变频调速技术的进展
近年来随着电力电子技术、计算机技术、自动控制理论三者的迅速发展，变频调速已得到了越来越广泛的应用。进入21世纪后，这三者相结合的趋势更为明显。总结这些技术的进展，有助于了解并追踪变频调速技术领域中的最新技术和信息，以把握行业的发展方向。
当今变频调速技术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。
使用变频器应主要考虑以下技术规格和技术参数：
各厂家生产的变频器的型号多是系列号和容量的组合，通过对型号和规格得了解，可以确认该厂家生产的品种，对用户来说，不一定会使用到全系列的变频器，但可以从型号、规格、所采用的功率元件、控制技术等方面判断厂家的实力和生产态势，甚至可以从一个方面判断其产品质量。产品品种齐全，容量覆盖范围大，功率元件及控制技术先进的厂家，一般来说其实力强，生产态势好，产品质量一般来说也会有较好的保障。
变频器效率的高低，直接关系到变频器调速节能的多少，因为在变频器运行时，变频器本体也要消耗一部分电能。一般来说直接高压变频器的效率都可达到0.97~0.98,而高-低-高式高压变频器由于多一个变压器的损耗，使其系统效率有所降低。
在整个调速范围内，功率因数的变化是一项重要指标。最好是在整个调速范围内功率因数都保持在0.95以上，以使其符合国家标准GB3485-83的标准，这只有电压型变频器和IGBT单相变频器串联的高压变频器能够满足此项规定。而电流型变频器较难满足这项要求。
国家对电网谐波有严格要求。限制用户非线性谐波设备注入电网的谐波电流，是限制电网电压正弦波畸变的关键。所用的高压变频器的谐波(即装置对电网产生的谐波)必须符合国标GB/T14549-93“电能质量、公用电网谐波”的规定，在国际上要符合IEEE-519标准的规定。对于电流型变频器如采用六脉冲整流，则5次、7次谐波都超过了这个标准，应采用12脉冲整流或附加谐波补偿措施。
变频器输出容量以kVA或kW表示，它代表可以供给电动机的输出功率。用kW表示时，一般以四极标准电机为基础考虑;用kVA表示，需进行核算。额定输出电流是在额定电压下变频器能够连续输出的电流值。在以输出容量为标准选择了变频器以后，还应对额定输出电流进行核算，以使电动机的额定电流不要超过变频器的额定输出电流。
由最低使用频率和最高频率定义调速范围。最低使用频率的意思与起动频率不同。起动频率很小时，并不一定能使电机从该频率起动。变频器要对最高频率设定，对风机、水泵的最高频率应设定(即箝位)在50Hz，所有的变频器都可满足这个要求，在选择变频器时可不作考虑，但使用中需注意此点。
供给变频器的电源容量应足够大，电源电压变化范围应在变频器允许的范围。用户在选择变频器时应根据自己电网容量及电网电压的变化情况，对变频器进行选择。曾有一个矿山因电压波动范围超过了变频器的允许范围，而使变频器不能正常应用。
变频器样本中一般表明其保护功能，这是为了检测出变频器的异常情况和防止外部原因及内部异常对变频器造成损害，保护变频器正常运行和变频器安全可靠。因此保护种类是否齐全、完善，从一个方面反映变频器质量和运行的安全可靠性。
在变频调速技术的研究与制造过程中，硬件设计与组装占了相当大的比重。变频调速装置的制造需要大批技术熟练的工人，对人员的素质有一定要求。国外相关产业的人工成本相对较高，在近10年内，变频调速的制造业已经向发展中国家转移。现在我国已约有200家公司、工厂和研究所从事变频调速技术工作。国产变频器的销售额增长较快，且已有几个年销售额上亿的企业[5]。对中国来说，这也是一个机遇，如果抓住这个机会，再利用本身的市场有利条件，有可能在我国形成变频调速技术的制造业中心，使我国工业上一个新台阶。
