经过大约30年的R&D和应用实践,随着新型电力电子器件和高性能微处理器的应用以及控制技术的发展,变频器的性价比越来越高,体积越来越小。然而,制造商仍在努力不断提高可靠性,实现变频器的进一步小型化、轻量化、高性能、多功能和无污染。变频器的性能取决于其输出交流电压谐波对电机的影响,对电网和输入功率因数的谐波污染,以及自身的能量损耗(即效率)。这里以数量大、范围广的交-DC-交变频器为例,说明其发展趋势:
1.主电路功率开关元件自关断、模块化、集成化、智能化,开关频率不断提高,开关损耗进一步降低。
2.变频器主电路拓扑结构:
变频器的网侧变换器对于低压小容量设备通常采用6脉波变换器,对于中压大容量设备则采用12脉波以上的多个变换器。负载侧变流器通常对低压小容量设备采用两电平桥式逆变器,而对中压大容量设备采用多电平逆变器。对于四象限驱动,为了实现逆变器回馈电网的再生能量,节约能源,网侧变流器应该是可逆变流器,同时出现了具有双向功率流的双PWM变流器。适当控制网侧变流器可以使输入电流接近正弦波,减少对电网的公害。目前低压和中压变频器都有这样的产品。
3.PWM变压逆变器的控制方法可以采用正弦波脉宽调制(SPWM)控制、消除指定谐波的PWM控制、电流跟踪控制和电压空间矢量控制(磁链跟踪控制)。
4.交流电机变频控制方法的进步主要体现在从标量控制发展到具有高动态性能的矢量控制和直接转矩控制以及无速度传感器矢量控制和直接转矩控制系统的发展。
5.微处理器的进步使得数字控制成为现代控制器的发展方向:运动控制系统是一个快速的系统,特别是交流电机的高性能控制需要快速、实时地存储各种数据和处理大量信息。近年来,国外各大公司都推出了以DSP(数字信号处理器)为核心,配以电机控制所需的外围功能电路。DSP单片电机控制器集成在单个芯片上,大大降低了价格,缩小了体积,结构紧凑,使用方便,提高了可靠性。与普通单片机相比,DSP的处理能力提高了10 ~ 15倍,从而保证了系统具有优越的控制性能。
数字控制简化了硬件,灵活的控制算法使控制具有很大的灵活性,实现了复杂的控制规则,使现代控制理论在运动控制系统中的应用成为现实,易于与上层系统连接进行数据传输,便于故障诊断,加强了保护和监控功能,使系统智能化(如部分变频器具有自调节功能)。
6.交流同步电机已经成为交流调速领域的一颗新星,尤其是永磁同步电机。电机采用无刷结构,功率因数高,效率高,转子转速与工频严格同步。同步电机变频调速系统有独立变频和自动变频两大类。原则上,自控式同步电动机与DC电动机非常相似,因为DC电动机的机械换向器被电力电子变换器所取代。例如,当使用交流-DC-交流电压转换器时,它被称为“DC无换向器电机”或“无刷DC电机”。