交流驱动器的重要性
导语：变频驱动器 （VFDs） 所具有的体积更小、更加智能、效率更高、成本更低的传统已经延续了50年。
变频驱动器 （VFDs） 所具有的体积更小、更加智能、效率更高、成本更低的传统已经延续了50年。随着对其性能要求越来越高，这种发展趋势将更加明显。 在过去50年里，大家可以看到交流变频驱动器（Variable-Frequency Drives, VFDs）的外形尺寸和重量已经有了很明显的变化。但是在这种表象下更加显著的变化是这些电机驱动器所表现出的性能、效率和可靠性的改善。产生这些变化的原因是功率开关晶体管、微处理器、其他硬件及软件功能的提高，这些减少了用户对驱动器应用和维护所需要投入的精力。 早期的交流驱动器是开环运行的，仅有有限的功能。一个重大的进步是1971年Siemens公司的Felix Blaschke开发出用于感应电机的磁场定向（磁通矢量）控制技术，并在其他人的努力下，最终使得变频驱动器在许多应用场合达到或超过了直流驱动器的性能。无速度传感器矢量控制（省去了轴角编码器）和其他驱动算法也随后出现。而且，这些改进仍在不断加速中。 Rockwell Automation公司产品经理William L. Sinner 注意到两大历史性的变化分别影响着变频驱动器的功率和控制这两方面。早期的交流驱动器 （20世纪80年代） 由于晶体管的电压和电流等级有限，每相采用多个晶体管。而如今已变为一体化封装，所以今天一个10马力 （1马力= 0.745kW） 驱动器的体积比过去驱动器中的一个晶体管单元还要小。“为了制造商能开发出更小、更高效的功率设备，新一代晶体管的性能仍然需要继续提高,”Sinner 这样说。绝缘栅双极晶体管 （IGBTs） 仍然是现在主要的功率器件。 在控制方面，模拟控制在最初阶段是占统治地位的，目前正让位于数字控制，尽管数字控制起初只是基于集成电路。Sinner又提到，基于微处理器的数字驱动器在稍晚时间出现，一开始只是提供开环（V/Hz）控制。微处理器单元的继续发展实现了在一台驱动器中加入多种控制模式，只需通过改变软件参数来转换控制模式。 多种控制类型，互连性 多种控制模式代表着变频驱动器领域目前的发展水平。典型的低端驱动器提供V/Hz和无速度传感器矢量控制方式，而高端驱动器起初是采用磁通矢量控制，后来也加入了其他控制模式。例如，Rockwell公司的PowerFlex 700S通过内置的Logix处理器提供几种控制模式，其中包括伺服控制。产品线间的技术移植是另一种趋势，Sinner以低端PowerFlex 70加入矢量控制和一些高端的驱动器采用V/Hz控制为例进行了说明。 为什么高端产品会使用开环控制？Sinner认为，是由于V/Hz变换可以使一台驱动器控制多种不同类型的电机。一种型号的驱动器应用于多种不同的场合有利于降低备件库存。 互连性是当前变频驱动器的另一个重要特征，Rockwell公司所有驱动器都是这样装备的。根据该公司的经验，目前联网的驱动器已经达到使用总数的50%，而且高端单元的使用量还在增加。Sinner说：“在过去的3年中，联网驱动器的百分比已经翻了一番。” Danfoss Drives 公司产品经理Tom Momberger的观点是：“将微处理器技术应用于变频驱动器是今天交流驱动器性能提高的主要原因。”对于物理外形上的改变，他对比了一种1968年生产的典型的模拟型5马力交流驱动器（为使用该驱动器，它的油冷单元需要进行多种不同的手工调整）与当前变频驱动器体积和重量的数字（见Danfoss公司过去的5马力VLT型驱动器照片）。当然，新型的交流驱动器还加入了许多其他特性，例如可通过操作员键盘或计算机进行编程。“微处理器已经使这一切成为可能，” Momberger说。 