随着新型电力电子器件和高性能微处理器的应用及控制技术的发展，变频器的性能价格比越来越高，体积也越来越小，而厂家仍在不断提高可靠性，实现变频器的进一步小型轻量化、高性能化和多功能化以及无公害化。因此，为了加快国内变频调速技术的发展，需对国际变频调速技术的进展有一个全面的了解。
主电路功率元件技术的进展指开关元件的自关断化、模块化、集成化和智能化，开关频率不断提高，开关损耗将进一步降低。据统计，目前变频调速中的主电路功率元件，在容量1500kW以下的大都采用IGBT，1000～7500kW大都采用GTO。1975年前后，还是普通晶闸管（SCR）一统天下，如今发生了巨大的变化[1]。
主电路功率元件是变频调速技术发展最重要的物质基础，主电路功率元件技术的迅猛发展，促使变频调速技术水平有了突破性的提高。没有功率元件技术的发展，就没有今天的高水平变频调速技术。主电路功率元件，相当于信号电路中的A/D采样，称之为功率采样，器件的工作过程就是能量过渡过程，其可靠性决定了系统的可靠性。目前，根据可控程度，主电路功率元件分成四代产品：
上世纪50年代，美国通用电气公司发明的硅晶闸管问世，它标志着电力电子技术的开端。此后，晶闸管（SCR）的派生器件越来越多，到了上世纪70年代，已派生了快速晶闸管、逆导晶闸管、双向晶闸管、不对称晶闸管等半控型器件，且功率越来越大，性能日益完善。但因晶闸管本身工作频率较低，一般低于400Hz，大大限制了它的应用。此外，关断这些器件，需要强迫换相电路，使得整体重量和体积增大，效率和可靠性降低。目前，国内生产的电力电子器件仍以晶闸管为主。
随着关键技术的突破以及需求的发展，早期的小功率、低频、半控型器件发展到了现在的超大功率、高频、全控型器件。由于全控型器件能控制开通和关断，大大提高了开关控制的灵活性。自上世纪70年代后期以来，可关断晶闸管（GTO）、电力晶体管（GTR或BJT）及其模块相继实用化。
上世纪80年代末和90年代初发展起来的功率半导体复合器件，以功率MOSFET和IGBT为代表，集高频、高压和大电流等特性于一身，它表明了传统电力电子技术已进入现代电力电子时代。这些器件主要有电力场控晶体管，即功率金属—氧化物—半导体场效应晶体管（MOS-FET）、绝缘栅极双极晶体管（IGT或IGBT）、静电感应晶体管（SIT）和静电感应晶闸管（SITH）等。
晶闸管作为最早的电力电子元件自上世纪60年代问世以来，至今其功率容量已提高了近300000%。许多国家正能稳定生产Φ100mm，8000V/4000A的晶闸管。尽管有自关断能力的电子电子器件的发展使晶闸管的应用领域有所减小，但因它的高电压、大电流特性，在大功率直流驱动和大功率高电压的变频调速驱动应用中仍占有不可动摇的地位。自第二代GTR，MOSFET至第三代IGBT为代表的电力半导体器件的发展中，除了自关断能力外，一个显著的特点是元件的开关频率不断提高，元件的通态压降不断降低，使电机控制性能有了很大的提高。例如，采用GTR做成的通用型变频器，其GTR的开关频率约为2kHz，变频器输出的最低工作频率约为3Hz，最高频率约为120Hz。而采用IGBT做成的通用型变频器，IGBT的开关频率约达20kHz，变频器的最低输出频率可达0.5Hz，最高工作频率可达400～500Hz。用它控制电机运行，则噪声更小，电机运行更平稳。
这些高性能的开关元件问世是现代最新的矢量变换控制用于中小功率、高性能变频调速系统的保证。
