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1、变频器发展史介绍,技术部：叶身学,变频器发展史介绍,一、变频器发展总述二、变频器控制方式的发展与现状三、电力电子器件的发展与现状四、国产变频器的发展与现状,一、变频器发展总述,变频器的产生与发展 当今变频器产业得到飞速发展，变频器产品的产业化规模日趋壮大。交流变频器自20世纪60年代左右问世，到20世纪80年代在主要工业化国家已广泛使用，而从20世纪90年代以来，随着人们节能环保意识的加强，变频器的应用越来越普及。,二、变频器发展总述,变频器的优点由于变频器体积小、重量轻、精度高、工艺先进、功能丰富、保护齐全、可靠性高、操作简便、通用性强、易形成闭环控制等优点，它优于以往的任何调速方式，如变极
2、调速、调压调速、滑差调速、串级调速、整流子电机调速、液力耦合调速等，因而深受钢铁、有色、石油、石化、化工、化纤、纺织、机械、电力、建材、煤炭、医药、造纸、卷烟、城市供水及污水处理等行业的欢迎。,二、变频器发展总述,变频器的市场 我国的变频器市场总体规模并不大，但是国民经济近几年的快速增长大大带动了变频器市场的容量，2004年其总体销售业绩在61亿左右，今后还将以平均10以上的速度发展。市场容量的扩大也带动了变频器国产化的规模，今天的国产变频器无论是质量还是产量都已经上了一个台阶。,二、变频器控制方式发展和现状,变频技术是应交流电机无级调速的需要而诞生的。20世纪80年代，作为变频技术核心的PW
3、M模式优化问题吸引着人们的浓厚兴趣，并得出诸多优化模式，如以鞍形波PWM模式、电压空间相量PWM模式等。20世纪80年代后半期开始，欧美发达国家的VVVF(Variable Voltage Variable Frequency)变频器已投入市场并广泛应用。,二、变频器控制方式发展和现状,低压通用变频输出电压分380V级和660V级，输出功率在0.75 400kW，工作频率在0 400Hz，它的主电路都采用交-直-交电路。其控制方式经历以下四代：第一代 以U/f=C，正弦脉宽调制(SPWM);第二代 以电压空间矢量（磁通轨迹法），又称 SVPWM控制方式；第三代 以矢量控制（磁场定向法）又称VC
4、控制;第四代 以直接转矩控制，又称DTC控制。,二、变频器控制方式发展和现状,说明：SPWM:Sine Pulse Width ModulationSVPWM:Sine Vector Pulse Width ModulationVC:Vector ControlDTC:Direct Torque Control,二、变频器控制方式发展和现状,第一代 以U/f=C，正弦脉宽调制(SPWM)特点：控制电路结构简单、成本较低，机械特性硬度也较好，能够满足一般传动的平滑调速要求，已在产业的各个领域得到广泛应用。这种控制方式在低频时，由于输出电压较小，受定子电阻压降的影响比较显著，故造成输出最大转矩减小
5、。另外，其机械特性终究没有直流电动机硬，动态转矩能力和静态调速性能都还不尽如人意，但系统性能不高、控制曲线会随负载的变化而变化，转矩响应慢、电机转矩利用率不高，低速时因定子电阻和逆变器死区效应的存在而性能下降，稳定性变差等。,二、变频器控制方式发展与现状,第二代 以电压空间矢量（磁通轨迹法），又称 SVPWM 控制方式。特点 它是以三相波形整体生成效果为前提，以逼近电机气隙的理想圆形旋转磁场轨迹为目的，一次生成三相调制波形。以内切多边形逼近圆的方式而进行控制的。经实践使用后又有所改进：引入频率补偿，能消除速度控制的误差；通过反馈估算磁链幅值，消除低速时定子电阻的影响；将输出电压、电流成闭环，以
