變頻驅(qū)動(dòng)器 （VFDs） 所具有的體積更小、更加智能、效率更高、成本更低的傳統(tǒng)已經(jīng)延續(xù)了50年。隨著對其性能要求越來越高，這種發(fā)展趨勢將更加明顯。 在過去50年里，大家可以看到交流變頻驅(qū)動(dòng)器（Variable-Frequency Drives, VFDs）的外形尺寸和重量已經(jīng)有了很明顯的變化。但是在這種表象下更加顯著的變化是這些電機(jī)驅(qū)動(dòng)器所表現(xiàn)出的性能、效率和可靠性的改善。產(chǎn)生這些變化的原因是功率開關(guān)晶體管、微處理器、其他硬件及軟件功能的提高，這些減少了用戶對驅(qū)動(dòng)器應(yīng)用和維護(hù)所需要投入的精力。 　　 早期的交流驅(qū)動(dòng)器是開環(huán)運(yùn)行的，僅有有限的功能。一個(gè)重大的進(jìn)步是1971年Siemens公司的Felix Blaschke開發(fā)出用于感應(yīng)電機(jī)的磁場定向（磁通矢量）控制技術(shù)，并在其他人的努力下，最終使得變頻驅(qū)動(dòng)器在許多應(yīng)用場合達(dá)到或超過了直流驅(qū)動(dòng)器的性能。無速度傳感器矢量控制（省去了軸角編碼器）和其他驅(qū)動(dòng)算法也隨后出現(xiàn)。而且，這些改進(jìn)仍在不斷加速中。 　　 Rockwell Automation公司產(chǎn)品經(jīng)理William L. Sinner 注意到兩大歷史性的變化分別影響著變頻驅(qū)動(dòng)器的功率和控制這兩方面。早期的交流驅(qū)動(dòng)器 （20世紀(jì)80年代） 由于晶體管的電壓和電流等級有限，每相采用多個(gè)晶體管。而如今已變?yōu)橐惑w化封裝，所以今天一個(gè)10馬力 （1馬力= 0.745kW） 驅(qū)動(dòng)器的體積比過去驅(qū)動(dòng)器中的一個(gè)晶體管單元還要小。“為了制造商能開發(fā)出更小、更高效的功率設(shè)備，新一代晶體管的性能仍然需要繼續(xù)提高,”Sinner 這樣說。絕緣柵雙極晶體管 （IGBTs） 仍然是現(xiàn)在主要的功率器件。 　　 在控制方面，模擬控制在最初階段是占統(tǒng)治地位的，目前正讓位于數(shù)字控制，盡管數(shù)字控制起初只是基于集成電路。Sinner又提到，基于微處理器的數(shù)字驅(qū)動(dòng)器在稍晚時(shí)間出現(xiàn)，一開始只是提供開環(huán)（V/Hz）控制。微處理器單元的繼續(xù)發(fā)展實(shí)現(xiàn)了在一臺(tái)驅(qū)動(dòng)器中加入多種控制模式，只需通過改變軟件參數(shù)來轉(zhuǎn)換控制模式。 　　 多種控制類型，互連性 　　 多種控制模式代表著變頻驅(qū)動(dòng)器領(lǐng)域目前的發(fā)展水平。典型的低端驅(qū)動(dòng)器提供V/Hz和無速度傳感器矢量控制方式，而高端驅(qū)動(dòng)器起初是采用磁通矢量控制，后來也加入了其他控制模式。例如，Rockwell公司的PowerFlex 700S通過內(nèi)置的Logix處理器提供幾種控制模式，其中包括伺服控制。產(chǎn)品線間的技術(shù)移植是另一種趨勢，Sinner以低端PowerFlex 70加入矢量控制和一些高端的驅(qū)動(dòng)器采用V/Hz控制為例進(jìn)行了說明。 　　 為什么高端產(chǎn)品會(huì)使用開環(huán)控制？Sinner認(rèn)為，是由于V/Hz變換可以使一臺(tái)驅(qū)動(dòng)器控制多種不同類型的電機(jī)。一種型號的驅(qū)動(dòng)器應(yīng)用于多種不同的場合有利于降低備件庫存。 　　 