變頻驅動器 （VFDs） 所具有的體積更小、更加智能、效率更高、成本更低的傳統已經延續了50年。隨著對其性能要求越來越高，這種發展趨勢將更加明顯。 在過去50年里，大家可以看到交流變頻驅動器（Variable-Frequency Drives, VFDs）的外形尺寸和重量已經有了很明顯的變化。但是在這種表象下更加顯著的變化是這些電機驅動器所表現出的性能、效率和可靠性的改善。產生這些變化的原因是功率開關晶體管、微處理器、其他硬件及軟件功能的提高，這些減少了用戶對驅動器應用和維護所需要投入的精力。 　　 早期的交流驅動器是開環運行的，僅有有限的功能。一個重大的進步是1971年Siemens公司的Felix Blaschke開發出用于感應電機的磁場定向（磁通矢量）控制技術，并在其他人的努力下，最終使得變頻驅動器在許多應用場合達到或超過了直流驅動器的性能。無速度傳感器矢量控制（省去了軸角編碼器）和其他驅動算法也隨后出現。而且，這些改進仍在不斷加速中。 　　 Rockwell Automation公司產品經理William L. Sinner 注意到兩大歷史性的變化分別影響著變頻驅動器的功率和控制這兩方面。早期的交流驅動器 （20世紀80年代） 由于晶體管的電壓和電流等級有限，每相采用多個晶體管。而如今已變為一體化封裝，所以今天一個10馬力 （1馬力= 0.745kW） 驅動器的體積比過去驅動器中的一個晶體管單元還要小。“為了制造商能開發出更小、更高效的功率設備，新一代晶體管的性能仍然需要繼續提高,”Sinner 這樣說。絕緣柵雙極晶體管 （IGBTs） 仍然是現在主要的功率器件。 　　 在控制方面，模擬控制在最初階段是占統治地位的，目前正讓位于數字控制，盡管數字控制起初只是基于集成電路。Sinner又提到，基于微處理器的數字驅動器在稍晚時間出現，一開始只是提供開環（V/Hz）控制。微處理器單元的繼續發展實現了在一臺驅動器中加入多種控制模式，只需通過改變軟件參數來轉換控制模式。 　　 多種控制類型，互連性 　　 多種控制模式代表著變頻驅動器領域目前的發展水平。典型的低端驅動器提供V/Hz和無速度傳感器矢量控制方式，而高端驅動器起初是采用磁通矢量控制，后來也加入了其他控制模式。例如，Rockwell公司的PowerFlex 700S通過內置的Logix處理器提供幾種控制模式，其中包括伺服控制。產品線間的技術移植是另一種趨勢，Sinner以低端PowerFlex 70加入矢量控制和一些高端的驅動器采用V/Hz控制為例進行了說明。 　　 為什么高端產品會使用開環控制？Sinner認為，是由于V/Hz變換可以使一臺驅動器控制多種不同類型的電機。一種型號的驅動器應用于多種不同的場合有利于降低備件庫存。 　　 互連性是當前變頻驅動器的另一個重要特征，Rockwell公司所有驅動器都是這樣裝備的。根據該公司的經驗，目前聯網的驅動器已經達到使用總數的50%，而且高端單元的使用量還在增加。Sinner說：“在過去的3年中，聯網驅動器的百分比已經翻了一番。” 　　 Danfoss Drives 公司產品經理Tom Momberger的觀點是：“將微處理器技術應用于變頻驅動器是今天交流驅動器性能提高的主要原因。”對于物理外形上的改變，他對比了一種1968年生產的典型的模擬型5馬力交流驅動器（為使用該驅動器，它的油冷單元需要進行多種不同的手工調整）與當前變頻驅動器體積和重量的數字（見Danfoss公司過去的5馬力VLT型驅動器照片）。當然，新型的交流驅動器還加入了許多其他特性，例如可通過操作員鍵盤或計算機進行編程。