1、變頻器發(fā)展史介紹(jisho)技術(shù)部： 葉身學(xué)共三十二頁變頻器發(fā)展史介紹(jisho)一、變頻器發(fā)展(fzhn)總述二、變頻器控制方式的發(fā)展與現(xiàn)狀三、電力電子器件的發(fā)展與現(xiàn)狀四、國產(chǎn)變頻器的發(fā)展與現(xiàn)狀共三十二頁一、變頻器發(fā)展(fzhn)總述變頻器的產(chǎn)生與發(fā)展 當(dāng)今變頻器產(chǎn)業(yè)得到飛速發(fā)展，變頻器產(chǎn)品(chnpn)的產(chǎn)業(yè)化規(guī)模日趨壯大。交流變頻器自20世紀(jì)60年代左右問世，到20世紀(jì)80年代在主要工業(yè)化國家已廣泛使用，而從20世紀(jì)90年代以來，隨著人們節(jié)能環(huán)保意識的加強，變頻器的應(yīng)用越來越普及。共三十二頁二、變頻器發(fā)展(fzhn)總述變頻器的優(yōu)點由于變頻器體積小、重量輕、精度高、工藝先進、功能豐富

2、、保護齊全、可靠性高、操作簡便、通用性強、易形成閉環(huán)控制等優(yōu)點，它優(yōu)于以往的任何調(diào)速方式，如變極調(diào)速、調(diào)壓調(diào)速、滑差調(diào)速、串級調(diào)速、整流子電機調(diào)速、液力耦合調(diào)速等，因而深受鋼鐵(gngti)、有色、石油、石化、化工、化纖、紡織、機械、電力、建材、煤炭、醫(yī)藥、造紙、卷煙、城市供水及污水處理等行業(yè)的歡迎。共三十二頁二、變頻器發(fā)展(fzhn)總述變頻器的市場 我國的變頻器市場總體規(guī)模并不大，但是國民經(jīng)濟近幾年的快速增長大大帶動了變頻器市場的容量，2004年其總體銷售業(yè)績在61億左右，今后(jnhu)還將以平均10以上的速度發(fā)展。 市場容量的擴大也帶動了變頻器國產(chǎn)化的規(guī)模，今天的國產(chǎn)變頻器無論是質(zhì)量還

3、是產(chǎn)量都已經(jīng)上了一個臺階。共三十二頁二、變頻器控制方式發(fā)展(fzhn)和現(xiàn)狀 變頻技術(shù)是應(yīng)交流電機無級調(diào)速的需要而誕生的。20世紀(jì)80年代，作為變頻技術(shù)核心的PWM模式優(yōu)化問題吸引(xyn)著人們的濃厚興趣，并得出諸多優(yōu)化模式，如以鞍形波PWM模式、電壓空間相量PWM模式等。20世紀(jì)80年代后半期開始，歐美發(fā)達國家的VVVF(Variable Voltage Variable Frequency)變頻器已投入市場并廣泛應(yīng)用。 共三十二頁二、變頻器控制方式發(fā)展(fzhn)和現(xiàn)狀 低壓通用變頻輸出電壓分380V級和660V級 ，輸出功率在0.75 400kW，工作頻率在0 400Hz，它的主電路都

4、采用交-直-交電路。其控制方式經(jīng)歷以下四代： 第一代 以U/f = C，正弦脈寬調(diào)制(SPWM) ; 第二代 以電壓空間(kngjin)矢量（磁通軌跡法），又稱 SVPWM控制方式； 第三代 以矢量控制（磁場定向法）又稱VC控制; 第四代 以直接轉(zhuǎn)矩控制，又稱DTC控制。 共三十二頁二、變頻器控制方式(fngsh)發(fā)展和現(xiàn)狀說明(shumng)：SPWM: Sine Pulse Width ModulationSVPWM:Sine Vector Pulse Width ModulationVC:Vector ControlDTC: Direct Torque Control共三十二頁二、變頻器