互連性是當(dāng)前變頻驅(qū)動(dòng)器的另一個(gè)重要特征，Rockwell公司所有驅(qū)動(dòng)器都是這樣裝備的。根據(jù)該公司的經(jīng)驗(yàn)，目前聯(lián)網(wǎng)的驅(qū)動(dòng)器已經(jīng)達(dá)到使用總數(shù)的50%，而且高端單元的使用量還在增加。Sinner說：“在過去的3年中，聯(lián)網(wǎng)驅(qū)動(dòng)器的百分比已經(jīng)翻了一番。” 　　 Danfoss Drives 公司產(chǎn)品經(jīng)理Tom Momberger的觀點(diǎn)是：“將微處理器技術(shù)應(yīng)用于變頻驅(qū)動(dòng)器是今天交流驅(qū)動(dòng)器性能提高的主要原因。”對于物理外形上的改變，他對比了一種1968年生產(chǎn)的典型的模擬型5馬力交流驅(qū)動(dòng)器（為使用該驅(qū)動(dòng)器，它的油冷單元需要進(jìn)行多種不同的手工調(diào)整）與當(dāng)前變頻驅(qū)動(dòng)器體積和重量的數(shù)字（見Danfoss公司過去的5馬力VLT型驅(qū)動(dòng)器照片）。當(dāng)然，新型的交流驅(qū)動(dòng)器還加入了許多其他特性，例如可通過操作員鍵盤或計(jì)算機(jī)進(jìn)行編程?！拔⑻幚砥饕呀?jīng)使這一切成為可能，” Momberger說。 　　 根據(jù)Momberger的觀點(diǎn)，靈活性、智能化和友好的用戶操作環(huán)境是變頻驅(qū)動(dòng)器技術(shù)發(fā)展的特征。靈活性意味著只用一種類型的驅(qū)動(dòng)器即可提供開環(huán)、閉環(huán)、磁通矢量甚至準(zhǔn)伺服（near-servo）控制來滿足多種應(yīng)用。他說：“這種功能通過減少現(xiàn)場庫存、操作員培訓(xùn)和備件的成本，降低了驅(qū)動(dòng)器所有者的成本。” 　　 微處理器單元和先進(jìn)的診斷能力允許使用者智能地配置一臺(tái)驅(qū)動(dòng)器，因此降低了試運(yùn)行成本和停工時(shí)間。而軟件功能，如自動(dòng)電機(jī)適配和軟件向?qū)Вコ嗽O(shè)置驅(qū)動(dòng)器/電機(jī)連接過程中的不確定性。“軟件功能中友好的操作界面縮短了設(shè)置過程以減少操作員可能的錯(cuò)誤，簡化了與驅(qū)動(dòng)器的交互”， Momberger解釋說。Danfoss公司的新產(chǎn)品FC-302 自動(dòng)驅(qū)動(dòng)器具有所有這些特征。 　　 PWM、DTC、模塊化 　　 在交流驅(qū)動(dòng)器發(fā)展的重要里程中，ABB公司見證了工業(yè)用基于脈寬調(diào)制驅(qū)動(dòng)器的出現(xiàn)和1995年直接轉(zhuǎn)矩控制的引入。 　　 Ilkka Ikonen在芬蘭的ABB Oy驅(qū)動(dòng)器市場交流會(huì)上提到，ABB公司第一臺(tái)脈寬調(diào)制驅(qū)動(dòng)器的工業(yè)安裝使用出現(xiàn)于20世紀(jì)70年代。造紙廠和地鐵的應(yīng)用為這一重要產(chǎn)品的進(jìn)步和魯棒性打下了基礎(chǔ)。他說：“這種技術(shù)在這些應(yīng)用中證明了它的可靠性和競爭力后，人們開始接受交流驅(qū)動(dòng)器作為主導(dǎo)控制技術(shù)來代替直流驅(qū)動(dòng)器?！? 　　 ABB公司認(rèn)為它的直接轉(zhuǎn)矩控制是一種先進(jìn)的技術(shù)，不需要分別控制電壓和頻率就能夠直接控制電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速。