1.1 中、高压变频器技术的发展
在传统调速系统中，直流调速以其控制简单、调速精度高等特点长期处于主导地位，但是由于换向器的存在，使得结构复杂、事故率高、维修工作量大、过电流能力不强、环境适应差，单机难以实现大功率、特大功率和高速度化，加之难以应用在一些易燃、易爆场合等原因，一直限制了其应用范围的进一步扩大。正是因为直流调速系统存在这些难于解决的缺点，才促使人们着力研究交流传动技术。相比较而言，交流异步电动机具有环境适应能力强、过电流能力强、牢固耐用、结构简单、容易维护及价格低廉等优点，但异步电动机的调速性能难以满足生产要求。尽管人们早就知道改变交流异步电动机的频率即可改变它的速度，但只有在电力电子器件、控制理论和高性能微处理器得到飞速发展后，才为高性能交流调速系统的实现奠定了基础，进入实用化阶段，使得交流调速性能可以和直流调速相媲美、相竞争，并渐渐取代直流调速，淘汰了用旋转变频发电机组作为可变频率电源对异步电动机的调速方式。下面简要介绍这些新技术、新理论对变频器带来的突飞猛进的发展。
1.1.1 新型电力电子器件促进了变频器的发展
变频器的核心器件是电力半导体开关器件，随着高性能、大功率电力半导体器件的出现，变频器也不断地向前发展。
最早推动中、高压变频器工业化应用的因素是关键功率器件——晶闸管（SCR）的出现，早期的交-交高压变频器技术和电流型高压变频器技术都是基于SCR发展起来的。由于SCR开关性能的缺陷，随后成功开发了一种高电压、大电流、自关断器件——门极关断（Gate-Turn-Off，GTO）晶闸管。20世纪80年代末期，随着低压绝缘栅双极型晶体管（LV-Insulated Gate Bipolar Transistor，LV-IGBT）的问世，促使在1995年推出了基于LV-IGBT功率单元串联的高压变频器，基本解决了之前高压变频器谐波成分大、功率因数低的问题。1998年又推出了基于HV-IGBT的三电平结构高压变频器，IGBT具有输入阻抗高、开关速度快、元器件损耗小、驱动电路简单、驱动功率小、极限温度高、热阻小、饱和电压降和电阻低、电流容量大、抗浪涌能力强、安全区宽、并联容易、稳定可靠及模块化等一系列优点，是一种理想的开关器件。
在IGBT问世时，还推出了基于集成门极换流晶闸管（Integrated Gate Commutated Thyris-tor，IGCT）的三电平结构高压变频器。IGCT是把MOS结构置于GTO晶闸管外面来协助关断的电力电子器件，具有电流大、阻断电压高、开关频率高、可靠性高、结构紧凑、导通损耗低等特点，而且成本低、成品率高，有很好的应用前景。
GTO晶闸管、IGBT及IGCT的比较见表1-1。
表1-1 GTO晶闸管、IGBT及IGCT的比较
由于目前的电力电子器件（IGBT）电压耐量（800～1200V）的限制，中、高压变频调速领域还不能像低压变频调速领域那样，用单一的电力电子器件完成变频调速。通常用多脉冲变压移相整流（见1.6节和1.7节）、多电平逆变器（见1.8节）、多重化单元串联型逆变器（见1.9节）的方式解决中高压的变频调速。
IGBT和IGCT在中、高压变频器中得到应用后，现在持续向开关损耗更低、开关速度更快、耐压更高、容量更大的方向发展。
1.1.2 变频器随着控制理论技术的创新而发展
变频器不断采用新控制理论技术而发展，集中体现下面三个方面：
1）第1代变频器以电压/频率（U/f）恒定控制（见1.11.1节）为代表，实现这种控制的方法有很多，目前中、高压通用变频器大多采用正弦脉冲宽度调制（Sinusoidal Pulse-Width Modulation，SPWM）控制方式（见1.11.2节）来实现。这种控制方法的特点是：控制电路简单、成本较低，但系统性能不高，控制曲线会随负载变化，转矩响应慢，频率低于20Hz时，电动机输出转矩下降，转矩利用率不高。
2）第2代变频器采用矢量控制方式（见1.11.4节），矢量控制的一个突出优点是：可以使电动机在较低速时的输出转矩达到额定转矩。现在，由矢量控制的交流变频器组成的传动系统已实现了数字化、智能化、模块化控制；同时在软件配置上也实现了标准化，还提供了许多非标准功能，如手动、自动设定、输入设定值的通用性、自动重启动功能等。矢量控制的交流变频调速系统的动、静态性能已完全能够与直流调速系统相媲美，是目前比较成熟、完善的技术。