5、控制(kngzh)方式發(fā)展和現(xiàn)狀 第一代 以U/f = C，正弦脈寬調(diào)制(SPWM) 特點：控制電路結(jié)構(gòu)簡單、成本較低，機械特性硬度也較好，能夠滿足一般傳動的平滑調(diào)速要求，已在產(chǎn)業(yè)的各個領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。這種控制方式在低頻時，由于輸出電壓較小，受定子電阻壓降的影響比較顯著，故造成輸出最大轉(zhuǎn)矩減小。另外，其機械特性終究沒有直流電動機硬，動態(tài)轉(zhuǎn)矩能力和靜態(tài)調(diào)速性能都還不盡如人意，但系統(tǒng)性能不高、控制曲線會隨負(fù)載的變化而變化，轉(zhuǎn)矩響應(yīng)(xingyng)慢、電機轉(zhuǎn)矩利用率不高，低速時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。 共三十二頁二、變頻器控制方式發(fā)展(fzhn)與現(xiàn)狀 第二代

6、以電壓空間矢量（磁通軌跡法），又稱 SVPWM 控制方式。 特點 它是以三相波形(b xn)整體生成效果為前提，以逼近電機氣隙的理想圓形旋轉(zhuǎn)磁場軌跡為目的，一次生成三相調(diào)制波形(b xn)。以內(nèi)切多邊形逼近圓的方式而進行控制的。經(jīng)實踐使用后又有所改進：引入頻率補償，能消除速度控制的誤差；通過反饋估算磁鏈幅值，消除低速時定子電阻的影響；將輸出電壓、電流成閉環(huán)，以提高動態(tài)的精度和穩(wěn)定度。但控制電路環(huán)節(jié)較多，且沒有引入轉(zhuǎn)矩的調(diào)節(jié)，所以系統(tǒng)性能沒有得到根本改善。 共三十二頁電壓空間矢量（磁通軌跡法）控制(kngzh)方式。 三相(sn xin)逆變橋 電壓矢量圖 S(a,b,c)=1,上管導(dǎo)通；S(a

7、,b,c)=0,下管導(dǎo)通。 共三十二頁二、變頻器控制(kngzh)方式發(fā)展和現(xiàn)狀 第三代 以矢量控制（磁場定向法）又稱VC控制 特點 矢量控制變頻調(diào)速的做法是：將異步電動機在三相坐標(biāo)系下的定子交流電流Ia、Ib、Ic、通過三相二相變換，等效成兩相靜止坐標(biāo)系下的交流電流Ia1Ib1，再通過按轉(zhuǎn)子(zhun z)磁場定向旋轉(zhuǎn)變換，等效成同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的直流電流Im1、It1（Im1相當(dāng)于直流電動機的勵磁電流；It1相當(dāng)于與轉(zhuǎn)矩成正比的電樞電流），然后模仿直流電動機的控制方法，求得直流電動機的控制量，經(jīng)過相應(yīng)的坐標(biāo)反變換，實現(xiàn)對異步電動機的控制。 共三十二頁二、變頻器控制方式發(fā)展(fzhn)與現(xiàn)狀

8、 矢量控制的實質(zhì)是將交流電動機等效直流電動機，分別對速度，磁場兩個分量進行獨立控制。通過控制轉(zhuǎn)子磁鏈，以轉(zhuǎn)子磁通定向，然后分解(fnji)定子電流而獲得轉(zhuǎn)矩和磁場兩個分量，經(jīng)坐標(biāo)變換，實現(xiàn)正交或解耦控制。然而轉(zhuǎn)子磁鏈難以準(zhǔn)確觀測，以及矢量變換的復(fù)雜性，實際效果不如理想的好。矢量控制方法的提出具有劃時代的意義。 缺點：然而在實際應(yīng)用中，由于轉(zhuǎn)子磁鏈難以準(zhǔn)確觀測，系統(tǒng)特性受電動機參數(shù)的影響較大，且在等效直流電動機控制過程中所用矢量旋轉(zhuǎn)變換較復(fù)雜，使得實際的控制效果難以達到理想分析的結(jié)果。共三十二頁二、變頻器控制方式發(fā)展(fzhn)與現(xiàn)狀第四代 以直接轉(zhuǎn)矩控制，又稱DTC控制 1985年德國魯爾大學(xué)

9、Depenbrock教授首先提出直接轉(zhuǎn)矩控制理論（Direct Torque Control簡稱DTC）。直接轉(zhuǎn)矩控制與矢量控制不同，它不是通過控制電流、磁鏈等量來間接控制轉(zhuǎn)矩，而是把轉(zhuǎn)矩直接作為(zuwi)被控量來控制。 共三十二頁二、變頻器控制方式(fngsh)發(fā)展與現(xiàn)狀 轉(zhuǎn)矩控制的優(yōu)越性：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；控制上對除定子電阻外的所有電機參數(shù)變化魯棒性良好；所引入的定子磁鍵觀測器能很容易估算出同步速度信息。因而能方便地實現(xiàn)無速度傳感器化。這種控制方法被應(yīng)用于通用變頻器的設(shè)計之中，是很自然的事，這種控制被稱為無速度傳感器直接轉(zhuǎn)矩控制。然而，這種控制依賴于精確的

