一組圖文告訴你變頻器的誕生與發展過程

變頻器，作為工控領域中的“老熟人”，已經活躍在各種行業生產一線幾十年了，它承擔著電機調速的重任，無論是改善生產工藝還是節能，都扮演著不可缺少的角色。而從專業角度來講，它其實是一種應用變頻技術與微電子技術：通過改變交流電機電源頻率的方式，來控制交流電動機轉速的電力控制設備。

那么，變頻器對于電機調速究竟有什么意義？交流電機調速為什么“非他不可”？關于變頻器的重要性，我們從以下幾個方面來了解一下它的誕生和發展過程。

變頻器誕生前的時代背景

工業生產中，使用電機對物體或部件的速度、位置進行準確的控制，是一個必要的過程，比如：起重設備，織機設備，物料傳送帶，收放卷...等各種不同類型的機器設備。

在電機調速技術還不成熟的時候，人們只能采用一些機械輔助件去解決物體運動控制的問題，比如：齒輪箱、離合器...等復雜的機械傳動裝置，如果遇到一些無法自由調節電機的情況，為了達到某種運動目的，就需要更換齒輪箱，改變傳動比，或者是切換離合器，這個過程不僅非常費時，而且對機械的損耗也非常大。

另一類流體控制應用場景中，電機通過帶動葉輪轉動，從而推動氣體、液體流動或使其產生相應的氣壓，液壓，早期同樣是由于無法自由的控制電機轉速，只能通過管道內的閥門進行開閉，來實現對流體流量和壓力的控制，這樣的控制模式非常浪費電能。

在沒有變頻器的年代，由于無法自由的調節電機轉速，為了達到某種運動目的，傳統的機械不得不增加很多配件，這不僅增加了整體系統復雜性與成本，還限制了設備的性能和發展空間，為了解決這些問題，推出簡單而高效的電機調速技術，一直是工業傳動研究的熱點和痛點。

電機調速的困局

早期電機調速的重點一直是直流電機，其主要原因之一，就是人們首先掌握的是整流技術，而且直流電機的機械特性，也非常適宜某些場景需求，最簡單的調整電樞電壓的方法就是串入電阻，阻值越大，壓降越大，直流電機轉速越慢。

然而，直流電機的缺陷也是非常明顯的，例如：集電環及碳刷需要定期維護、直流電機制造工藝復雜，制造成本高等。這就意味著，在大范圍的電機應用中，直流電機并不適合。

而交流電機與直流電機相比，內部結構就要簡單很多，沒有換向器等結構，制造方便，牢靠穩定，適合于高轉速，高電壓，大電流的應用場合，唯一需要解決的便是交流電機的調速問題。

變頻器的演化

Nikola Tesla發明交流電機

早在 1888 年，交流電和交流電機就已經問世，但在之后很長一段時間，交流電機都因為其結構原因，只能以一個或多個固定的速度運行，其轉速與頻率成正比，與極對數成反比：

n = 60 f（ 1 - s ）/ p

從以上公式可以看出，轉差率 s 和極對數 p 都是電機的固有特性參數，在電機制造完成后就不能改變了，若想自由的調節轉速，只有改變其動力電源的輸入頻率f；而在變頻器誕生之前，基本沒有什么手段能自由調整電網電壓的頻率。

到了20世紀80年代，隨著半導體技術的發展，尤其是微處理器和晶閘管越來越成熟，已經可以使用微處理器控制晶閘管的導通狀態了。這樣，使用微處理器控制上下橋開關元件的導通閉合，按照特定的時序連續完成動作，就能夠將直流電變換為交流電，這也就是我們經常說的逆變技術；同時，我們可以調整功率元件開閉的動作周期，即可以實現對逆變輸出頻率的調節。