6、提高动态的精度和稳定度。但控制电路环节较多，且没有引入转矩的调节，所以系统性能没有得到根本改善。,电压空间矢量（磁通轨迹法）控制方式。,三相逆变桥 电压矢量图 S(a,b,c)=1,上管导通；S(a,b,c)=0,下管导通。,二、变频器控制方式发展和现状,第三代 以矢量控制（磁场定向法）又称VC控制 特点 矢量控制变频调速的做法是：将异步电动机在三相坐标系下的定子交流电流Ia、Ib、Ic、通过三相二相变换，等效成两相静止坐标系下的交流电流Ia1Ib1，再通过按转子磁场定向旋转变换，等效成同步旋转坐标系下的直流电流Im1、It1（Im1相当于直流电动机的励磁电流；It1相当于与转矩成正比的电枢电
7、流），然后模仿直流电动机的控制方法，求得直流电动机的控制量，经过相应的坐标反变换，实现对异步电动机的控制。,二、变频器控制方式发展与现状,矢量控制的实质是将交流电动机等效直流电动机，分别对速度，磁场两个分量进行独立控制。通过控制转子磁链，以转子磁通定向，然后分解定子电流而获得转矩和磁场两个分量，经坐标变换，实现正交或解耦控制。然而转子磁链难以准确观测，以及矢量变换的复杂性，实际效果不如理想的好。矢量控制方法的提出具有划时代的意义。缺点：然而在实际应用中，由于转子磁链难以准确观测，系统特性受电动机参数的影响较大，且在等效直流电动机控制过程中所用矢量旋转变换较复杂，使得实际的控制效果难以达到理想分
8、析的结果。,二、变频器控制方式发展与现状,第四代 以直接转矩控制，又称DTC控制 1985年德国鲁尔大学Depenbrock教授首先提出直接转矩控制理论（Direct Torque Control简称DTC）。直接转矩控制与矢量控制不同，它不是通过控制电流、磁链等量来间接控制转矩，而是把转矩直接作为被控量来控制。,二、变频器控制方式发展与现状,转矩控制的优越性：转矩控制是控制定子磁链，在本质上并不需要转速信息；控制上对除定子电阻外的所有电机参数变化鲁棒性良好；所引入的定子磁键观测器能很容易估算出同步速度信息。因而能方便地实现无速度传感器化。这种控制方法被应用于通用变频器的设计之中，是很自然的事
9、，这种控制被称为无速度传感器直接转矩控制。然而，这种控制依赖于精确的电机数学模型和对电机参数的自动识别（Identification向你ID),通过ID运行自动确立电机实际的定子阻抗互感、饱和因素、电动机惯量等重要参数，然后根据精确的电动机模型估算出电动机的实际转矩、定子碰链和转子速度，并由磁链和转矩的BandBand控制产生PWM信号对逆变器的开关状态进行控制。这种系统可以实现很快的转矩响应速度和很高的速度、转矩控制精度。,三、电力电子器件发展与现状,到20世纪60年代，随着晶闸管(SCR)功率的不断增大，才使变频调速具有了现实可能性。而使变频调速 器达到普及应用的阶段（欧美国家），则是在2
10、0世纪70年代，大功率晶体管（GTR)问世之后。到20世纪90年代，场效应晶体管、IGBT的出现和不断提高，又使变频调速器在各个方面前进了一步。可见，变频器的产生、成长和发展，是和电力电子 功率器件的进步密不可分的。,三、电力电子器件发展与现状,电力电子技术是高新技术产业发展的基础技术之一。是传统产业改造的重要手段。自1955年用硅代替锗制成了电力用二极管，到1957年第一个普通晶闸管诞生以来，电力电子器件已形成了一个大家族，进入了第三代，1974年提出电力电子是由电力、电子、控制三门学科结合形成的一门新的电工学领域，其任务是解决用半导体器件对电力进行变换和控制的一门学科。电力电子学的形成如下
11、图：,三、电力电子器件发展与现状,电力电子器件的发展主要经历以下四代：第一代产品 主要标志是器件本身没有关断能力;第二代产品 主要标志是器件本身有关断能力;第三代产品 主要标志是一些性能优异的复合型器件和功率集成电路;第四代产品 主要标志是集性能优异的复合型、集成电路及智能型的综合功能的功率器件,三、电力电子器件发展与现状,第一代产品：器件本身没有关断能力品质因数主要标准是大容量，即：电流*电压。普通晶闸管 4000V/3000A光控晶闸管 8000V/3000A快速晶闸管 1200V/1500A逆导晶闸管 2500V/1000A双向晶闸管 1200V/300A,三、电力电子器件发展与现状,第
