1.前言 
    交流傳動(dòng)與控制技術(shù)是目前發(fā)展最為迅速的技術(shù)之一，這是和電力電子器件制造技術(shù)、變流技術(shù)控制技術(shù)以及微型計(jì)算機(jī)和大規(guī)模集成電路的飛速發(fā)展密切相關(guān)。 
    通用變頻器作為早個(gè)商品開(kāi)始在國(guó)內(nèi)上市，是近十年的事，銷(xiāo)售額逐年增加，于今全年有超過(guò)數(shù)十億元（RMB）的市場(chǎng)。其中．各種進(jìn)口品牌居多，功率小至百瓦大至數(shù)千千瓦；功能簡(jiǎn)易或復(fù)雜；精度低或高；響應(yīng)慢或快：有PG（測(cè)速機(jī)）或無(wú)PG;有噪音或無(wú)噪音等等。 
    對(duì)于許多用戶來(lái)說(shuō),這十年中經(jīng)歷了多次更新，現(xiàn)所使用的變頻器大都屬于目前最為先進(jìn)的機(jī)型如果從應(yīng)用的角度來(lái)說(shuō)，我們的水準(zhǔn)與發(fā)達(dá)國(guó)家沒(méi)有什么兩樣。作為國(guó)內(nèi)制造商,通過(guò)這十年來(lái)對(duì)國(guó)外的先進(jìn)技術(shù)進(jìn)行銷(xiāo)化，也正在積極地進(jìn)行國(guó)產(chǎn)變頻器的自主開(kāi)發(fā)．努力追趕世界發(fā)達(dá)國(guó)家的水平。 
    回顧近十年來(lái)國(guó)外通用變頻器技術(shù)的發(fā)展對(duì)于深入了解交流傳動(dòng)與控制技術(shù)的走向，以及如何站在高起點(diǎn)上結(jié)合我國(guó)國(guó)情開(kāi)發(fā)我國(guó)自己的產(chǎn)品應(yīng)該說(shuō)具有十分積極的意義。 
    2.關(guān)于功率器件 
    變頻技術(shù)是建立在電力電子技術(shù)基礎(chǔ)之上的。在低壓交流電動(dòng)機(jī)的傳動(dòng)控制中，應(yīng)用最多的功率器件有GTO、GTR、IGBT以及智能模塊IPM(IntelligentPowerModule），后面二種集GTR的低飽和電壓特性和MOSFET的高頻開(kāi)關(guān)特性于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(dá)到20KHZ,內(nèi)含的集射極間超高速二極管Trr可達(dá)150ns,1992年前后開(kāi)始在通用變頻器中得到廣泛應(yīng)用。其發(fā)展的方向是損耗更低,開(kāi)關(guān)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(shù)、非穿通技術(shù)等方法大幅度降低了集電極一發(fā)射極之間的飽和電壓［VCE（sat)］的第四代IGBT也已問(wèn)世。 
    第四代IGBT的應(yīng)用使變頻器的性能有了很大的提高。其一是ICBT開(kāi)關(guān)器件發(fā)熱減少，將曾占主回路發(fā)熱50－70％的器件發(fā)熱降低了30％。其二是高載波控制，使輸出電流波形有明顯改善；其三是開(kāi)關(guān)頻率提高，使之超過(guò)人耳的感受范圍，即實(shí)現(xiàn)了電機(jī)運(yùn)行的靜青化；其四是驅(qū)動(dòng)功率減少，體積趨于更小。 
    而IPM的投入應(yīng)用比IGBT約晚二年，由于IPM包含了1GBT芯片及外圍的驅(qū)動(dòng)和保護(hù)電路.甚至還有的把光耦也集成于一體，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范圍內(nèi)，通用變頻器均有采用IPM的趨問(wèn)，其優(yōu)點(diǎn)是： 
    （l）開(kāi)關(guān)速度快，驅(qū)動(dòng)電流小，控制驅(qū)動(dòng)更為簡(jiǎn)單。 
    〔2)內(nèi)含電流傳感器，可以高效迅速地檢測(cè)出過(guò)電流和短路電流，能對(duì)功率芯片給予足夠的保護(hù)，故障率大大降低。 
    （3)由于在器件內(nèi)部電源電路和驅(qū)動(dòng)電路的配線設(shè)計(jì)上做到優(yōu)化，所以浪涌電壓，門(mén)極振蕩，噪聲引起的干擾等問(wèn)題能有效得到控制。 
    （4）保護(hù)功能較為豐富，如電流保護(hù)、電壓保護(hù)、溫度保護(hù)一應(yīng)俱全，隨著技術(shù)的進(jìn)步，保護(hù)功能將進(jìn)一步日臻完善。
    （5｝IPM的售價(jià)已逐漸接近IGBT．而計(jì)人采用IPM后的開(kāi)關(guān)電源容量、驅(qū)動(dòng)功率容量的減小和器件的節(jié)省以及綜合性能提高等因素后在許多場(chǎng)合其性價(jià)比已高過(guò)IGBT，有很好的經(jīng)濟(jì)性。 
