1.2 变频器概述

1.2.1 变频器的发展

1．变频器技术的发展阶段

芬兰瓦萨控制系统有限公司，前身为瑞典的STRONGB，于20世纪60年代成立，并于1967年开发出世界上第一台变频器，被称为变频器的鼻祖，开创了世界商用变频器的市场。之后变频器技术不断发展，如按照变频器的控制方式，可划分为以下几个阶段。

（1）第一阶段：恒压频比U/f技术

U/f控制就是保证输出电压跟频率成正比的控制，这样可以使电动机的磁通保持一定，避免弱磁和磁饱和现象的产生，多用于风机、泵类节能型变频器用压控振荡器实现。20世纪80年代，日本人开发出电压空间矢量控制技术，后引入频率补偿控制。电压空间矢量的频率补偿方法，不仅能消除速度控制的误差，而且可以通过反馈估算磁链幅值，消除低速时定子电阻的影响，将输出电压、电流闭环，以提高动态的精度和稳定度。

（2）第二阶段：矢量控制

20世纪70年代，德国人F.Blaschke首先提出矢量控制模型。矢量控制实现的基本原理是通过测量和控制异步电动机定子电流矢量，根据磁场定向原理分别对异步电动机的励磁电流和转矩电流进行控制，从而达到控制异步电动机转矩的目的。

（3）第三阶段：直接转矩控制

直接转矩控制系统（Direct Torque Control，DTC）是在20世纪80年代中期继矢量控制技术之后发展起来的一种高性能异步电动机变频调速系统。

不同于矢量控制，直接转矩控制具有鲁棒性强、转矩动态响应速度快、控制结构简单等优点，它在很大程度上解决了矢量控制中结构复杂、计算量大、对参数变化敏感等问题。直接转矩控制技术的主要问题是低速时转矩脉动大，其低速性能还是不能达到矢量控制的水平。

表1-2是20世纪60年代到21世纪初变频器技术发展的历程。

2．我国变频器技术发展现状

目前，国内有超过200多家变频器生产厂家，以森兰、汇川、英威腾为代表，技术水平较接近世界先进水平，但总市场份额只有10%左右。我国国产变频器的生产，主要是交流380 V的中小型变频器，且大部分产品为低压，而高压大功率产品则很少，能够研制、生产并提供服务的高压变频器厂商更少，不过是少数几个具备科研能力或资金实力强的企业。并且在技术方面，更是仅少数企业采用U/f控制方式，对中、高压电动机进行变频调速改造。我国高压变频器的品种和性能还处于发展的初级阶段，仍需大量从国外进口。

3．变频器的发展趋势

随着节约环保型社会发展模式的提出，人们开始更多地关注起生活的环境品质。节能型、低噪声变频器，是今后一段时间发展的一个总趋势。我国变频器的生产商家虽然不少，但是缺少统一的、具体的规范标准，使得产品差异性较大。且大部分采用了U/f控制和电压矢量控制，其精度较低，动态性能也不高，稳定性能较差，这些方面与国外同等产品相比有一定的差距。就变频器设备来说，其发展趋势主要表现在以下方面。

1）变频器将朝着高压大功率和低压小功率、小型化、轻型化的方向发展。

2）工业高压大功率变频器，民用低压中小功率变频器潜力巨大。

3）目前，IGBT、IGCT（Integrated Gate Commutated Thyristors，集成门极换流晶闸管）和SGCT（Symmetrical Gate Commutated Thyristors，对称门极换流晶闸管）仍将扮演主要角色，SCR、GTO（Gate-Turn-Off Thyristor，门极可关断晶闸管）将会退出变频器市场。

4）无速度传感器的矢量控制、磁通控制和直接转矩控制等技术的应用将趋于成熟。

5）全面实现数字化和自动化，包含参数自设定技术、过程自优化技术、故障自诊断技术。

6）高性能单片机的应用优化了变频器的性能，实现了变频器的高精度和多功能。

7）相关配套行业正朝着专业化、规模化发展，社会分工逐渐明确。

8）伴随着节约型社会的发展，变频器在民用领域会逐步得到推广和应用。

1.2.2 变频器的分类

变频器发展到今天，已经研制了多种适合不同用途的变频器，以下详细介绍变频器的分类。

1．按变换的环节分类

1）交-直-交变频器。即先把工频交流通过整流器变成直流，然后再把直流逆变成频率电压可调的交流，又称间接式变频器，是目前广泛应用的通用型变频器。

2）交-交变频器。即将工频交流直接变换成频率电压可调的交流，又称直接式变频器。主要用于大功率（500kW以上）低速交流传动系统中，目前已经在轧机、鼓风机、破碎机、球磨机和卷扬机等设备中应用。这种变频器既可用于异步电动机，也可以用于同步电动机的调速控制。