根据Momberger的观点，灵活性、智能化和友好的用户操作环境是变频驱动器技术发展的特征。灵活性意味着只用一种类型的驱动器即可提供开环、闭环、磁通矢量甚至准伺服（near-servo）控制来满足多种应用。他说：“这种功能通过减少现场库存、操作员培训和备件的成本，降低了驱动器所有者的成本。” 微处理器单元和先进的诊断能力允许使用者智能地配置一台驱动器，因此降低了试运行成本和停工时间。而软件功能，如自动电机适配和软件向导，去除了设置驱动器/电机连接过程中的不确定性。“软件功能中友好的操作界面缩短了设置过程以减少操作员可能的错误，简化了与驱动器的交互”， Momberger解释说。Danfoss公司的新产品FC-302 自动驱动器具有所有这些特征。 PWM、DTC、模块化 在交流驱动器发展的重要里程中，ABB公司见证了工业用基于脉宽调制驱动器的出现和1995年直接转矩控制的引入。 Ilkka Ikonen在芬兰的ABB Oy驱动器市场交流会上提到，ABB公司第一台脉宽调制驱动器的工业安装使用出现于20世纪70年代。造纸厂和地铁的应用为这一重要产品的进步和鲁棒性打下了基础。他说：“这种技术在这些应用中证明了它的可靠性和竞争力后，人们开始接受交流驱动器作为主导控制技术来代替直流驱动器。” ABB公司认为它的直接转矩控制是一种先进的技术，不需要分别控制电压和频率就能够直接控制电机的转矩和转速。更值得一提的是它的快速转矩反应时间和控制精度，“通常比脉宽调制要快10倍。” 直接转矩控制还能优化电机磁通，这样能提高电机和驱动器的总能量利用率。直接转矩控制不用调节器，控制时无需电机轴位置和速度反馈。“采用直接转矩控制，速度为零时转矩可达100%，低频时微转矩增量可在小于1ms的时间内得到控制，” Ikonen说。 如今，ABB的交流驱动器能通过“按订单配置产品”满足多种用户需求，其模块化设计发挥了重要作用。几乎可以满足购买者的所有需求，如交货时间、质量和成本，就好像现货一样。 Bosch Rexroth公司开发的可靠的开关器件和微处理器，使得目前的变频驱动器具有体积更小、效率更高和鲁棒性更强的特点。元件部经理Peter Fischbach说：“基于隔离电源模块的晶闸管或场效应晶体管以及后来出现的绝缘栅双极晶体管，结合正弦脉宽调制控制法，彻底改变了电源部分和散热系统的设计。” [align=center]
图1： Danfoss公司同一系列的变频驱动器在30多年的发展中发生很大变化。 VLT 200包括模拟PWM控制，而VLT 3000起转为数字控制。[/align] IGBT、MPU Rexroth公司在1988年发布了全系列基于IGBT的驱动器产品，其实，该公司的交流驱动业务早在1965年就发展起来了，并于1968年推出了它的第一台高速、机架型工业用变频驱动器，它可使感应打磨电机的运转速度达到180，000rpm。 微处理器单元的发展与持续提高（第二个里程碑）使Rexroth公司于1982年生产出最早的微处理器控制的工业用变频驱动器之一。这种变频驱动器的特征是具有带键盘的点阵LCD操作员模块和菜单指导的设置功能，替代了基于模拟电位计的设置。1989年，更新的发展导致了全系列采用IGBT和磁通矢量控制驱动器的出现。Fischbach说，这些变频驱动器的特点是具有最大起动转矩、改进的低速时转速控制和使用反馈控制，达到并超过了直流驱动器的性能。 Emerson Control Techniques（CT）的驱动器设计工程师Jim Thompson认为，早期的变频驱动器受到了采用可控硅整流器和相当复杂的6步（six-step）控制的限制。