“微處理器已經使這一切成為可能，” Momberger說。 　　 根據Momberger的觀點，靈活性、智能化和友好的用戶操作環境是變頻驅動器技術發展的特征。靈活性意味著只用一種類型的驅動器即可提供開環、閉環、磁通矢量甚至準伺服（near-servo）控制來滿足多種應用。他說：“這種功能通過減少現場庫存、操作員培訓和備件的成本，降低了驅動器所有者的成本。” 　　 微處理器單元和先進的診斷能力允許使用者智能地配置一臺驅動器，因此降低了試運行成本和停工時間。而軟件功能，如自動電機適配和軟件向導，去除了設置驅動器/電機連接過程中的不確定性。“軟件功能中友好的操作界面縮短了設置過程以減少操作員可能的錯誤，簡化了與驅動器的交互”， Momberger解釋說。Danfoss公司的新產品FC-302 自動驅動器具有所有這些特征。 　　 PWM、DTC、模塊化 　　 在交流驅動器發展的重要里程中，ABB公司見證了工業用基于脈寬調制驅動器的出現和1995年直接轉矩控制的引入。 　　 Ilkka Ikonen在芬蘭的ABB Oy驅動器市場交流會上提到，ABB公司第一臺脈寬調制驅動器的工業安裝使用出現于20世紀70年代。造紙廠和地鐵的應用為這一重要產品的進步和魯棒性打下了基礎。他說：“這種技術在這些應用中證明了它的可靠性和競爭力后，人們開始接受交流驅動器作為主導控制技術來代替直流驅動器。” 　　 ABB公司認為它的直接轉矩控制是一種先進的技術，不需要分別控制電壓和頻率就能夠直接控制電機的轉矩和轉速。更值得一提的是它的快速轉矩反應時間和控制精度，“通常比脈寬調制要快10倍。” 直接轉矩控制還能優化電機磁通，這樣能提高電機和驅動器的總能量利用率。直接轉矩控制不用調節器，控制時無需電機軸位置和速度反饋。“采用直接轉矩控制，速度為零時轉矩可達100%，低頻時微轉矩增量可在小于1ms的時間內得到控制，” Ikonen說。 　　 如今，ABB的交流驅動器能通過“按訂單配置產品”滿足多種用戶需求，其模塊化設計發揮了重要作用。幾乎可以滿足購買者的所有需求，如交貨時間、質量和成本，就好像現貨一樣。 　　 Bosch Rexroth公司開發的可靠的開關器件和微處理器，使得目前的變頻驅動器具有體積更小、效率更高和魯棒性更強的特點。元件部經理Peter Fischbach說：“基于隔離電源模塊的晶閘管或場效應晶體管以及后來出現的絕緣柵雙極晶體管，結合正弦脈寬調制控制法，徹底改變了電源部分和散熱系統的設計。” [align=center] 圖1： Danfoss公司同一系列的變頻驅動器在30多年的發展中發生很大變化。 VLT 200包括模擬PWM控制，而VLT 3000起轉為數字控制。[/align] IGBT、MPU 　　 Rexroth公司在1988年發布了全系列基于IGBT的驅動器產品，其實，該公司的交流驅動業務早在1965年就發展起來了，并于1968年推出了它的第一臺高速、機架型工業用變頻驅動器，它可使感應打磨電機的運轉速度達到180，000rpm。 微處理器單元的發展與持續提高（第二個里程碑）使Rexroth公司于1982年生產出最早的微處理器控制的工業用變頻驅動器之一。這種變頻驅動器的特征是具有帶鍵盤的點陣LCD操作員模塊和菜單指導的設置功能，替代了基于模擬電位計的設置。1989年，更新的發展導致了全系列采用IGBT和磁通矢量控制驅動器的出現。Fischbach說，這些變頻驅動器的特點是具有最大起動轉矩、改進的低速時轉速控制和使用反饋控制，達到并超過了直流驅動器的性能。 　　 