一文了解交流调速系统的发展现状及趋势-电子发烧友网

随着电力电子器件的发展，以及对效率的追求，交流调速得到快速发展，加上新技术、新理论不断渗透到交流调速之中，使其不断呈现新的面貌。本文主要介绍交流调速系统的发展现状及趋势，首先介绍了现代交流调速技术的发展，其次介绍了现代交流调速系统的类型及交流调速系统之国内外发展，最后阐述了交流调速系统的发展趋势，具体的跟随小编一起来了解一下。

一、现代交流调速技术的发展

现代交流调速的法阵可分为几个阶段20 世纪60 年代中期，德国的ASchonung 等人率先提出了脉宽调制变频的思想，他们把通信系统中的调制技术推广应用于变频调速中，为现代交流调速技术的发展和实用化开辟了新的道路。从此，交流调速理论及应用技术大致沿下述四个方面发展。

（1）电力电子器件的蓬勃发展

电力电子器件是现代交流调速装置的支柱，其发展直接决定和影响交流调速技术的发展。迄今为止，电力电子器件的发展经历了分立换流关断器件（第一代）→自关断器件（第二代）→功率集成电路 PIC （第三代）→智能模块IPM （第四代）四个阶段。

20 世纪80 年代中期以前，变频装置功率回路主要采用晶闸管元件。装置的效率、可靠性、成本、体积均无法与同容量的直流调速装置相比。

20 世纪80 年代中期以后用第二代电力电子器件GTR （Giant Transistor）、GTO （Gate TurnOff thyistor）、VDMOS-IGBT（Insulated GateBipolar Transis2 tor）等创造的变频装置在性能与价格比上可以与直流调速装置相媲美。随着向大电流、高电压、高频化、集成化、模块化方向继续发展，第三代电力电子器件是20 世纪90 年代制造变频器的主流产品，中、小功率的变频调速装置（1-100kw）主要是采用IGBT，中、大功率的变频调速装置（1000-10000kw）采用GTO 器件。

20 世纪90 年代至今，电力电子器件的发展进入了第四代。主要实用的第四代器件为：

（1）高压IGBT 器件

（2） IGCT （Insulated Gate Controlled。由于GTR、GTO 器件本身存在的不可克服的缺陷，功率器件进入第三代以来，GTR 器件已被淘汰不再使用。

进入第四代后，GTO 器件也将被逐步淘汰。第四代电力电子器件模块化更为成熟。如智能化模块IPM、专用功率器件模块ASPM 等。模块化功率器件将是21世纪主宰器件。需要指出的是，以上所述的全控型开关功率器件主要应用于异步电动机变频调速系统中，其原因众所周知。但是目前同步电动机变频调速系统中仍采用晶闸管，其原因也是众所周知的。一代电力电子器件带来一代变频调速装置，性价比一代高过一代。在人类社会进入信息化时代后，电力电子技术连同电力传动控制与计算机技术一起仍是21世纪最重要的两大技术。电压或电流中的谐波分量，从而降低或消除了变频调速时电机的转矩脉动，提高了电机的工作效率，扩大了调速系统的调速范围。

（2）脉宽调制（PWM）技术

脉宽调制（PWM）技术种类很多，并且正在不断发展之中。基本上可分为四类，即等宽PWM 法、正弦PWM 法（SPWM）、磁链追踪型PWM 法及电流跟踪型PWM 法。PWM 技术的应用克服了相控原理的所有弊端，使交流电动机定子得到了接近正弦波形的电压和电流，提高了电机的功率因数和输出功率。现代PWM 生成电路大多采用具有高度输出口HSO 的单片机（如80196）及数字信号处理器 DSP （DigitalSignal Processor），通过软件编程生成PWM。近年来，新型全数字化专用PWM 生成芯片HEF4752 SLE4520 MA818 等达到实用化，并已实际应用。

（3）矢量变换控制技术及直接转矩控制技术

众所周知，直流电动机双闭环调速系统具有优良的静、动态调速特性，其根本原因在于作为控制对象的他励直流电动机电磁转矩能够容易而灵活地进行控制。而交流电动机是个多变量、非线性、强藕合的被控对象，作为变频系统的控制对象一它是否可以模仿直流电动机转矩控制规律而加以控制呢。1975 年，德国学者F Blaschke 提出了矢量变换控制原理，成功地解决了交流电动机电磁转矩的有效控制，在定向于转子磁通的基础上，采用参数重构和状态重构的现代控制理论概念实现了交流电动机定子电流的励磁分量和转矩分量之间的解藕，实现了将交流电动机的控制过程等效为直流电动机的控制过程，在理论上实现了重大突破，从而使得交流调速的动态和静态性能完全可能同直流传动系统相媲美。矢量控制的关键是静止坐标轴与旋转坐标轴系之间的坐标接转矩控制也是一种很有前途的控制技术。目前，采用IG2 BT、IGCT 的直接转矩控制方式的变频调速装置已广泛应用于工业生产及交通运输部门中。