“使用可控硅的功率逆变器体积很大，并需要配备复杂的换相电路，其中包括许多电感和电容”他说,“6步输出在电机中产生高次谐波，导致出现不希望的额外发热，而且这种方案不能快速动态的控制电机电流”——需要更高性能的驱动器来解决。 除了提高功率器件的开关速度，IGBT还允许迅速地调整电机的工作电压。“这使带宽相当高的磁场定向控制（矢量控制）成为可行，并能快速、高精度地控制转速（velocity profiling）与定位”， Thompson解释说。电子控制的高成本也限制了早期交流变频驱动器的性能。“数字控制那时并不很实用，主要是由于需要在驱动模块中加入体积巨大的系统级电路（或计算机）辅助装置。”他补充到。 [align=center]
图2：变频驱动技术的进步表现在Rockwell自动化新的2hp的PowerFlex 4驱动器比1985年生产的具有相同功率等级的1332交流驱动器（左）小70%。 PowerFlex 4仅重2.2磅，可以放在手掌中，而1332重量为16.8磅。[/align] Emerson CT认为快速脉宽调制输出是变频驱动器的主要特征，因为它产生的谐波电流最小并能动态的控制电机转矩。配置功能丰富的特点使现代交流驱动器更具特色。典型的可选特点包括调整速度或转矩，接受多种模拟或数字参考电压，反馈速度或转矩，还有控制同步（伺服）和感应电机。根据Thompson的观点，相对的廉价、可扩展选择模块是另外一种受欢迎的特点，其中包括提供额外的I/O端口、反馈或通讯功能。 直流驱动器早期的发展方向是变速电机控制。Yaskawa涉足直流和交流电机领域的研究有很长的历史。Yaskawa美国研发主管Tsuneo Kume博士说，通过采用可控硅和门极可关断功率开关器件实现变压/频控制，使得交流驱动器于20世纪70年代在工业领域有很大进步，根据Yaskawa（和其他一些公司）的资料，变频驱动器主要的工业突破是在钢厂处理和金属电镀的应用。从模拟到数字控制电路的进步也是从那时开始的。 [align=center]
图3：Rexroth公司在1982年生产的PWM变频驱动器是最早的应用微处理器控制的工业用变频驱动器之一。它的数字编程模块包括一个D/A 转换器来提供模拟电压和电流指示。[/align] Kume介绍说，用于造纸机的磁通矢量控制驱动器和机床转轴驱动器随后出现于20世纪70年代末。IGBT成为通用变频驱动器功率器件的选择大约是在1990年。采用集成微处理器单元的数字驱动器很快成为Yaskawa公司的标准，并且无速度传感器矢量控制驱动器随后出现于1995年。 即将到来 展望未来的十年，Rockwell 自动化公司的Sinner认为变频驱动器将变得更加智能化。他说：“扩展辅助启动功能，将允许通过最少的用户参与来配置智能驱动器。”在电机内嵌入芯片，使其自动鉴别驱动器的启动。 更紧密地与控制系统集成也是变频驱动器的发展方向。Sinner比较了众多现有驱动器连接方式和他所说的即将开始的真正的集成。这种真正的集成使驱动器完全成为控制系统编程和配置环境的一部分。“这种功能通过普通的驱动器特征技术移植，继承高端产品，从而生产出低价产品，”他补充到。 Danfoss Drives公司的Momberger预计在工业中分布式驱动器系统的使用量将会增加，这推动了在电机附近（或其上）安装低成本、高可靠性的驱动器的趋势，这样可以不使用长的电机/驱动器连接电缆设备和连接管道盘（conduit trays），以降低安装成本。“此外，分布式驱动器可使由长电机电缆引起的电磁兼容问题最小化，降低了使用昂贵滤波器的成本，”他说。分布式系统由于在变频驱动器中更多的集成了运动控制和可编程逻辑的功能，需求量还将会增长。 其他一些发展还包括更多的使用和以太网兼容的通讯功能，这样可将驱动器应用信息连接到工厂内部广域网络和无线访问驱动器，特别是当这些驱动器用于环境恶劣的场所。