通用變頻器如東芝TOSVERT－130係列、FUJI FVRG5／P5係列，SANKEN SVF係列等大多數為開環恒壓比（V／F=常數）的控製方式．其優點是控製結構簡單、成本較低，缺點是係統性能不高，比較適合應用在風機、水泵調這場合。具體來說，其控製曲線會隨著負載的變化而變化；轉矩響應慢，電視轉矩利用率不高，低速時因定子電阻和逆變器死區效應的存在而性能下降穩定性變差等。對變頻器U／F控製係統的改造主要經曆了三個階段；

第一階段：

（1）. 八十年代初日本學者提出了基本磁通軌跡的電壓空間矢量（或稱磁通軌跡法）。該gai方fang法fa以yi三san相xiang波bo形xing的de整zheng體ti生sheng成cheng效xiao果guo為wei前qian提ti
，以yi逼bi近jin電dian機ji氣qi隙xi的de理li想xiang圓yuan形xing旋xuan轉zhuan磁ci場chang軌gui跡ji為wei目mu的de，一yi次ci生sheng成cheng二er相xiang調tiao製zhi波bo形xing。這zhe種zhong方fang法fa被bei稱cheng為wei電dian壓ya空kong間jian矢shi量liang控kong製zhi。典dian型xing機ji種zhong如ru1989年前後進入中國市場的FUJI（富士）FRN5OOOG5/P5、SANKEN（三墾）MF係列等。

（2）引人頻率補償控製
，以消除速度控製的穩態誤差

（3）基於電機的穩態模型
，用直流電流信號重建相電流，如西門子MicroMaster係列,由此估算出磁鏈幅值，並通過反饋控製來消除低速時定子電阻對性能的影響。

（4）將輸出電壓、電dian流liu進jin行xing閉bi環huan控kong製zhi，以yi提ti高gao動dong態tai負fu載zai下xia的de電dian壓ya控kong製zhi精jing度du和he穩wen定ding度du

，同tong時shi也ye一yi定ding程cheng度du上shang求qiu得de電dian流liu波bo形xing的de改gai善shan。這zhe種zhong控kong製zhi方fang法fa的de另ling一yi個ge好hao處chu是shi對dui再zai生sheng引yin起qi的de過guo電dian壓ya、過電流抑製較為明顯，從而可以實現快速的加減速。

之後，1991年由富士電機推出大家熟知的FVR與 FRNG7／P7係列的設計中，不同程度融入了（2）（3）（4）項(xiang)技(ji)術(shu)，因(yin)此(ci)很(hen)具(ju)有(you)代(dai)表(biao)性(xing)。三(san)菱(ling)日(ri)立(li)
，東(dong)芝(zhi)也(ye)都(dou)有(you)類(lei)似(si)的(de)產(chan)品(pin)。然(ran)而(er)，在(zai)上(shang)述(shu)四(si)種(zhong)方(fang)法(fa)中(zhong)，由(you)於(yu)未(wei)引(yin)入(ru)轉(zhuan)矩(ju)的(de)調(tiao)節(jie)
，係(xi)統(tong)性(xing)能(neng)沒(mei)有(you)得(de)到(dao)根(gen)本(ben)性(xing)的(de)改(gai)善(shan).

第二階段：

矢量控製。也稱磁場定向控製。它是七十年代初由西德 F.Blasschkedengrenshouxiantichu，yizhiliudiandongjihejiaoliudiandongjibijiaodefangfafenxichanshulezheyiyuanli，youcikaichuanglejiaoliudiandongjidengxiaozhiliudiandongjikongzhidexianhe。tashirenmenkandaojiaoliudiandongjijinguankongzhifuza，dantongyangkeyishixianzhuanju、磁場獨立控製的內在本質。