    為此IPM除了在工業(yè)變頻器中被大量采用之后，經(jīng)濟(jì)型的IPM在近年內(nèi)也開(kāi)始在一些民用品如家用空調(diào)變頻器，冰箱變頻器、洗衣機(jī)變頻器中得到應(yīng)用。IPM也在向更高的水平發(fā)展，日本三菱電機(jī)最近開(kāi)發(fā)的專(zhuān)用智能模塊ASIPM將不需要外接光耦，通過(guò)內(nèi)部自舉電路可單電源供電并采用了低電感的封裝技術(shù)，在實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)小型化，專(zhuān)用化，高性能，低成本方面又推進(jìn)了一步。 
    3.關(guān)于控制方式 
    早期通用變頻器如東芝TOSVERT－130系列、FUJIFVRG5／P5系列，SANKENSVF系列等大多數(shù)為開(kāi)環(huán)恒壓比（V／F=常數(shù)）的控制方式．其優(yōu)點(diǎn)是控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本較低，缺點(diǎn)是系統(tǒng)性能不高，比較適合應(yīng)用在風(fēng)機(jī)、水泵調(diào)這場(chǎng)合。具體來(lái)說(shuō)，其控制曲線會(huì)隨著負(fù)載的變化而變化；轉(zhuǎn)矩響應(yīng)慢，電視轉(zhuǎn)矩利用率不高，低速時(shí)因定子電阻和逆變器死區(qū)效應(yīng)的存在而性能下降穩(wěn)定性變差等。對(duì)變頻器U／F控制系統(tǒng)的改造主要經(jīng)歷了三個(gè)階段； 
    第一階段： 
    1.八十年代初日本學(xué)者提出了基本磁通軌跡的電壓空間矢量（或稱(chēng)磁通軌跡法）。該方法以三相波形的整體生成效果為前提，以逼近電機(jī)氣隙的理想圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)軌跡為目的，一次生成二相調(diào)制波形。這種方法被稱(chēng)為電壓空間矢量控制。典型機(jī)種如1989年前后進(jìn)入中國(guó)市場(chǎng)的FUJI（富士）FRN5OOOG5/P5、SANKEN（三墾）MF系列等。 
    ②引人頻率補(bǔ)償控制，以消除速度控制的穩(wěn)態(tài)誤差 
    ③基于電機(jī)的穩(wěn)態(tài)模型，用直流電流信號(hào)重建相電流，如西門(mén)子MicroMaster系列,由此估算出磁鏈幅值，并通過(guò)反饋控制來(lái)消除低速時(shí)定子電阻對(duì)性能的影響。 
    ④將輸出電壓、電流進(jìn)行閉環(huán)控制，以提高動(dòng)態(tài)負(fù)載下的電壓控制精度和穩(wěn)定度，同時(shí)也一定程度上求得電流波形的改善。這種控制方法的另一個(gè)好處是對(duì)再生引起的過(guò)電壓、過(guò)電流抑制較為明顯，從而可以實(shí)現(xiàn)快速的加減速。 
    之后，1991年由富士電機(jī)推出大家熟知的FVR與FRNG7／P7系列的設(shè)計(jì)中，不同程度融入了②3．④項(xiàng)技術(shù)，因此很具有代表性。三菱日立，東芝也都有類(lèi)似的產(chǎn)品。然而，在上述四種方法中，由于未引入轉(zhuǎn)矩的調(diào)節(jié)，系統(tǒng)性能沒(méi)有得到根本性的改善. 
    第二階段： 
    矢量控制。也稱(chēng)磁場(chǎng)定向控制。它是七十年代初由西德F.Blasschke等人首先提出，以直流電動(dòng)機(jī)和交流電動(dòng)機(jī)比較的方法分析闡述了這一原理，由此開(kāi)創(chuàng)了交流電動(dòng)機(jī)等效直流電動(dòng)機(jī)控制的先河。它使人們看到交流電動(dòng)機(jī)盡管控制復(fù)雜，但同樣可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩、磁場(chǎng)獨(dú)立控制的內(nèi)在本質(zhì)。 
    矢量控制的基本點(diǎn)是控制轉(zhuǎn)子磁鏈，以轉(zhuǎn)子磁通定向，然后分解定子電流，使之成為轉(zhuǎn)矩和磁場(chǎng)兩個(gè)分量，經(jīng)過(guò)坐標(biāo)變換實(shí)現(xiàn)正交或解耦控制。但是，由于轉(zhuǎn)子磁鏈難以準(zhǔn)確觀測(cè)，以及矢量變換的復(fù)雜性，使得實(shí)際控制效果往往難以達(dá)到理論分析的效果，這是矢量控制技術(shù)在實(shí)踐上的不足。
　　此外．它必須直接或間接地得到轉(zhuǎn)子磁鏈在空間上的位置才能實(shí)現(xiàn)定子電流解耦控制，在這種矢量控制系統(tǒng)中需要配留轉(zhuǎn)子位置或速度傳感器，這顯然給許多應(yīng)用場(chǎng)合帶來(lái)不便。僅管如此，矢量控制技術(shù)仍然在努力融入通用型變頻器中，1992年開(kāi)始，德國(guó)西門(mén)子開(kāi)發(fā)了6SE70通用型系列，通過(guò)FC、VC、SC板可以分別實(shí)現(xiàn)頻率控制、矢量控制、伺服控制。1994年將該系列擴(kuò)展至315KW以上。目前，6SE70系列除了200KW以下價(jià)格較高，在200KW以上有很高的性價(jià)比。