10、電機數(shù)學(xué)模型和對電機參數(shù)的自動識別 （Identification向你ID),通過ID運行自動確立電機實際的定子阻抗互感、飽和因素、電動機慣量(gunling)等重要參數(shù)，然后根據(jù)精確的電動機模型估算出電動機的實際轉(zhuǎn)矩、定子碰鏈和轉(zhuǎn)子速度，并由磁鏈和轉(zhuǎn)矩的BandBand控制產(chǎn)生PWM信號對逆變器的開關(guān)狀態(tài)進行控制。這種系統(tǒng)可以實現(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。 共三十二頁三、電力電子器件發(fā)展(fzhn)與現(xiàn)狀 到20世紀(jì)60年代(nindi)，隨著晶閘管(SCR)功率的不斷增大，才使變頻調(diào)速具有了現(xiàn)實可能性。而使變頻調(diào)速 器達到普及應(yīng)用的階段（歐美國家），則是在20世紀(jì)70年

11、代，大功率晶體管（GTR)問世之后。到20世紀(jì)90年代，場效應(yīng)晶體管、IGBT的出現(xiàn)和不斷提高，又使變頻調(diào)速器在各個方面前進了一步。 可見，變頻器的產(chǎn)生、成長和發(fā)展，是和電力電子 功率器件的進步密不可分的。共三十二頁三、電力電子器件發(fā)展(fzhn)與現(xiàn)狀電力電子技術(shù)是高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)(jch)技術(shù)之一。是傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)改造的重要手段。自1955年用硅代替鍺制成了電力用二極管，到1957年第一個普通晶閘管誕生以來，電力電子器件已形成了一個大家族，進入了第三代，1974年W.E.Newell提出電力電子是由電力、電子、控制三門學(xué)科結(jié)合形成的一門新的電工學(xué)領(lǐng)域，其任務(wù)是解決用半導(dǎo)體器件對電力進行變換

12、和控制的一門學(xué)科。電力電子學(xué)的形成如下圖：共三十二頁三、電力(dinl)電子器件發(fā)展與現(xiàn)狀電力電子器件的發(fā)展主要經(jīng)歷以下四代：第一代產(chǎn)品 主要標(biāo)志是器件本身沒有關(guān)斷能力;第二代產(chǎn)品 主要標(biāo)志是器件本身有關(guān)斷能力;第三代產(chǎn)品 主要標(biāo)志是一些性能(xngnng)優(yōu)異的復(fù)合型器件和功率集成電路;第四代產(chǎn)品 主要標(biāo)志是集性能優(yōu)異的復(fù)合型、集成電路及智能型的綜合功能的功率器件共三十二頁三、電力(dinl)電子器件發(fā)展與現(xiàn)狀第一代產(chǎn)品：器件本身沒有關(guān)斷能力(nngl)品質(zhì)因數(shù)主要標(biāo)準(zhǔn)是大容量，即：電流*電壓。普通晶閘管 4000V/3000A光控晶閘管 8000V/3000A快速晶閘管 1200V/150

13、0A逆導(dǎo)晶閘管 2500V/1000A雙向晶閘管 1200V/300A共三十二頁三、電力電子器件(din z q jin)發(fā)展與現(xiàn)狀第二代產(chǎn)品 主要標(biāo)志是器件本身有關(guān)斷能力品質(zhì)因數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)是功率*頻率大功率晶體管（BJT) 可關(guān)斷晶閘管（GTO） Gate Turn Off Thyristor功率場效應(yīng)晶體管（POWER MOSFET)靜電感應(yīng)晶體管（SIT) Satic Induction TransistorSIT實際上是一種(y zhn)結(jié)型電力場效應(yīng)晶體管，其電壓、電流容量都比MOSFET大，適用于高頻大功率的場合。柵極加負(fù)偏壓時關(guān)斷，不加任何信號時為導(dǎo)通。靜電感應(yīng)晶閘管（SITH) S