更值得一提的是它的快速轉(zhuǎn)矩反應(yīng)時(shí)間和控制精度，“通常比脈寬調(diào)制要快10倍?！?直接轉(zhuǎn)矩控制還能優(yōu)化電機(jī)磁通，這樣能提高電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器的總能量利用率。直接轉(zhuǎn)矩控制不用調(diào)節(jié)器，控制時(shí)無需電機(jī)軸位置和速度反饋。“采用直接轉(zhuǎn)矩控制，速度為零時(shí)轉(zhuǎn)矩可達(dá)100%，低頻時(shí)微轉(zhuǎn)矩增量可在小于1ms的時(shí)間內(nèi)得到控制，” Ikonen說。 　　 如今，ABB的交流驅(qū)動(dòng)器能通過“按訂單配置產(chǎn)品”滿足多種用戶需求，其模塊化設(shè)計(jì)發(fā)揮了重要作用。幾乎可以滿足購買者的所有需求，如交貨時(shí)間、質(zhì)量和成本，就好像現(xiàn)貨一樣。 　　 Bosch Rexroth公司開發(fā)的可靠的開關(guān)器件和微處理器，使得目前的變頻驅(qū)動(dòng)器具有體積更小、效率更高和魯棒性更強(qiáng)的特點(diǎn)。元件部經(jīng)理Peter Fischbach說：“基于隔離電源模塊的晶閘管或場效應(yīng)晶體管以及后來出現(xiàn)的絕緣柵雙極晶體管，結(jié)合正弦脈寬調(diào)制控制法，徹底改變了電源部分和散熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)?！? [align=center] 圖1： Danfoss公司同一系列的變頻驅(qū)動(dòng)器在30多年的發(fā)展中發(fā)生很大變化。 VLT 200包括模擬PWM控制，而VLT 3000起轉(zhuǎn)為數(shù)字控制。[/align] IGBT、MPU 　　 Rexroth公司在1988年發(fā)布了全系列基于IGBT的驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)品，其實(shí)，該公司的交流驅(qū)動(dòng)業(yè)務(wù)早在1965年就發(fā)展起來了，并于1968年推出了它的第一臺(tái)高速、機(jī)架型工業(yè)用變頻驅(qū)動(dòng)器，它可使感應(yīng)打磨電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度達(dá)到180，000rpm。 微處理器單元的發(fā)展與持續(xù)提高（第二個(gè)里程碑）使Rexroth公司于1982年生產(chǎn)出最早的微處理器控制的工業(yè)用變頻驅(qū)動(dòng)器之一。這種變頻驅(qū)動(dòng)器的特征是具有帶鍵盤的點(diǎn)陣LCD操作員模塊和菜單指導(dǎo)的設(shè)置功能，替代了基于模擬電位計(jì)的設(shè)置。1989年，更新的發(fā)展導(dǎo)致了全系列采用IGBT和磁通矢量控制驅(qū)動(dòng)器的出現(xiàn)。Fischbach說，這些變頻驅(qū)動(dòng)器的特點(diǎn)是具有最大起動(dòng)轉(zhuǎn)矩、改進(jìn)的低速時(shí)轉(zhuǎn)速控制和使用反饋控制，達(dá)到并超過了直流驅(qū)動(dòng)器的性能。 　　 Emerson Control Techniques（CT）的驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)工程師Jim Thompson認(rèn)為，早期的變頻驅(qū)動(dòng)器受到了采用可控硅整流器和相當(dāng)復(fù)雜的6步（six-step）控制的限制。