进入21世纪后，可以预期还会出现新的更高性能的主电路功率元件，已有的各代电力电子元件还会不断得以改进和提高。此外，一个新的发展动向值得注意，那就是大功率元件向集成化、智能化方向的发展；智能功率模块（IPM）是向第四代器件功率集成电路（PIC）发展的过渡产品。它是微电子技术与电力电子技术相结合的产物。它不仅具备提供一定的功率输出能力，且具有逻辑、控制、传感、检测、保护和自诊断等功能，而且内含驱动电路、保护电路，可实现过流、短路、欠压和过压等保护，还可实现电机的再生制动。外界只需提供PWM信号给智能功率模块，就能实现以往复杂的主电路及其外围电路的功能。
主电路功率元件正进入以新型器件为主的新时代，作为电力电子技术发展的决定性因素，电力电子器件的研发及关键技术突破，必然会促进电力电子技术的迅速发展，进而促进变频调速技术的迅速发展。
微处理器技术的进步使数字控制成为现代控制器的发展方向。变频调速控制系统是快速系统，需要存储多种数据，并快速实时处理大量信息。最初的变频调速控制都是采用分立元件的模拟电路，后来随着电子技术的进步，一些集成电路甚至专用集成电路被大量引用。这些电路大多为模拟数字混合电路，它大大提高了变频调速的可靠性和抗干扰能力，缩短了新产品的开发周期，降低了研制费用。
微处理器技术的进步，使硬件简化；柔性的控制算法，使控制具有很大的灵活性，可实现复杂的控制规律，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，加强保护和监视功能，使系统智能化（如有些变频器具有自调整功能）。
微处理器即电子计算机的中央处理器（Central Processing Unit，CPU）。具体地讲，它就是一块集成了数量庞大的微型晶体管与其他电路元件的半导体集成电路（Integrated Circuit，简称IC）芯片。
早在微处理器问世之前，电子计算机的中央处理单元就经历了从电子管到晶体管以及再后来的离散式TTL集成电路等几个重要阶段。甚至在电子计算机以前，还出现过以齿轮、轮轴和杠杆为基础的机械结构计算机。
从上世纪70年代早期开始，微处理器性能的提升就基本上遵循着IT界著名的摩尔定律。这意味着在过去的30多年里每18个月，CPU的计算能力就会翻番。大到巨型机，小到个人便携电脑，持续高速发展的微处理器取代了诸多其他计算形式而成为各个类别、各个领域所有计算机系统的计算动力之源。
1972年4月上市销售的英特尔8008，是世界上第一块8位微处理器，1973年初期推出的IMP-16，是美国国家半导体公司(NationalSemiconductor)第一款多片16位微处理，1975年该公司推出了第一款单片16位微处理器PACE，是基于NMOS技术的新版，本世界上第一块单片32位微处理器是AT&T贝尔实验室的BELLMAC-32A，样本于1980年，1982年正式投产。
前10年,市场上较通用的变频器大多采用单片机来控制，应用较多的是8096系列产品。但单片机的处理能力有限，对采用矢量变换控制的系统，由于需要处理的数据量大，实时性和精度要求高，单片机往往不能满足要求。近年来，各种集成化的单片DSP的性能得到很大改善，软件和开发工具也越来越多，越来越好，而价格却大幅度降低，目前低端产品已接近单片机的价格水平，而其比单片机具有更高的性能价格比。从而使DSP器件及技术更容易使用，价格也能为广大用户所接受。越来越多的单片机用户开始选用DSP器件来提高产品性能，DSP器件取代高档单片机的时机也已成熟。