Emerson Control Techniques（CT）的驅動器設計工程師Jim Thompson認為，早期的變頻驅動器受到了采用可控硅整流器和相當復雜的6步（six-step）控制的限制。“使用可控硅的功率逆變器體積很大，并需要配備復雜的換相電路，其中包括許多電感和電容”他說,“6步輸出在電機中產生高次諧波，導致出現不希望的額外發熱，而且這種方案不能快速動態的控制電機電流”——需要更高性能的驅動器來解決。 　　 除了提高功率器件的開關速度，IGBT還允許迅速地調整電機的工作電壓。“這使帶寬相當高的磁場定向控制（矢量控制）成為可行，并能快速、高精度地控制轉速（velocity profiling）與定位”， Thompson解釋說。電子控制的高成本也限制了早期交流變頻驅動器的性能。“數字控制那時并不很實用，主要是由于需要在驅動模塊中加入體積巨大的系統級電路（或計算機）輔助裝置。”他補充到。 [align=center] 圖2：變頻驅動技術的進步表現在Rockwell自動化新的2hp的PowerFlex 4驅動器 比1985年生產的具有相同功率等級的1332交流驅動器（左）小70%。 PowerFlex 4僅重2.2磅，可以放在手掌中，而1332重量為16.8磅。[/align] Emerson CT認為快速脈寬調制輸出是變頻驅動器的主要特征，因為它產生的諧波電流最小并能動態的控制電機轉矩。配置功能豐富的特點使現代交流驅動器更具特色。典型的可選特點包括調整速度或轉矩，接受多種模擬或數字參考電壓，反饋速度或轉矩，還有控制同步（伺服）和感應電機。根據Thompson的觀點，相對的廉價、可擴展選擇模塊是另外一種受歡迎的特點，其中包括提供額外的I/O端口、反饋或通訊功能。 　　 直流驅動器早期的發展方向是變速電機控制。Yaskawa涉足直流和交流電機領域的研究有很長的歷史。Yaskawa美國研發主管Tsuneo Kume博士說，通過采用可控硅和門極可關斷功率開關器件實現變壓/頻控制，使得交流驅動器于20世紀70年代在工業領域有很大進步，根據Yaskawa（和其他一些公司）的資料，變頻驅動器主要的工業突破是在鋼廠處理和金屬電鍍的應用。從模擬到數字控制電路的進步也是從那時開始的。 [align=center] 圖3：Rexroth公司在1982年生產的PWM變頻驅動器是最早的應用微處理器控制 的工業用變頻驅動器之一。它的數字編程模塊包括一個D/A 轉換器來提供 模擬電壓和電流指示。[/align] Kume介紹說，用于造紙機的磁通矢量控制驅動器和機床轉軸驅動器隨后出現于20世紀70年代末。IGBT成為通用變頻驅動器功率器件的選擇大約是在1990年。采用集成微處理器單元的數字驅動器很快成為Yaskawa公司的標準，并且無速度傳感器矢量控制驅動器隨后出現于1995年。 　　 即將到來 　　 展望未來的十年，Rockwell 自動化公司的Sinner認為變頻驅動器將變得更加智能化。他說：“擴展輔助啟動功能，將允許通過最少的用戶參與來配置智能驅動器。”在電機內嵌入芯片，使其自動鑒別驅動器的啟動。 　　 更緊密地與控制系統集成也是變頻驅動器的發展方向。Sinner比較了眾多現有驅動器連接方式和他所說的即將開始的真正的集成。這種真正的集成使驅動器完全成為控制系統編程和配置環境的一部分。“這種功能通過普通的驅動器特征技術移植，繼承高端產品，從而生產出低價產品，”他補充到。 　　 Danfoss Drives公司的Momberger預計在工業中分布式驅動器系統的使用量將會增加，這推動了在電機附近（或其上）安裝低成本、高可靠性的驅動器的趨勢，這樣可以不使用長的電機/驅動器連接電纜設備和連接管道盤（conduit trays），以降低安裝成本。