“使用可控硅的功率逆變器體積很大，并需要配備復(fù)雜的換相電路，其中包括許多電感和電容”他說,“6步輸出在電機(jī)中產(chǎn)生高次諧波，導(dǎo)致出現(xiàn)不希望的額外發(fā)熱，而且這種方案不能快速動(dòng)態(tài)的控制電機(jī)電流”——需要更高性能的驅(qū)動(dòng)器來解決。 　　 除了提高功率器件的開關(guān)速度，IGBT還允許迅速地調(diào)整電機(jī)的工作電壓?！斑@使帶寬相當(dāng)高的磁場定向控制（矢量控制）成為可行，并能快速、高精度地控制轉(zhuǎn)速（velocity profiling）與定位”， Thompson解釋說。電子控制的高成本也限制了早期交流變頻驅(qū)動(dòng)器的性能。“數(shù)字控制那時(shí)并不很實(shí)用，主要是由于需要在驅(qū)動(dòng)模塊中加入體積巨大的系統(tǒng)級電路（或計(jì)算機(jī)）輔助裝置?！彼a(bǔ)充到。 [align=center] 圖2：變頻驅(qū)動(dòng)技術(shù)的進(jìn)步表現(xiàn)在Rockwell自動(dòng)化新的2hp的PowerFlex 4驅(qū)動(dòng)器 比1985年生產(chǎn)的具有相同功率等級的1332交流驅(qū)動(dòng)器（左）小70%。 PowerFlex 4僅重2.2磅，可以放在手掌中，而1332重量為16.8磅。[/align] Emerson CT認(rèn)為快速脈寬調(diào)制輸出是變頻驅(qū)動(dòng)器的主要特征，因?yàn)樗a(chǎn)生的諧波電流最小并能動(dòng)態(tài)的控制電機(jī)轉(zhuǎn)矩。配置功能豐富的特點(diǎn)使現(xiàn)代交流驅(qū)動(dòng)器更具特色。典型的可選特點(diǎn)包括調(diào)整速度或轉(zhuǎn)矩，接受多種模擬或數(shù)字參考電壓，反饋速度或轉(zhuǎn)矩，還有控制同步（伺服）和感應(yīng)電機(jī)。根據(jù)Thompson的觀點(diǎn)，相對的廉價(jià)、可擴(kuò)展選擇模塊是另外一種受歡迎的特點(diǎn)，其中包括提供額外的I/O端口、反饋或通訊功能。 　　 直流驅(qū)動(dòng)器早期的發(fā)展方向是變速電機(jī)控制。Yaskawa涉足直流和交流電機(jī)領(lǐng)域的研究有很長的歷史。Yaskawa美國研發(fā)主管Tsuneo Kume博士說，通過采用可控硅和門極可關(guān)斷功率開關(guān)器件實(shí)現(xiàn)變壓/頻控制，使得交流驅(qū)動(dòng)器于20世紀(jì)70年代在工業(yè)領(lǐng)域有很大進(jìn)步，根據(jù)Yaskawa（和其他一些公司）的資料，變頻驅(qū)動(dòng)器主要的工業(yè)突破是在鋼廠處理和金屬電鍍的應(yīng)用。從模擬到數(shù)字控制電路的進(jìn)步也是從那時(shí)開始的。 [align=center] 圖3：Rexroth公司在1982年生產(chǎn)的PWM變頻驅(qū)動(dòng)器是最早的應(yīng)用微處理器控制 的工業(yè)用變頻驅(qū)動(dòng)器之一。它的數(shù)字編程模塊包括一個(gè)D/A 轉(zhuǎn)換器來提供 模擬電壓和電流指示。[/align] Kume介紹說，用于造紙機(jī)的磁通矢量控制驅(qū)動(dòng)器和機(jī)床轉(zhuǎn)軸驅(qū)動(dòng)器隨后出現(xiàn)于20世紀(jì)70年代末。IGBT成為通用變頻驅(qū)動(dòng)器功率器件的選擇大約是在1990年。采用集成微處理器單元的數(shù)字驅(qū)動(dòng)器很快成為Yaskawa公司的標(biāo)準(zhǔn)，并且無速度傳感器矢量控制驅(qū)動(dòng)器隨后出現(xiàn)于1995年。 　　 