“以太网描绘了建立工业标准通讯系统的最佳时机，”Momberger补充说。 同时，Bosch Rexroth公司的Fischbach认为今天可任选的驱动器特征将来会变为必需的，他以大启动转矩、闭环速度和转矩控制、预防性维护和数据与制造控制系统直接连接为主要例证。另外，他还提及到一些将要出现的进步： ·随着能量成本和电网标准的提高，有源驱动器前端（包括谐波抑制）逐渐被接受；·简单的调速发展为可升级、分布式、现场级的具有可编程功能或处理能力的机构/过程控制单元。 [align=center]
图4： ABB公司最新ACS550标准驱动器的直观控制面板内置辅助软件，清晰的多语言显示方便用户使用。[/align] 集成外部功能 根据Emerson CT的说法，未来的变频驱动器将会更多的集成多种外部功能。可编程和运动控制功能现在可以在一台驱动器中以相当低的总系统成本实现。“对于最尖端的系统应用，多数的逻辑和运动控制仍然必须由外围电子设备处理，但我们希望这种情况能很快改变，” Thompson说。“我们希望未来驱动系统的组成部分完全包括在机壳内部，其中有驱动器单元、电源线和限流设备、串行通讯线、人机显示和接口设备。” ABB公司提到对环境影响的日益关注和高能量消耗的问题影响着未来的交流驱动器。它们注定要更广泛地应用于所有行业和发展中的市场，根据ABB的目标，它要提高全球采用变速控制的电机（仅占5%）数量。它还提到了驱动器的体积将会持续缩小，甚至加入了小型化的特征。今后变频驱动器将会有新的、非传统的应用领域——取代其他类型的（或加入到新兴自动化领域）。Yaskawa公司同样也预见到未来的变频驱动器将更多地参与“绿色技术”的发展，特别是可能参与解决高能量消耗和区域性电力短缺的问题。高效和节能显而易见是人们渴望的优点，但是低运行成本、高可靠性和更紧凑的驱动器设计也是人们所期望的。工业和学术界对新型控制拓扑的研究一直在继续，Kume博士解释说，而现存的新型控制技术，如三电平拓扑和矩阵变换器，都将有更广阔的应用领域。 使用三电平拓扑结构的好处包括对电机的浪涌电压较低、漏电流较低和低速时散热管理得到改进。甚至更新型的矩阵变换器也隐约显示出特别的吸引力，如它增强了变频驱动器再生能量的能力和去除了直流总线的电容。矩阵变换器的产品计划于2005年投入市场，应用于可再生能量的场合。 Kume预计今后矢量控制和无速度传感器矢量控制的性能将会提高，尤其是在电机转速接近零时力矩的控制性能。由于受到操作简单和体积与价格的持续降低的推动，变频驱动器的应用领域将会扩展。体积更小意味着更容易集成。“驱动单元会更易于安装在机械设备或电机上，”他说。 Kume总结说，在更远一点的将来，新一代功率器件将对交流驱动器产生重大的影响，碳化硅技术将带来能耗更低和更小型化的可能。 [align=center]
图5: Emerson CT公司Unidrive系列体现了今日交流驱动器的扩展能力。它具有Profibus接口、扩展I/O，以及将驱动器与机器其他部件同步的反馈接口。[/align]
图1： Danfoss公司同一系列的变频驱动器在30多年的发展中发生很大变化。 VLT 200包括模拟PWM控制，而VLT 3000起转为数字控制。[/align] IGBT、MPU Rexroth公司在1988年发布了全系列基于IGBT的驱动器产品，其实，该公司的交流驱动业务早在1965年就发展起来了，并于1968年推出了它的第一台高速、机架型工业用变频驱动器，它可使感应打磨电机的运转速度达到180，000rpm。 微处理器单元的发展与持续提高（第二个里程碑）使Rexroth公司于1982年生产出最早的微处理器控制的工业用变频驱动器之一。