“此外，分布式驅動器可使由長電機電纜引起的電磁兼容問題最小化，降低了使用昂貴濾波器的成本，”他說。分布式系統由于在變頻驅動器中更多的集成了運動控制和可編程邏輯控制器的功能，需求量還將會增長。 　　 其他一些發展還包括更多的使用和以太網兼容的通訊功能，這樣可將驅動器應用信息連接到工廠內部廣域網絡和無線訪問驅動器，特別是當這些驅動器用于環境惡劣的場所。“以太網描繪了建立工業標準通訊系統的最佳時機，”Momberger補充說。 　　 同時，Bosch Rexroth公司的Fischbach認為今天可任選的驅動器特征將來會變為必需的，他以大啟動轉矩、閉環速度和轉矩控制、預防性維護和數據與制造控制系統直接連接為主要例證。另外，他還提及到一些將要出現的進步： 　　·隨著能量成本和電網標準的提高，有源驅動器前端（包括諧波抑制）逐漸被接受； 　　·簡單的調速控制器發展為可升級、分布式、現場級的具有可編程控制器功能或處理能力的機構/過程控制單元。 [align=center] 圖4： ABB公司最新ACS550標準驅動器的直觀控制面板內置輔助軟件， 清晰的多語言顯示方便用戶使用。[/align] 集成外部功能 　　 根據Emerson CT的說法，未來的變頻驅動器將會更多的集成多種外部功能。可編程控制器和運動控制功能現在可以在一臺驅動器中以相當低的總系統成本實現。“對于最尖端的系統應用，多數的邏輯和運動控制仍然必須由外圍電子設備處理，但我們希望這種情況能很快改變，” Thompson說。“我們希望未來驅動系統的組成部分完全包括在機殼內部，其中有驅動器單元、電源線和限流設備、串行通訊線、人機顯示和接口設備。” ABB公司提到對環境影響的日益關注和高能量消耗的問題影響著未來的交流驅動器。它們注定要更廣泛地應用于所有行業和發展中的市場，根據ABB的目標，它要提高全球采用變速控制的電機（僅占5%）數量。它還提到了驅動器的體積將會持續縮小，甚至加入了小型化的特征。今后變頻驅動器將會有新的、非傳統的應用領域——取代其他類型的控制器（或加入到新興自動化領域）。Yaskawa公司同樣也預見到未來的變頻驅動器將更多地參與“綠色技術”的發展，特別是可能參與解決高能量消耗和區域性電力短缺的問題。高效和節能顯而易見是人們渴望的優點，但是低運行成本、高可靠性和更緊湊的驅動器設計也是人們所期望的。工業和學術界對新型控制拓撲的研究一直在繼續，Kume博士解釋說，而現存的新型控制技術，如三電平拓撲和矩陣變換器，都將有更廣闊的應用領域。 　　 使用三電平拓撲結構的好處包括對電機的浪涌電壓較低、漏電流較低和低速時散熱管理得到改進。甚至更新型的矩陣變換器也隱約顯示出特別的吸引力，如它增強了變頻驅動器再生能量的能力和去除了直流總線的電容。矩陣變換器的產品計劃于2005年投入市場，應用于可再生能量的場合。 　　 Kume預計今后矢量控制和無速度傳感器矢量控制的性能將會提高，尤其是在電機轉速接近零時力矩的控制性能。由于受到操作簡單和體積與價格的持續降低的推動，變頻驅動器的應用領域將會擴展。體積更小意味著更容易集成。“驅動單元會更易于安裝在機械設備或電機上，”他說。 　　 Kume總結說，在更遠一點的將來，新一代功率器件將對交流驅動器產生重大的影響，碳化硅技術將帶來能耗更低和更小型化的可能。 [align=center] 圖5: Emerson CT公司Unidrive系列體現了今日交流驅動器的擴展能力。 它具有Profibus接口、擴展I/O，以及將驅動器與機器其他部件同步的反饋接口。[/align]