即將到來 　　 展望未來的十年，Rockwell 自動(dòng)化公司的Sinner認(rèn)為變頻驅(qū)動(dòng)器將變得更加智能化。他說：“擴(kuò)展輔助啟動(dòng)功能，將允許通過最少的用戶參與來配置智能驅(qū)動(dòng)器?！痹陔姍C(jī)內(nèi)嵌入芯片，使其自動(dòng)鑒別驅(qū)動(dòng)器的啟動(dòng)。 　　 更緊密地與控制系統(tǒng)集成也是變頻驅(qū)動(dòng)器的發(fā)展方向。Sinner比較了眾多現(xiàn)有驅(qū)動(dòng)器連接方式和他所說的即將開始的真正的集成。這種真正的集成使驅(qū)動(dòng)器完全成為控制系統(tǒng)編程和配置環(huán)境的一部分。“這種功能通過普通的驅(qū)動(dòng)器特征技術(shù)移植，繼承高端產(chǎn)品，從而生產(chǎn)出低價(jià)產(chǎn)品，”他補(bǔ)充到。 　　 Danfoss Drives公司的Momberger預(yù)計(jì)在工業(yè)中分布式驅(qū)動(dòng)器系統(tǒng)的使用量將會(huì)增加，這推動(dòng)了在電機(jī)附近（或其上）安裝低成本、高可靠性的驅(qū)動(dòng)器的趨勢，這樣可以不使用長的電機(jī)/驅(qū)動(dòng)器連接電纜設(shè)備和連接管道盤（conduit trays），以降低安裝成本。“此外，分布式驅(qū)動(dòng)器可使由長電機(jī)電纜引起的電磁兼容問題最小化，降低了使用昂貴濾波器的成本，”他說。分布式系統(tǒng)由于在變頻驅(qū)動(dòng)器中更多的集成了運(yùn)動(dòng)控制和可編程邏輯控制器的功能，需求量還將會(huì)增長。 　　 其他一些發(fā)展還包括更多的使用和以太網(wǎng)兼容的通訊功能，這樣可將驅(qū)動(dòng)器應(yīng)用信息連接到工廠內(nèi)部廣域網(wǎng)絡(luò)和無線訪問驅(qū)動(dòng)器，特別是當(dāng)這些驅(qū)動(dòng)器用于環(huán)境惡劣的場所?！耙蕴W(wǎng)描繪了建立工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)通訊系統(tǒng)的最佳時(shí)機(jī)，”Momberger補(bǔ)充說。 　　 同時(shí)，Bosch Rexroth公司的Fischbach認(rèn)為今天可任選的驅(qū)動(dòng)器特征將來會(huì)變?yōu)楸匦璧?，他以大啟?dòng)轉(zhuǎn)矩、閉環(huán)速度和轉(zhuǎn)矩控制、預(yù)防性維護(hù)和數(shù)據(jù)與制造控制系統(tǒng)直接連接為主要例證。另外，他還提及到一些將要出現(xiàn)的進(jìn)步： 　　·隨著能量成本和電網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的提高，有源驅(qū)動(dòng)器前端（包括諧波抑制）逐漸被接受； 　　·簡單的調(diào)速控制器發(fā)展為可升級、分布式、現(xiàn)場級的具有可編程控制器功能或處理能力的機(jī)構(gòu)/過程控制單元。 [align=center] 圖4： ABB公司最新ACS550標(biāo)準(zhǔn)驅(qū)動(dòng)器的直觀控制面板內(nèi)置輔助軟件， 清晰的多語言顯示方便用戶使用。[/align] 集成外部功能 　　 根據(jù)Emerson CT的說法，未來的變頻驅(qū)動(dòng)器將會(huì)更多的集成多種外部功能。可編程控制器和運(yùn)動(dòng)控制功能現(xiàn)在可以在一臺(tái)驅(qū)動(dòng)器中以相當(dāng)?shù)偷目傁到y(tǒng)成本實(shí)現(xiàn)?！