与单片机相比DSP器件具有较高的集成度。DSP具有快的CPU，更大容量的存储器，内置有波特率发生器和FIFO缓冲器，提供高速、同步串口和标准异步串口。有的片内集成了A/D和采样/保持电路，可提供PWM输出。更为不同的是，DSP器件为精简指令系统计算机（RISC）器件，大多数指令都能在一个指令周期内完成，并且通过并行处理技术，使一个指令周期内可完成多条指令。DSP具有独立的程序和数据空间，允许同时存取程序和数据。内置高速的硬件乘法器，使DSP器件具有高速的数据运算能力。而单片机为复杂指令系统计算机（CISC），多数指令要2～3个指令周期来完成，速度比较慢。DSP器件运算功能强，而单片机的事务处理能力强。DSP器件还提供了高度专业化的指令集，提高了FFT快速傅里叶变换和滤波器的运算速度。近几年来，国外各大公司纷纷推出以DSP（数字信号处理器）为基础的内核，配以电机控制所需的外围功能电路，集成在单一芯片内的称为DSP单片电机控制器，价格大大降低，体积缩小，结构紧凑，使用便捷，可靠性提高。DSP和普通的单片机相比，处理数字运算能力增强1000%～1500%，以确保变频调速系统有更优越的控制性能。
变频调速控制理论技术的进展主要体现在由标量控制向高动态性能的矢量控制与直接转矩控制发展和开发无速度传感器的矢量控制和直接转矩控制系统方面[2][3]。
在变频调速系统出现的初期，其控制技术是采用电压频率协调控制（即V/f比为常数）。此种控制技术有开环和闭环两种形式。采用开环时用于一般生产机械，但静态和动态性能都不太理想，采用闭环则可改善系统性能。
后来，一些研究者提出了转差频率控制方法。采用这种控制技术使得变频调速系统在一定的程度上改善了静态和动态性能，使之接近于直流双闭环调速系统，但是，还是不能满足高性能调速系统的要求。
改善调速系统动态性能的关键在于如何实现转矩控制。上世纪70年代异步电机矢量变换控制方法提出，至今已获得了迅猛的发展。
这种理论的核心是将一台交流电机等效为直流电机来控制，因而获得了与直流调速系统同样优良的动态性能。这种理论的主要思想是将异步电机模拟成直流机，通过坐标变换的方法，分别控制电机的励磁电流分量与转矩电流分量，从而获得与直流电机一样的良好的动态调速特性。因为这种方法采用了坐标变换，需进行快速、复杂的数学运算，所以对控制器的运算速度、处理能力等要求较高，微型计算机技术的发展为矢量变换控制的实现提供了良好的外部条件。近年来，经过各国科技工作者努力，矢量变换控制的变频调速方法已广泛用于电气传动系统中。
上世纪80年代中期，德国Depenbrock教授提出一种新的控制方法，即异步电机直接转矩控制系统。其思路是把交流电机看作一个整体对待。它不需要坐标变换，也无需依赖转子数学模型，采用空间电压矢量分析方法进行计算，直接控制转矩，免去了矢量变换的复杂计算。控制系统结构简单，便于实现全数字化，已有产品用于实际中。
近10多年来，各国学者和研究部门致力于无速度传感器控制系统的研究，利用检测定子电压、电流等容易测量的物理量进行速度估算，以取代速度传感器，提高控制系统的可靠性，降低成本，目前已研究出无速度传感器矢量控制系统的实用产品。
近几年来，智能控制研究很活跃，并在许多领域获得了应用[4]。典型的如模糊控制、神经网络控制和基于专家系统的控制。比较成熟的是模糊控制，它具有不依赖被控对象精确的数学模型、能克服非线性因素的影响、对调节对象的参数变化具有较强的鲁棒性等优点。模糊控制已在交流调速系统中取得了满意的效果。
它的典型应用有基于模糊逻辑的异步电机效率优化控制；基于模糊逻辑的智能逆变器的研究等。智能控制正在显示出其实现变频调速的智能化自适应控制的巨大希望所在，有研究结果表明，有效利用智能控制技术，可使变频调速系统做到高效、自适应、自诊断、自保护、动态性能优良。变频调速技术每一次大的发展都有理论方面的突破。
变频调速技术是各种自动化技术的基本环节，它的发展是与电力电子技术，计算机技术、自动控制理论技密切相关的。可以预期，在不久的将来，变频调速技术将有一广阔的发展前景。