3）继矢量控制系统以后，又发展了一种直接转矩控制（Direct Torgue Control，DTC）交流变频调速系统（见1.11.5节）。该技术避开了矢量控制中的两次坐标变换及求矢量模与相角的复杂计算工作，直接在静止的定子坐标系上计算电动机的转矩与磁通，控制器结构简单，具有良好的动、静态性能。
1.1.3 变频器应用微机新技术的发展
随着微机控制技术的迅速发展，交流调速控制领域出现了以微处理器为核心的微机控制系统。
开始时，采用将CPU、ROM、RAM、定时器、D-A转换器等直接集成到一块芯片上的单片机，20世纪80年代采用以DSP（Digital Signal Processor，数字信号处理器）为基础的内核，配以电动机控制所需的外围功能电路，集成在单一芯片内的DSP单片电动机控制器。DSP和普通的单片机相比，数字运算处理能力增强10～15倍，确保了系统有更优越的控制性能。数字控制使硬件简化，柔性的控制算法使控制具有很大的灵活性，可实现复杂控制规律，使现代控制理论应用在运动控制系统中成为现实；易于与上层系统连接进行数据传输，便于故障诊断、加强保护和监视功能，使系统智能化（如有些变频器具有自调整功能）。1996年前后，将控制器、PWM、A-D转换器等组成一体做成芯片，使得微处理器在性能上获得质的飞跃。近年来，微机集成电路（IC）的集成度以惊人的速度发展，采用微机控制技术同时可以对变频器进行控制和保护。
在控制方面，计算确定开关器件的导通和关断时刻，使逆变器按调制策略输出要求的电压；通过不同的编码实现多种传动调速功能，如各种频率的设定和执行，启动、运行方式的选择，转矩控制的设定与运行，加减速设计与运行，制动方式的设定和执行等；通过接口电路、外部传感器、微机构成调速传动系统。
在保护方面，在外部传感器及I/O电路配合下，构成完善的检测保护系统，可完成多种自诊断保护方案。保护功能包括主电路、控制电路的欠电压、过电压保护，输出电流的欠电流、过电流保护，电动机或逆变器的过载保护，制动电阻的过热保护以及失速保护。采用人工智能技术对变频器进行故障诊断，构成故障诊断系统，该系统由监控、检测、知识库（故障模式知识库或故障诊断专家系统知识库）、推理机构、人机对话接口和数据库组成，不仅在故障发生后能准确地指出故障性质、部位，且在故障发生前也能预测发生故障的可能性。在变频器启动前对诊断系统本身及变频器主电路（包括电源）、控制电路等进行一次诊断，清查隐患。若发现故障现象，则调用知识库推理、判断故障原因并显示不能开机，如无故障则显示可以开机，开机后，实时检测诊断。工作时对各检测点进行循环查询，存储数据并不断刷新，若发现数据越限，则认为可能发生故障，立即定向追踪。若几次检查结果相同，则说明确实出现故障，于是调用知识库进行分析推理，确定是何种故障及其部位并显示出来，严重时则发出停机指令。
1.1.4 变频器应用现场总线和光纤通信技术的发展
在网络日益普及的今天，对普通的点对点硬线连接方式而言，通过现场总线和光纤通信连接的变频器系统可以最大程度地降低系统维护时间，提高生产效率，减少运行成本。一般变频器系统配置最基本的RS-232/RS-485串行通信协议、PROFIBUS等现场总线协议以及局域网协议，对不同用户的其他要求，可配置和选用不同的网络协议。目前，安装的现场总线模块有PROFIBUS-DP、INTERBUS、Device Net、CANopen和MODBUS Plus等。用户可以有更多的选择，根据生产过程选择PLC型号和品牌，并可以非常简单地集成到现有的网络中去。而且，通过现场总线模块可以不考虑变频器的型号，而以同一种语言与不同功率段、不同型号的变频器进行组合，如功率、速度、转矩、电流、设定值等，详见第3章有关内容。
由于采用了现场总线和光纤通信，通过PLC可以方便地进行组态和系统维护，包括上传、下载、复制、监控和参数读写等。
目前推出的变频器具有极其灵活的通信功能，通过现场总线和光纤，不仅可在变频器之间进行通信，还可与PLC或上一级自动化系统进行通信。此外，随着变频器的进一步推广和应用，用户也在不断地提出各种新的要求，促进了变频器功能的多样化。
随着新型电力电子器件和控制技术的发展，高性能微处理器的应用以及现场总线和光纤通信技术的应用，中、高压变频器的性价比越来越高，体积也越来越小，而厂家仍然在不断地提高其可靠性以实现变频器的进一步小型轻量化、高性能化、多功能化以及无公害化。