皩τ谧罴舛说南到y(tǒng)應(yīng)用，多數(shù)的邏輯和運(yùn)動(dòng)控制仍然必須由外圍電子設(shè)備處理，但我們希望這種情況能很快改變，” Thompson說?！拔覀兿Ｍ磥眚?qū)動(dòng)系統(tǒng)的組成部分完全包括在機(jī)殼內(nèi)部，其中有驅(qū)動(dòng)器單元、電源線和限流設(shè)備、串行通訊線、人機(jī)顯示和接口設(shè)備?！? ABB公司提到對環(huán)境影響的日益關(guān)注和高能量消耗的問題影響著未來的交流驅(qū)動(dòng)器。它們注定要更廣泛地應(yīng)用于所有行業(yè)和發(fā)展中的市場，根據(jù)ABB的目標(biāo)，它要提高全球采用變速控制的電機(jī)（僅占5%）數(shù)量。它還提到了驅(qū)動(dòng)器的體積將會(huì)持續(xù)縮小，甚至加入了小型化的特征。今后變頻驅(qū)動(dòng)器將會(huì)有新的、非傳統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域——取代其他類型的控制器（或加入到新興自動(dòng)化領(lǐng)域）。Yaskawa公司同樣也預(yù)見到未來的變頻驅(qū)動(dòng)器將更多地參與“綠色技術(shù)”的發(fā)展，特別是可能參與解決高能量消耗和區(qū)域性電力短缺的問題。高效和節(jié)能顯而易見是人們渴望的優(yōu)點(diǎn)，但是低運(yùn)行成本、高可靠性和更緊湊的驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)也是人們所期望的。工業(yè)和學(xué)術(shù)界對新型控制拓?fù)涞难芯恳恢痹诶^續(xù)，Kume博士解釋說，而現(xiàn)存的新型控制技術(shù)，如三電平拓?fù)浜途仃囎儞Q器，都將有更廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域。 　　 使用三電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的好處包括對電機(jī)的浪涌電壓較低、漏電流較低和低速時(shí)散熱管理得到改進(jìn)。甚至更新型的矩陣變換器也隱約顯示出特別的吸引力，如它增強(qiáng)了變頻驅(qū)動(dòng)器再生能量的能力和去除了直流總線的電容。矩陣變換器的產(chǎn)品計(jì)劃于2005年投入市場，應(yīng)用于可再生能量的場合。 　　 Kume預(yù)計(jì)今后矢量控制和無速度傳感器矢量控制的性能將會(huì)提高，尤其是在電機(jī)轉(zhuǎn)速接近零時(shí)力矩的控制性能。由于受到操作簡單和體積與價(jià)格的持續(xù)降低的推動(dòng)，變頻驅(qū)動(dòng)器的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)?huì)擴(kuò)展。體積更小意味著更容易集成。“驅(qū)動(dòng)單元會(huì)更易于安裝在機(jī)械設(shè)備或電機(jī)上，”他說。 　　 Kume總結(jié)說，在更遠(yuǎn)一點(diǎn)的將來，新一代功率器件將對交流驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)生重大的影響，碳化硅技術(shù)將帶來能耗更低和更小型化的可能。 [align=center] 圖5: Emerson CT公司Unidrive系列體現(xiàn)了今日交流驅(qū)動(dòng)器的擴(kuò)展能力。 它具有Profibus接口、擴(kuò)展I/O，以及將驅(qū)動(dòng)器與機(jī)器其他部件同步的反饋接口。[/align]