    第三階段： 
    1985年德國(guó)魯爾大學(xué)Depenbrock教授首先提出直接轉(zhuǎn)矩控制理論（DirectTorqueControl簡(jiǎn)稱(chēng)DTC）。直接轉(zhuǎn)矩控制與矢量控制不同，它不是通過(guò)控制電流、磁鏈等量來(lái)間接控制轉(zhuǎn)矩，而是把轉(zhuǎn)矩直接作為被控量來(lái)控制。 
    轉(zhuǎn)矩控制的優(yōu)越性在于：轉(zhuǎn)矩控制是控制定子磁鏈，在本質(zhì)上并不需要轉(zhuǎn)速信息；控制上對(duì)除定子電阻外的所有電機(jī)參數(shù)變化魯棒性良好；所引入的定子磁鍵觀測(cè)器能很容易估算出同步速度信息。因而能方便地實(shí)現(xiàn)無(wú)速度傳感器化。這種控制方法被應(yīng)用于通用變頻器的設(shè)計(jì)之中，是很自然的事，這種控制被稱(chēng)為無(wú)速度傳感器直接轉(zhuǎn)矩控制。然而，這種控制依賴(lài)于精確的電機(jī)數(shù)學(xué)模型和對(duì)電機(jī)參數(shù)的自動(dòng)識(shí)別（Identification向你ID),通過(guò)ID運(yùn)行自動(dòng)確立電機(jī)實(shí)際的定子阻抗互感、飽和因素、電動(dòng)機(jī)慣量等重要參數(shù)，然后根據(jù)精確的電動(dòng)機(jī)模型估算出電動(dòng)機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)矩、定子碰鏈和轉(zhuǎn)子速度，并由磁鏈和轉(zhuǎn)矩的Band－Band控制產(chǎn)生PWM信號(hào)對(duì)逆變器的開(kāi)關(guān)狀態(tài)進(jìn)行控制。這種系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)很快的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)速度和很高的速度、轉(zhuǎn)矩控制精度。 
    1995年ABB公司首先推出的ACS600直接轉(zhuǎn)矩控制系列，已達(dá)到<2ms的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)速度在帶PG時(shí)的靜態(tài)速度精度達(dá)土O.01%，在不帶PG的情況下即使受到輸入電壓的變化或負(fù)載突變的影響，向樣可以達(dá)到正負(fù)0.1％的速度控制精度。其他公司也以直接轉(zhuǎn)矩控制為努力目標(biāo)，如安川VS－676H5高性能無(wú)速度傳感器矢量控制系列，雖與直接轉(zhuǎn)矩控制還有差別，但它也已做到了100ms的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)和正負(fù)0.2%（無(wú)PG）,正負(fù)0.01％（帶PG）的速度控制精度，轉(zhuǎn)矩控制精度在正負(fù)3％左右。其他公司如日本富士電機(jī)推出的FRN5000G9／P9以及最新的FRN5000Gll／P11系列出采取了類(lèi)似無(wú)速度傳感器控制的設(shè)計(jì)，性能有了進(jìn)一步提高，然而變頻器的價(jià)格并不比以前的機(jī)型昂貴多少。 
    控制技術(shù)的發(fā)展完全得益于微處理機(jī)技術(shù)的發(fā)展，自從1991年INTEL公司推出8X196MC系列以來(lái)，專(zhuān)門(mén)用于電動(dòng)機(jī)控制的芯片在品種、速度、功能、性價(jià)比等方面都有很大的發(fā)展。如日本三菱電機(jī)開(kāi)發(fā)用于電動(dòng)機(jī)控制的M37705、M7906單片機(jī)和美國(guó)德州儀器的TMS320C240DSP等都是頗具代表性的產(chǎn)品。 
    4.關(guān)于PWM技術(shù) 
    PWM控制技術(shù)一直是變頻技術(shù)的核心技術(shù)之一。1964年A.Schonung和H.stemmler首先在<>評(píng)論上提出把這項(xiàng)通訊技術(shù)應(yīng)用到交流傳動(dòng)中，從此為交流傳動(dòng)的推廣應(yīng)用開(kāi)辟了新的局面。 
    從最初采用模擬電路完成三角調(diào)制波和參考正弦波比較，產(chǎn)生正弦脈寬調(diào)制SPWM信號(hào)以控制功率器件的開(kāi)關(guān)開(kāi)始，到目前采用全數(shù)字化方案，完成優(yōu)化的實(shí)時(shí)在線的PWM信號(hào)輸出，可以說(shuō)直到目前為止，PWM在各種應(yīng)用場(chǎng)合仍占<