这种变频驱动器的特征是具有带键盘的点阵LCD操作员模块和菜单指导的设置功能，替代了基于模拟电位计的设置。1989年，更新的发展导致了全系列采用IGBT和磁通矢量控制驱动器的出现。Fischbach说，这些变频驱动器的特点是具有最大起动转矩、改进的低速时转速控制和使用反馈控制，达到并超过了直流驱动器的性能。 Emerson Control Techniques（CT）的驱动器设计工程师Jim Thompson认为，早期的变频驱动器受到了采用可控硅整流器和相当复杂的6步（six-step）控制的限制。“使用可控硅的功率逆变器体积很大，并需要配备复杂的换相电路，其中包括许多电感和电容”他说,“6步输出在电机中产生高次谐波，导致出现不希望的额外发热，而且这种方案不能快速动态的控制电机电流”——需要更高性能的驱动器来解决。 除了提高功率器件的开关速度，IGBT还允许迅速地调整电机的工作电压。“这使带宽相当高的磁场定向控制（矢量控制）成为可行，并能快速、高精度地控制转速（velocity profiling）与定位”， Thompson解释说。电子控制的高成本也限制了早期交流变频驱动器的性能。“数字控制那时并不很实用，主要是由于需要在驱动模块中加入体积巨大的系统级电路（或计算机）辅助装置。”他补充到。 [align=center] 图2：变频驱动技术的进步表现在Rockwell自动化新的2hp的PowerFlex 4驱动器比1985年生产的具有相同功率等级的1332交流驱动器（左）小70%。 PowerFlex 4仅重2.2磅，可以放在手掌中，而1332重量为16.8磅。[/align] Emerson CT认为快速脉宽调制输出是变频驱动器的主要特征，因为它产生的谐波电流最小并能动态的控制电机转矩。配置功能丰富的特点使现代交流驱动器更具特色。典型的可选特点包括调整速度或转矩，接受多种模拟或数字参考电压，反馈速度或转矩，还有控制同步（伺服）和感应电机。根据Thompson的观点，相对的廉价、可扩展选择模块是另外一种受欢迎的特点，其中包括提供额外的I/O端口、反馈或通讯功能。 直流驱动器早期的发展方向是变速电机控制。Yaskawa涉足直流和交流电机领域的研究有很长的历史。Yaskawa美国研发主管Tsuneo Kume博士说，通过采用可控硅和门极可关断功率开关器件实现变压/频控制，使得交流驱动器于20世纪70年代在工业领域有很大进步，根据Yaskawa（和其他一些公司）的资料，变频驱动器主要的工业突破是在钢厂处理和金属电镀的应用。从模拟到数字控制电路的进步也是从那时开始的。 [align=center] 图3：Rexroth公司在1982年生产的PWM变频驱动器是最早的应用微处理器控制的工业用变频驱动器之一。它的数字编程模块包括一个D/A 转换器来提供模拟电压和电流指示。[/align] Kume介绍说，用于造纸机的磁通矢量控制驱动器和机床转轴驱动器随后出现于20世纪70年代末。IGBT成为通用变频驱动器功率器件的选择大约是在1990年。采用集成微处理器单元的数字驱动器很快成为Yaskawa公司的标准，并且无速度传感器矢量控制驱动器随后出现于1995年。 即将到来 展望未来的十年，Rockwell 自动化公司的Sinner认为变频驱动器将变得更加智能化。他说：“扩展辅助启动功能，将允许通过最少的用户参与来配置智能驱动器。”在电机内嵌入芯片，使其自动鉴别驱动器的启动。 更紧密地与控制系统集成也是变频驱动器的发展方向。Sinner比较了众多现有驱动器连接方式和他所说的即将开始的真正的集成。这种真正的集成使驱动器完全成为控制系统编程和配置环境的一部分。“这种功能通过普通的驱动器特征技术移植，继承高端产品，从而生产出低价产品，”他补充到。 