12、二代产品 主要标志是器件本身有关断能力品质因数的标准是功率*频率大功率晶体管（BJT)可关断晶闸管（GTO）Gate Turn Off Thyristor功率场效应晶体管（POWER MOSFET)静电感应晶体管（SIT)Satic Induction TransistorSIT实际上是一种结型电力场效应晶体管，其电压、电流容量都比MOSFET大，适用于高频大功率的场合。栅极加负偏压时关断，不加任何信号时为导通。静电感应晶闸管（SITH)Satic Induction ThyristorSITH特性和GTO类似，但是开关速度比GTO高得多，是大容量的快速器件。,三、电力电子器件发展与现状,可关
13、断晶闸管的结构、等效电路、电气符号示意图,三、电力电子器件发展与现状,门极驱动电路的基本形式,三、电力电子器件发展与现状,第三代产品 主要标志是一些性能优异的复合型器件和功率集成电路;品质因数的主要标准是容量、开关速度、驱动功率、通态压降、芯片利用率等。绝缘栅极双极型晶体管 绝缘栅极双极型晶体管是双极型电力晶体管和MOSFET的复合。IGBT是Insulated Gate Bipolar transistor的缩写。电力晶体管饱和压降低，载流密度大，但驱动电流较大。MOSFET驱动功率小，开关速度快，但导通压降大，载流密度小。IGBT综合了以上两种器件的优点，驱动功率小而饱和压降低。,三、电力
14、电子器件发展与现状,具有寄生晶体管的IGBT等效电路 IGBT的等效电路和符号,三、电力电子器件发展与现状,第四代产品 主要标志是集性能优异的复合型、高压、集成电路及智能型的综合功能的功率器件。高压IGBT器件 HVIGBT 耐压达3300V siemensIGCT(insulated gate controlled transistor)器件 ABBIEGT(injection enhanced gate transistor)器件 GESGCT(symmetrical gate commutated thyristor)器件高压、大容量、全控型功率器件。电力电子模块化更为成熟。如：智能化模
15、块IPM,四、国产变频器发展与现状,国内变频器市场国产变频器发展趋势,四、国产变频器发展与现状,国内变频器市场 中国的变频器市场目前正处于一个高速增长的时期，在空调、电梯、冶金、机械等行业得到广泛应用。据统计，在过去的几年内中国变频器的市场保持着1215的增长率，这个速度已经远远超过了近几年的GDP增长水平，而且至少在未来的5年内保持着10以上的增长率。虑到大约4-6 的价格下降，中国市场上变频器安装容量（功率）的增长实际上在20左右。按照这样的发展速度和中国市场的需求计算，至少在10年以后市场才能饱和并逐渐成熟。因此，中国变频器市场具有广阔的发展空间。,四、国产变频器发展与现状,国内变频器市
16、场2004年品牌市场占有率如右表：,四、国产变频器发展与现状,国产变频器发展总趋势 变频器是运动控制系统中的功率变换器。当今的运动控制系统是包含多种学科的技术领域，总的发展趋势是：驱动的交流化，功率变换器的高频化，控制的数字化、智能化和网络化。因此，变频器作为系统的重要功率变换部件，提供可控的高性能变压变频的交流电源而得到迅猛发展。,四、国产变频器发展与现状,变频器是运动控制系统中的功率变换器。当今的运动控制系统是包含多种学科的技术领域，总的发展趋势是：驱动的交流化，功率变换器的高频化，控制的数字化、智能化和网络化。因此，变频器作为系统的重要功率变换部件，提供可控的高性能变压变频的交流电源而得到迅猛发展。,谢谢大家！,