（4）微型计算机控制技术

随着微机控制技术，特别是以单片微机及数字信号处理器DSP 为控制核心的微机控制技术的迅速发展，现代交流调速系统的控制回路由模拟控制迅速走向数字控制。当今模拟控制器已被淘汰，全数字化的交流调速系统已普遍得到应用。数字化使得控制器对信息处理能力大幅度提高，许多难以实现的复杂控制，如矢量控制中的复杂坐标变换运算、解藕控制、滑模变结构控制、参数辨识的自适应控制等，采用微机控制器后便都解决了。高性能的矢量控制系统如果没有微机的支持是不可能真正实现的。此外，微机控制技术又给交流调速系统增加了多方面的功能，特别是故障诊断技术得到了完全的实现。

微机控制技术的应用提高了交流调速系统的可靠性和操作、设置的多样性和灵活性，降低了变频调速装置的成本和体积。以微处理器为核心的数字控制已成为现代交流调速系统的主要特征之一。用于交流调速系统的微处理器的发展经历了单片机（MCS）一数字信号处理器（DSP）-精简指令集计算机（ReducedInstruction Set ComputerRISC）三个阶段。

二、现代交流调速系统的类型

现代交流调速系统由交流电动机，电力电子功率交换器，控制器和检测器等四大部分组成。电力电子功率变换器，控制器，电量检测器集中于一体，称为变频器（变频调速装置）。交流电机的不同，繁衍出不同的交流调速系统。因此现代交流调速系统可分为异步电动机调速系统和同步电动机调速系统。目前较为常用的三种方案，他们是异步电动机交流调速系统：

（1）异步电动机交流调速系统。

（2）开关磁阻电动机的交流调速系统

（3）同步电动机调速系统。

三、交流调速系统之国内外发展

长期以来，我国的传动技术特别是交流调速技术与国外发达国家存在着较大的差距，但自改革开发以来，这一技术得到了迅速的发展，并以极快的速度赶了上来。

我国在应用变频调速技术上目前虽说尚处于初级阶段，但其发展速度逐年增长较快，国家已将该项技术列为“八五”重点攻关和推广项目。这将加快交流调速在我国的普及应用。目前国内变频调速技术产业状况如下：

（1）变频器的控制策略的基础研究与国外差距不大;

（2）变频器的整体技术落后，国内虽有很多单位投入了一定的人力、物力、但由于力量分散，并没有形成一定的技术和生产规模;

（3）变频器产品所用的半导体功率器件的制造业几乎是空白;

（4）相关配套产业及行业落后;

（5）产销量少，可靠性及工艺水平不高。

交流变频调速技术在工业发达国已得到广泛应用。美国有60%- 65%的发电量用于电机驱动，由于有效地利用了变频调速技术，仅工业传动用电就节约了15%一20%的电量。国外在高性能大容量交流电机传动技术的研究和应用上远远走在我们前面，已有更高级别的高压逆变器产品大量投入市场，并应用于电力机车、船舰电力推进、轧钢、造纸及供水等系统中，交流电机变频调速技术及其产品已成为一些工业发达国家的先导产业。目前，国外先进的工业国家生产直流传动的装置基本呈下降趋势，而交流变频调速装置的生产大幅度上升。以日本为例，1975 年在调速领域，直流占80%，交流占20%; 1985 年交流占80%，直流占20%。到目前为止，日本除了个别的地方还继续采用直流电机驱动外，几乎所有的调速系统都采用交流变频装置。发达国家依靠他们强大的科技实力把变频技术推向小型化、高可靠性、抗公害、多功能、高性能等方向发展。

四、交流调速系统的发展趋势

1、高性能化。产品将普遍采用矢量控制技术，提高调速性能，达到和超过直流调速系统水平。矢量变换控制是一种新的控制理论和控制技术，他的想法是设法模拟直流电动机的控制特点来进行交流电动机的控制。

2、全控型大功率快速电力电子器件的发展为现代化的变频装置提供物质保证。

交流电动机调速技术的发展是和电力电子技术的发展是分不开的，1957 年世界上出现了电力半导体器件的晶闸管，为交流电动机调速系统的发展开辟了道路。

3、脉宽调制技术的发展与应用使变频装置性能优化，可以适用于各类交流电机。

1964 年德国的 A.Schonung 等率先提出了脉宽调制变频的思想，即把通讯系统的脉宽调制技术（简称PWM 技术）应用于交流电气传动.PWM 型逆变器具有输入功率因数高和输出波形好的特点。

正炫波脉宽调制（SPWM）是最常用的一种调制方法，共调制脉冲的特点是在半周期内等距、等幅、不等宽，并且是中间宽两边窄，各脉冲面积之和与正弦波的下的面积成比例。新的脉宽调制（CNPWM）上把半个周期分成三等份，前60脉冲P与后60脉冲判断调制方法同SPWM，但中间60 脉冲等于前面及后面脉冲之和，即Pz=P1+P，这样变提高了开关频率，成份也随之降低。

4、控制系统硬件由模拟技术转向数字技术，微型计算机在性能、速度、降格、体积等方面的发展为交流电动机调速理论的现实化提供了最重要的保证。