矢(shi)量(liang)控(kong)製(zhi)的(de)基(ji)本(ben)點(dian)是(shi)控(kong)製(zhi)轉(zhuan)子(zi)磁(ci)鏈(lian)，以(yi)轉(zhuan)子(zi)磁(ci)通(tong)定(ding)向(xiang)
，然(ran)後(hou)分(fen)解(jie)定(ding)子(zi)電(dian)流(liu)，使(shi)之(zhi)成(cheng)為(wei)轉(zhuan)矩(ju)和(he)磁(ci)場(chang)兩(liang)個(ge)分(fen)量(liang)，經(jing)過(guo)坐(zuo)標(biao)變(bian)換(huan)實(shi)現(xian)正(zheng)交(jiao)或(huo)解(jie)耦(ou)控(kong)製(zhi)。但(dan)是(shi)
，由(you)於(yu)轉(zhuan)子(zi)磁(ci)鏈(lian)難(nan)以(yi)準(zhun)確(que)觀(guan)測(ce)，以(yi)及(ji)矢(shi)量(liang)變(bian)換(huan)的(de)複(fu)雜(za)性(xing)
，使(shi)得(de)實(shi)際(ji)控(kong)製(zhi)效(xiao)果(guo)往(wang)往(wang)難(nan)以(yi)達(da)到(dao)理(li)論(lun)分(fen)析(xi)的(de)效(xiao)果(guo)，這(zhe)是(shi)矢(shi)量(liang)控(kong)製(zhi)技(ji)術(shu)在(zai)實(shi)踐(jian)上(shang)的(de)不(bu)足(zu)。此(ci)外(wai)．它(ta)必(bi)須(xu)直(zhi)接(jie)或(huo)間(jian)接(jie)地(di)得(de)到(dao)轉(zhuan)子(zi)磁(ci)鏈(lian)在(zai)空(kong)間(jian)上(shang)的(de)位(wei)置(zhi)才(cai)能(neng)實(shi)現(xian)定(ding)子(zi)電(dian)流(liu)解(jie)耦(ou)控(kong)製(zhi)，在(zai)這(zhe)種(zhong)矢(shi)量(liang)控(kong)製(zhi)係(xi)統(tong)中(zhong)需(xu)要(yao)配(pei)留(liu)轉(zhuan)子(zi)位(wei)置(zhi)或(huo)速(su)度(du)傳(chuan)感(gan)器(qi)
，這(zhe)顯(xian)然(ran)給(gei)許(xu)多(duo)應(ying)用(yong)場(chang)合(he)帶(dai)來(lai)不(bu)便(bian)。僅(jin)管(guan)如(ru)此(ci)，矢(shi)量(liang)控(kong)製(zhi)技(ji)術(shu)仍(reng)然(ran)在(zai)努(nu)力(li)融(rong)入(ru)通(tong)用(yong)型(xing)變(bian)頻(pin)器(qi)中(zhong)，1992年開始

，德國西門子開發了6SE70通用型係列
，通過FC、VC、SC板可以分別實現頻率控製

、矢量控製
、伺服控製。1994年將該係列擴展至315KW以上。目前，6SE70係列除了200KW以下價格較高
，在200KW以上有很高的性價比。

第三階段：

1985年德國魯爾大學Depenbrock教授首先提出直接轉矩控製理論（Direct Torque Control簡稱DTC）。直接轉矩控製與矢量控製不同，它不是通過控製電流、磁鏈等量來間接控製轉矩
，而是把轉矩直接作為被控量來控製。

轉矩控製的優越性在於：轉矩控製是控製定子磁鏈，在本質上並不需要轉速信息；控製上對除定子電阻外的所有電機參數變化魯棒性良好；所suo引yin入ru的de定ding子zi磁ci鍵jian觀guan測ce器qi能neng很hen容rong易yi估gu算suan出chu同tong步bu速su度du信xin息xi。因yin而er能neng方fang便bian地di實shi現xian無wu速su度du傳chuan感gan器qi化hua。這zhe種zhong控kong製zhi方fang法fa被bei應ying用yong於yu通tong用yong變bian頻pin器qi的de設she計ji之zhi中zhong，是shi很hen自zi然ran的de事shi，這zhe種zhong控kong製zhi被bei稱cheng為wei無wu速su度du傳chuan感gan器qi直zhi接jie轉zhuan矩ju控kong製zhi。然ran而er
，這zhe種zhong控kong製zhi依yi賴lai於yu精jing確que的de電dian機ji數shu學xue模mo型xing和he對dui電dian機ji參can數shu的de自zi動dong識shi別bie（Identification向你ID),通過ID運行自動確立電機實際的定子阻抗互感、飽和因素、電動機慣量等重要參數，然後根據精確的電動機模型估算出電動機的實際轉矩、定子碰鏈和轉子速度
，並由磁鏈和轉矩的Band－Band控製產生PWM信號對逆變器的開關狀態進行控製。這種係統可以實現很快的轉矩響應速度和很高的速度、轉矩控製精度。

1995年ABB公司首先推出的ACS600直接轉矩控製係列，已達到<2ms的轉矩響應速度在帶PG時的靜態速度精度達土O.01%
，在不帶PG的情況下即使受到輸入電壓的變化或負載突

變的影響

，向樣可以達到正負0.1％的速度控製精度。其他公司也以直接轉矩控製為努力目標，如安川VS－676H5高性能無速度傳感器矢量控製係列

，雖與直接轉矩控製還有差別
，但它也已做到了100ms的轉矩響應和正負0.2%（無PG）,正負0.01％（帶 PG）的速度控製精度
，轉矩控製精度在正負3％左右。其他公司如日本富士電機推出的FRN 5000G9／P9以及最新的 FRN5000Gll／P11係列出采取了類似無速度傳感器控製的設計
，性能有了進一步提高，然而變頻器的價格並不比以前的機型昂貴多少。

控製技術的發展完全得益於微處理機技術的發展，自從1991年INTEL公司推出8X196MC係列以來
，專門用於電動機控製的芯片在品種、速度、功能、性價比等方麵都有很大的發展。如日本三菱電機開發用於電動機控製的M37705
、M7906單片機和美國德州儀器的TMS320C240DSP等都是頗具代表性的產品。

4.關於PWM技術

PWM控製技術一直是變頻技術的核心技術之一。1964年A.Schonung和H.stemmler首先在<<BBC>>評論上提出把這項通訊技術應用到交流傳動中，從此為交流傳動的推廣應用開辟了新的局麵。