Danfoss Drives公司的Momberger预计在工业中分布式驱动器系统的使用量将会增加，这推动了在电机附近（或其上）安装低成本、高可靠性的驱动器的趋势，这样可以不使用长的电机/驱动器连接电缆设备和连接管道盘（conduit trays），以降低安装成本。“此外，分布式驱动器可使由长电机电缆引起的电磁兼容问题最小化，降低了使用昂贵滤波器的成本，”他说。分布式系统由于在变频驱动器中更多的集成了运动控制和可编程逻辑的功能，需求量还将会增长。 其他一些发展还包括更多的使用和以太网兼容的通讯功能，这样可将驱动器应用信息连接到工厂内部广域网络和无线访问驱动器，特别是当这些驱动器用于环境恶劣的场所。“以太网描绘了建立工业标准通讯系统的最佳时机，”Momberger补充说。 同时，Bosch Rexroth公司的Fischbach认为今天可任选的驱动器特征将来会变为必需的，他以大启动转矩、闭环速度和转矩控制、预防性维护和数据与制造控制系统直接连接为主要例证。另外，他还提及到一些将要出现的进步： ·随着能量成本和电网标准的提高，有源驱动器前端（包括谐波抑制）逐渐被接受；·简单的调速发展为可升级、分布式、现场级的具有可编程功能或处理能力的机构/过程控制单元。 [align=center] 图4： ABB公司最新ACS550标准驱动器的直观控制面板内置辅助软件，清晰的多语言显示方便用户使用。[/align] 集成外部功能 根据Emerson CT的说法，未来的变频驱动器将会更多的集成多种外部功能。可编程和运动控制功能现在可以在一台驱动器中以相当低的总系统成本实现。“对于最尖端的系统应用，多数的逻辑和运动控制仍然必须由外围电子设备处理，但我们希望这种情况能很快改变，” Thompson说。“我们希望未来驱动系统的组成部分完全包括在机壳内部，其中有驱动器单元、电源线和限流设备、串行通讯线、人机显示和接口设备。” ABB公司提到对环境影响的日益关注和高能量消耗的问题影响着未来的交流驱动器。它们注定要更广泛地应用于所有行业和发展中的市场，根据ABB的目标，它要提高全球采用变速控制的电机（仅占5%）数量。它还提到了驱动器的体积将会持续缩小，甚至加入了小型化的特征。今后变频驱动器将会有新的、非传统的应用领域——取代其他类型的（或加入到新兴自动化领域）。Yaskawa公司同样也预见到未来的变频驱动器将更多地参与“绿色技术”的发展，特别是可能参与解决高能量消耗和区域性电力短缺的问题。高效和节能显而易见是人们渴望的优点，但是低运行成本、高可靠性和更紧凑的驱动器设计也是人们所期望的。工业和学术界对新型控制拓扑的研究一直在继续，Kume博士解释说，而现存的新型控制技术，如三电平拓扑和矩阵变换器，都将有更广阔的应用领域。 使用三电平拓扑结构的好处包括对电机的浪涌电压较低、漏电流较低和低速时散热管理得到改进。甚至更新型的矩阵变换器也隐约显示出特别的吸引力，如它增强了变频驱动器再生能量的能力和去除了直流总线的电容。矩阵变换器的产品计划于2005年投入市场，应用于可再生能量的场合。 Kume预计今后矢量控制和无速度传感器矢量控制的性能将会提高，尤其是在电机转速接近零时力矩的控制性能。由于受到操作简单和体积与价格的持续降低的推动，变频驱动器的应用领域将会扩展。体积更小意味着更容易集成。“驱动单元会更易于安装在机械设备或电机上，”他说。 Kume总结说，在更远一点的将来，新一代功率器件将对交流驱动器产生重大的影响，碳化硅技术将带来能耗更低和更小型化的可能。 [align=center] 图5: Emerson CT公司Unidrive系列体现了今日交流驱动器的扩展能力。它具有Profibus接口、扩展I/O，以及将驱动器与机器其他部件同步的反馈接口。[/align]
