通用变频器的发展研究

    60 年代中期，普通晶闸管、小功率晶体管的实用化，使交流电动机变频调速也进入了
实用化。采用晶闸管的同步电动机自控式变频调速系统、采用电压型或电流型晶闸管变频
器的笼型异步电动机调速系统(包括不属变频方案的绕线转子异步电动机的串级调速系
统)等先后实现了实用化，使变频调速开始成为交流调速的主流。
    此后的 20 多年中，电力电子技术和微电子技术以惊人的速度向前发展，变频调速传动
技术也随之取得了日新月异的进步。
    这种进步，突出表现在：
    (1)变频装置的大容量化
    对一些大型生产机械的主传动，直流电动机在容量等级方面已接近极限值，采用直流
调速方案无论在设计和制造上都已十分困难。
    为了适应大容量的高压电动机，采用直接高压型 PWM 变频器来控制高压电动机，发
展较迅速。
    (2)主开关器件的自关断化
    

“

近十几年，大功率自关断电力电子器件的发展十分迅速，其中 门极关断晶闸管

(GTO)、双极晶体管(BJT)/电力晶体管(GTR)、绝缘栅双极型晶体管(IGBT)”的发展最快，实
用化的程度也最高。
    采用自关断器件省去了线路复杂、体积较大的强迫换相电路，既可以减小装置体积，
又降低了开关损耗提高了效率。同时，由于开关频率的提高，变流器可采用 PWM 控制，
既降低谐波损耗、减小转矩脉动，又可以提高快速性、改善功率因数。优点是很多的。
    据统计，目前变频器中的开关器件，容量为 1500kW 以下的采用 IGBT；1000～
7500kW 的采用 GTO。
    (3)变频装置的高性能化
    早期的变频调速系统，基本上是采用 U/F 控制，无法得到快速的转矩响应，低速特性
也不好(负载能力差)。
    1971

“

”

年德国西门子公司发明了所谓 矢量控制 技术。一改过去传统方式中仅对交流电

量的量值(电压、电流、频率的量值)进行控制的方法，实现了在控制量值的同时也控制其
相位的新控制思想。使用坐标变换的办法，实现定子电流的磁场分量和转矩分量的解耦控
制，可以使交流电动机像直流电动机一样具有良好的调速性能。
    多年来，人们围绕着矢量控制技术做了大量的工作，如今矢量控制这一新的交流电动
机调速原理得到了广泛的实际应用，做到与直流调速系统一样，甚至有所超过，完全可
以取代直流调速系统。
    在一些轧钢厂中，大型初轧机这类快速可逆系统，90

“

年代初采用了 交-

”

交变频 矢量

“

控制系统，到目前又开始采用 交-直- ”

交 电压型变频器的矢量控制系统。实践证明，它完

全可以满足生产工艺的要求，达到了已往直流调速系统的性能指标。
    (4)PWM 技术的应用
    PWM：(PulseWidthModulation)脉宽调制技术。
   自关断器件的发展为 PWM 技术铺平了道路。目前几乎所有的变频调速装置都采用这一
技术。
    PWM 技术用于变频器的控制，可以改善变频器的输出波形，降低电动机的谐波损耗，
并减小转矩脉动，同时还简化了逆变器的结构，加快了调节速度，提高了系统的动态响
应性能。
    PWM 技术除了用于逆变器的控制，还用于整流器的控制。PWM 整流器现已开发成功，