14、atic Induction ThyristorSITH特性和GTO類似，但是開關(guān)速度比GTO高得多，是大容量的快速器件。共三十二頁三、電力電子器件發(fā)展(fzhn)與現(xiàn)狀 可關(guān)斷晶閘管的結(jié)構(gòu)(jigu)、等效電路、電氣符號示意圖共三十二頁三、電力(dinl)電子器件發(fā)展與現(xiàn)狀 門極驅(qū)動電路的基本(jbn)形式共三十二頁三、電力電子器件發(fā)展(fzhn)與現(xiàn)狀第三代產(chǎn)品 主要標(biāo)志是一些性能優(yōu)異的復(fù)合型器件和功率集成電路;品質(zhì)因數(shù)的主要標(biāo)準(zhǔn)(biozhn)是容量、開關(guān)速度、驅(qū)動功率、通態(tài)壓降、芯片利用率等。絕緣柵極雙極型晶體管 絕緣柵極雙極型晶體管是雙極型電力晶體管和MOSFET的復(fù)合。IGBT是I

15、nsulated Gate Bipolar transistor的縮寫。電力晶體管飽和壓降低，載流密度大，但驅(qū)動電流較大。MOSFET驅(qū)動功率小，開關(guān)速度快，但導(dǎo)通壓降大，載流密度小。IGBT綜合了以上兩種器件的優(yōu)點，驅(qū)動功率小而飽和壓降低。共三十二頁三、電力電子器件(din z q jin)發(fā)展與現(xiàn)狀具有寄生(jshng)晶體管的IGBT等效電路 IGBT的等效電路和符號共三十二頁三、電力電子器件發(fā)展(fzhn)與現(xiàn)狀第四代產(chǎn)品 主要標(biāo)志是集性能優(yōu)異的復(fù)合型、高壓、集成電路及智能型的綜合功能(gngnng)的功率器件。高壓IGBT器件 HVIGBT 耐壓達3300V siemensIGCT(

16、insulated gate controlled transistor)器件 ABBIEGT(injection enhanced gate transistor)器件 GESGCT(symmetrical gate commutated thyristor)器件高壓、大容量、全控型功率器件。電力電子模塊化更為成熟。如：智能化模塊IPM共三十二頁四、國產(chǎn)變頻器發(fā)展(fzhn)與現(xiàn)狀國內(nèi)變頻器市場(shchng)國產(chǎn)變頻器發(fā)展趨勢共三十二頁四、國產(chǎn)(guchn)變頻器發(fā)展與現(xiàn)狀國內(nèi)變頻器市場 中國的變頻器市場目前正處于一個高速增長的時期，在空調(diào)、電梯、冶金、機械等行業(yè)得到廣泛應(yīng)用。據(jù)統(tǒng)計，在過

17、去的幾年內(nèi)中國變頻器的市場保持著1215的增長率，這個速度已經(jīng)遠遠超過了近幾年的GDP增長水平，而且至少在未來的5年內(nèi)保持著10以上的增長率。 慮到大約4-6 的價格下降，中國市場上變頻器安裝容量（功率）的增長實際上在20左右。按照這樣(zhyng)的發(fā)展速度和中國市場的需求計算，至少在10年以后市場才能飽和并逐漸成熟。因此，中國變頻器市場具有廣闊的發(fā)展空間。 共三十二頁四、國產(chǎn)變頻器發(fā)展(fzhn)與現(xiàn)狀國內(nèi)變頻器市場(shchng)2004年品牌市場占有率如右表：共三十二頁四、國產(chǎn)變頻器發(fā)展(fzhn)與現(xiàn)狀國產(chǎn)變頻器發(fā)展總趨勢 變頻器是運動控制系統(tǒng)中的功率變換器。當(dāng)今的運動控制系統(tǒng)是包含多種學(xué)科的技術(shù)領(lǐng)域，總的發(fā)展趨勢是：驅(qū)動的交流化，功率變換器的高頻化，控制的數(shù)字化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化。因此，變頻器作為系統(tǒng)的重要(zhngyo)功率變換部件，提供可控的高性能變壓變頻的交流電源而得到迅猛發(fā)展。共三十二頁四、國產(chǎn)(guchn)變頻器發(fā)展與現(xiàn)狀 變頻器是運動控制系統(tǒng)中的功率變換器。當(dāng)今的運動控制系統(tǒng)是包含多種學(xué)科的技術(shù)領(lǐng)域，總的發(fā)展趨勢是：驅(qū)動的交流化，功率變換器的高頻化，控制的數(shù)字化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化。因