從最初采用模擬電路完成三角調製波和參考止弦波比較，產生止弦脈寬調製SPWM信號以控製功率器件的開關開始


，到目前采用全數字化方案，完成優化的實時在線的PWM信號輸出
，可以說直到目前為止，PWM在各種應用場合仍占主導地位,並一直是人們研究的熱點。

由於PWM可以同時實現變頻變壓反抑製諧波的特點
，由此在交流傳動乃至其它能量變換係統中得到廣泛應用。PWM控製技術大致可以分為三類
，正弦PWM（包括電壓，電流或磁通的正弦為目標的各種PWM方案，多重PWM也應歸於此類），優化PWM及隨機PWM。正弦PWM已為人們所熟知，而旨在改善輸出電壓
、電流波形，降低電源係統諧波的多重PWM技術在大功率變頻器中有其獨特的優勢（如 ABB ACS1000係列和美國ROBICON公司的完美無諧波係列等）；而優化PWM所追求的則是實現電流諧波畸變率（THD）最小，電壓利用率最高，效率最優，及轉矩脈動最小以及其它特定優化目標。

在70年代開始至80年代初，由於當時大功率晶體管主要為雙極性達林頓三極管，載波頻率一般最高不超過5KHZ，電機繞組的電磁噪音及諧波引起的振動引起人們的關注。為求得改善，隨機PwM方法應運而生。其原理是隨機改變開關頻率使電機電磁噪音近似為限帶白噪聲（在線性頻率坐標係中
，各頻率能量分布是均勻的），盡管噪音的總分貝數未變
，但以固定開關頻率為特征的有色噪音強度大大削弱。正因為如此，即使在IGBT已被廣泛應用的今天，對於載波頻率必須限製在較低頻率的場合
，隨機PWM仍然有其特殊的價值（DTC控製即為一例）
；另一方麵則告訴人們消除機械和電磁噪音的最佳方法不是盲目地提高工作頻率
，因為隨機PWM技術提供了一個分析、解決問題的全新思路。

5.展望

通用變頻器的發展是世界高速經濟發展的產物。其發展的趨勢大致為：

5.1主控一體化

日本三菱公司將功率芯片和控製電路集成在一快芯片上的DIPIPM（即雙列直插式封裝）的研製已經完成並推向市場。一種使逆變功率和控製電路達到一體化，智能化和高性能化的HVIC（高耐壓IC）SOC（System on Chip）的概念已被用戶接受
，首先滿足了家電市場低成本、小型化
、高可靠性和易使用等的要求。因此葉以展望，隨著功率做大
，此產品在市場上極具競爭力。

5.2 小型化

用日本富士（FUJI）dianjidesantianshengxianshengdehuashuo，bianpinqidexiaoxinghuajiushixiangfaretiaozhan。zhejiushishuobianpinqidexiaoxinghuachulechuzizhichengbujiandeshizhuangjishuhexitongshejidedaguimojichenghua，gonglvqijianfaredegaishanhelengquejishudefazhanyichengweixiaoxinghuadezhongyaoyuanyin。ABB公司將小型變頻器定型為Comp－ACTM他向全球發布的全新概念是，小功率變頻器應當象接觸器、軟起動器等電器元件一樣使用簡單
，安裝方便，安全可靠。

5.3低電磁噪音化

今後的變頻器都要求在抗幹擾和抑製高次諧波方麵符合EMC國際標準，主要做法足在變頻器輸入側加交流電抗器或有源功率因數校正（Active Power Factor Correction． APFC）電(dian)路(lu)，改(gai)善(shan)輸(shu)入(ru)電(dian)流(liu)波(bo)形(xing)降(jiang)低(di)電(dian)網(wang)諧(xie)波(bo)以(yi)及(ji)逆(ni)變(bian)橋(qiao)采(cai)取(qu)電(dian)流(liu)過(guo)零(ling)的(de)開(kai)關(guan)技(ji)術(shu)。而(er)控(kong)製(zhi)電(dian)源(yuan)用(yong)的(de)開(kai)關(guan)電(dian)源(yuan)將(jiang)推(tui)崇(chong)半(ban)諧(xie)振(zhen)方(fang)式(shi)
，這(zhe)種(zhong)開(kai)關(guan)控(kong)製(zhi)方(fang)式(shi)在(zai)30－50MhZ時的噪聲可降低15－20dB。

5.4專用化

通用變頻器中出現專用型家族是近年來的事。其目的是更好發揮變頻器的獨特功能並盡可能地方便用戶。如用於起重稅負載的 ARB ACC係列

，用廣交流電梯的 Siemens MICO340係列和FUJI FRN5000G11UD係列，其他還有用於恒壓供水
、上作機械主軸傳動、電源再生、紡織、機車牽引等專用係列。

5.5係統化

作為發展趨勢，通用變頻器從模擬式
、數字式、智能化
、多功能向集中型發展。最近

，日本安川由機提出了以變頻器，伺服裝置，控製器及通訊裝置為中心的”D&M&C”概念，並製定了相應的標準。目的是為用戶提供最佳的係統。因此可以預見在今後．變頻器的高速響應件和高性能什將是基本條件。