这两种变频器的比较见表1-3。

2．按直流电源性质分类

1）电压型变频器。电压型变频器的特点是中间直流环节的储能元件采用大电容，负载的无功功率将由它来缓冲，直流电压比较平稳，直流电源内阻较小，相当于电压源，故称电压型变频器，常用于负载电压变化较大的场合，这种变压器应用广泛。

2）电流型变频器。电流型变频器的特点是中间直流环节采用大电感作为储能环节，缓冲无功功率，即扼制电流的变化，使电压接近正弦波，由于该直流内阻较大，故称电流源型（电流型）变频器。电流型变频器的特点（优点）是能扼制负载电流频繁而急剧的变化，常用于负载电流变化较大的场合。

3．按照用途分类

可以分为通用变频器、高性能专用变频器、高频变频器、单相变频器和三相变频器等。

4．按变频器调压方法分类

1）PAM变频器通过改变直流侧电压幅值进行调压，在变频器中逆变器只负责调节输出频率，而输出电压则由相控整流器或直流斩波器通过调节电流进行调节。这种变频器已很少使用了。

2）目前中小功率的变频电路几乎都采用PWM技术，PWM变频电路也可分为电压型和电流型两种。根据正弦波频率、幅值和半周期脉冲数，准确计算P WM波各脉冲宽度和间隔，据此控制变频电路中开关器件的通断，就可得到所需的P WM波形。当输出的正弦波的频率、幅值或相位变化时，其结果都要变化。

5．按控制方式分类

1） U/f控制（VVVF控制）变频器。U/f控制就是保证输出电压跟频率成正比的控制。低端变频器都采用这种控制原理。

2）SF控制变频器（转差频率控制）。转差频率控制通过控制转差频率来控制转矩和电流，是高精度的闭环控制，但通用性差，一般用于车辆控制。与U/f控制相比，其加减速特性和限制过电流的能力得到提高。另外，它有速度调节器，利用速度反馈构成闭环控制，速度的静态误差小。然而对于自动控制系统稳态控制，还达不到良好的动态性能。

3）VC（Vector Control）控制变频器。矢量控制实现的基本原理是通过测量和控制异步电动机定子电流矢量，根据磁场定向原理分别对异步电动机的励磁电流和转矩电流进行控制，从而达到控制异步电动机转矩的目的。一般用在高精度要求的场合。

4）直接转矩控制。简单地说就是将交流电动机等效为直流电动机进行控制。

6．按电压等级分类

1）高压变频器：3kV、6kV、10kV。

2）中压变频器：660 V、1140 V。

3）低压变频器：220 V、380 V。

1.2.3 变频器的应用

1．主要应用行业

如今变频器已经在各行各业得到了广泛的应用，但主要的应用行业是纺织、冶金、石化、电梯、供水、电力、油田、市政、塑料、印刷、建材、起重和造纸，其他行业也有很多应用。

2．变频器在节能方面的应用

变频器的产生主要是实现对交流电动机的无极调速，但由于全球能源供求矛盾日益突出，其节能效果越来越受到重视。变频器在风机和水泵的应用中，节能效果尤其明显，因此多数变频器厂家都生产风机、水泵专用的变频器。

（1）风机、泵类的123定律

1）风机、水泵的流量与电动机转速的一次方成正比。

2）风机、水泵的扬程（压头）与电动机转速的二次方成正比。

3）风机、水泵的轴功率与转速的三次方成正比。扬程：是指水泵能够扬水的高度，也是单位重量液体通过泵所获得的能量，通常用H表示，单位是m。

（2）节能效果

风机、泵类负载使用变频调速后节能率可达20%～60%。这类负载应用场合是恒压供水、风机、中央空调、液压泵变频调速等。

3．变频器在精确自控系统中的应用

算术运算和智能控制功能是变频器另一特色，输出精度可达0.1%～0.01%。这类负载应用场合是印刷、电梯、纺织、机床、生产流水线等行业的速度控制。

4．变频器在提高工艺方面的应用

可以改善工艺和提高产品质量，减少设备冲击和噪声，延长设备使用寿命，使机械设备简化，操作和控制更具人性化，从而提高整个设备功能。

1.2.4 主流变频器品牌的市场份额

在中国市场能进入销售前列的国产品牌只有少数几个，大部分产品份额仍然被欧美品牌占领，特别是在一些高端应用场合。