最后，再結合整流技術，我們就能依據所需電源的幅值和頻率，把電網的標準頻率，快速轉換成相應頻率，相應電壓的交流電，從而改變電機的輸入頻率，實現對交流電機轉速的調節控制；經過漫長的技術發展和科學家不懈努力，變頻器在一次次應用中升級和演化，慢慢變成了今天我們所看到的樣子。

變頻器三階段

了解完變頻器的從無到有，接下來介紹一下變頻技術的發展，總結起來基本上可以分為以下三個階段：

電力電子器件的更新換代

隨著半導體器件的不斷發展，我們采用全控型器件代替半控型晶閘管（SCR），把輸出的波形變化為脈寬調制的PWM波形，大大減小了諧波分量，增加了異步電機調速范圍，減小了轉矩的波動。

IGBT的工作頻率一般可以達到10～20kHz之間，與三極管BJT的2kHz以下相比，工作頻率高出一個數量級，尤其是在一些電壓和電流指標方面，均已超過了使用BJT，例如電流浪涌耐量、電壓阻斷峰值等。由于使用IGBT，可以提高載波頻率，甚至可以形成所需的PWM波形，這樣可以大大降低諧波噪聲，因此在目前變頻器應用中，IGBT已經基本替代了BJT。

而IPM，即智能功率模塊，以IGBT為開關器件，不僅把功率開關器件和驅動電路集成在一起。而且還內部集成有過電壓，過電流和過熱等故障檢測電路，并可將檢測信號送到CPU。即使發生負載事故或使用不當，也可以保證IPM自身不受損壞。

控制方式的發展

早先的變頻器控制方式采用的是恒壓頻比，即V/f控制。V是指電壓的有效值，改變V/f只能調節電機的穩態磁通和轉矩。為了提高低頻情況下的轉矩，都需要進行轉矩提升，通常采用補償電壓的方式，有的還可以隨負載變化補償定子繞組電壓降。

后來變頻器出現了一種新的控制方式—矢量控制，它的基本原理就是建立等效直流電機的模型，將異步機的定子電流分解為勵磁分量和轉矩分量分開控制。控制勵磁矢量是最主要的，所以又把矢量控制稱為磁場定向控制，而轉矩的控制則是間接的。

矢量控制系統結構圖

矢量控制需要坐標變換運算以及需要檢測實際的轉速信號，所以都需要速度傳感器進行反饋，也就是閉環矢量控制。而之后，提出了一種無速度傳感器矢量控制的方案，它是根據電機實際運行的相電壓和相電流以及定轉子繞組參數進行計算，進而計算出轉子磁鏈和轉矩電流的觀測值，從而實現磁場定向的矢量控制。

與矢量控制并行發展的還有一種方式稱為直接轉矩控制（DTC），它強調對于轉矩的直接控制。其做法是依據測量到的電機電壓及電流，去計算電機磁通和轉矩的估測值，而在控制轉矩后，也可以控制電機的速度。

直接轉矩控制系統結構圖

功能多樣化

目前的變頻器憑借功能很強的微處理器，除了能完成電動機變頻調速的基本任務以外，還內置有多種功能。例如：

(1)自動加減速。

(2)程序運行。

(3)自動節能運行。

(4)電機參數自學習。

(5)PID控制運行。

(6)通信和反饋功能。

上世紀70年代西門子工程師首先提出異步電機矢量控制理論，來解決交流電機轉矩控制問題， 而對于直接轉矩控制來說，一般文獻認為它由德國魯爾大學的M.Depenbrock教授和日本的I.Takahashi于1985年分別提出的。可見，國外對于電機控制的研究成果是早于我國，其變頻器產品也是早于我們國內品牌進入到大眾視野的。

現在，隨著我國眾多工程師在這塊領域里的不斷學習與鉆研，國內的變頻器行業，無論是在品牌、性能，還是價格方面，都在很大程度上滿足了我國的工業的發展現狀。希望未來我們國內的變頻器品牌都能用心做好每一款變頻產品，為智能制造2025的未來添磚加瓦。