中心論題：
- 變頻調速技術的發(fā)展概況
- 變頻調速技術國內外現狀
- 變頻調速未來的發(fā)展方向
解決方案：
- 國外神經網絡在變頻調速系統(tǒng)控制中獲得了應用
- 實現全數字控制化
- 實現變頻器的通信網絡化和技術規(guī)格標準化
- 實現變頻器的特大容量化和硬件的集成化
- 實現變頻器的高頻化
- 實現軟開關化和實現變頻器的“綠色環(huán)保”化
電氣傳動是工業(yè)控制領域中的一個重要內容，它利用電動機將電能轉變?yōu)闄C械能，從而滿足工農業(yè)生產及日常生活中的各種需求。目前，變頻調速技術已成為節(jié)能、改善工藝流程、提高產品質量和改善環(huán)境、推動技術進步的有效措施。變頻調速以其優(yōu)異的調速和起制動性能，高效率、高功率因數和節(jié)能效果，廣泛的適用范圍及其它許多優(yōu)點而被國內外公認為最有發(fā)展前途的調速方式，其重要性日益得到世界各國的重視。在世界能源緊缺的今天，開展變頻調速技術的研究，推廣其應用，有著非常重大的現實意義和巨大的經濟效益及社會效益。
變頻調速技術的發(fā)展概況
20 世紀60 年代以前，直流調速一直以控制能力強、可靠性高、噪聲低、控制電路簡單等一系列優(yōu)良的性能在傳動領域中占據著主導地位。但是隨著社會生產力及技術的不斷發(fā)展，直流傳動的薄弱環(huán)節(jié)逐步顯示出來。由于換向器的存在，使直流電動機的維護工作量加大，單機容量、最高轉速以及使用環(huán)境等都受到限制。同時，電動機在實際應用中，已由過去簡單的起?？刂?，以提供動力為目的發(fā)展為對其速度、位置、轉矩等參數進行精確控制，使被驅動的機械運動符合預想的要求。另外，隨著電力電子技術、控制技術以及微型計算機和大規(guī)模集成電路的飛速發(fā)展，交流調速取代直流調速，計算機數字控制技術取代模擬控制技術已成為發(fā)展趨勢。因此，人們便轉向應用結構簡單、運行可靠、便于維護、價格低廉的交流電動機。
然而，要實現對交流電動機高性能的調速遠比直流電動機調速困難得多。從20 世紀30 年代開始，人們就致力于交流調速技術的研究。20 世紀60 年代以后，特別是70 年代以來，隨著新型自關斷電力電子器件、智能功率集成電路的問世，現代控制理論的發(fā)展和計算機技術的應用，新的控制策略不斷涌現，使得交流調速技術得到迅猛發(fā)展，并已在冶金、機械、電氣、紡織、食品等行業(yè)得到普遍應用，交流調速以其顯著的節(jié)電效果，優(yōu)良的調速性能以及廣泛的適用性逐步取代直流調速的地位，已經成為電氣傳動領域發(fā)展的主流方向。
變頻調速技術國內外現狀
a.國外現狀
市場有大量需求隨著工業(yè)自動化程度的不斷提高和能源全球性短缺，變頻器越來越廣泛地應用在冶金、機械、石油、化工、紡織、造紙、食品等各個行業(yè)以及風機、水泵等節(jié)能場合，并取得了顯著的經濟效益。
功率器件發(fā)展迅速變頻調速技術是建立在電力電子技術基礎之上的。近年來，高電壓、大電流的SCR、GTO、IGBT、IGCT 以及智能模塊IPM (Intelligent Power Module) 等器件的生產以及并聯(lián)、串聯(lián)技術應用的發(fā)展，使高電壓、大功率變頻器產品的生產及應用成為現實。
在大功率交—交變頻(循環(huán)變流器) 調速技術方面，法國阿爾斯通已能提供單機容量達30 000 kW的電氣傳動設備用于船舶推進系統(tǒng)。在大功率無換向器電機變頻調速技術方面，意大利ABB 公司提供了單機容量為60 000 kW 的設備用于抽水蓄能電站；在中功率變頻調速技術方面, 德國西門子公司Simovert A 電流型晶閘管變頻調速設備單機容量為10耀2 600 kV•A 和Simovert P GTO PWM 變頻調速設備單機容量為100 耀900 kV•A，其控制系統(tǒng)已實現全數字化，用于電力機車、風機、水泵傳動；在小功率變頻調速技術方面，日本富士BJT 變頻器最大單機容量可達700 kV•A ，IGBT變頻器已形成系列產品，其控制系統(tǒng)也已實現全數字化。IPM 投入應用比IGBT 約晚2年, 由于IPM 包含了IGBT 芯片及外圍的驅動和保護電路，有的甚至還把光耦也集成于一體，是一種更為適用的集成型功率器件。目前，在模塊額定電流10耀600 A 范圍內，通用變頻器均有采用IPM 的趨向。IPM 除了在工業(yè)變頻器中被大量采用之外，經濟型的IPM 在近年內也開始在一些民用品，如家用空調變頻器、冰箱變頻器、洗衣機變頻器中得到應用。IPM 也在向更高的水平發(fā)展，日本三菱電機最近開發(fā)的專用智能模塊ASIPM 將不需要外接光耦，通過內部自舉電路可單電源供電，并采用了低電感的封裝技術，在實現系統(tǒng)小型化，專用化，高性能，低成本方面又推進了一步。
控制理論和微電子技術的支持在現代自動化控制領域中，以現代控制論為基礎，融入模糊控制、專家控制、神經網絡控制等新的控制理論為高性能變頻調速提供了理論基礎；16 位、32 位高速微處理器以及信號處理器(DSP)和專用集成電路(ASIC)技術的快速發(fā)展，則為實現變頻調速的高精度、多功能提供了硬件手段。
b.國內現狀
我國電氣傳動產業(yè)始于1954 年。當時，在機械工業(yè)部屬下建立了我國第一個電氣傳動成套公司，即現在的天津電氣傳動設計研究所的前身?，F在，我國有200家左右的公司、工廠和研究所從事變頻調速技術的工作。隨著改革開放，經濟高速發(fā)展，形成了一個巨大的市場，它既對國內企業(yè)，也對外國公司敞開。很多最先進的產品從發(fā)達國家進口，在我國運行良好，滿足了我國生產和生活需要。國內許多合資公司生產當今國際上先進的產品，國內的成套部分在自行設計制造的成套裝置中采用外國進口和合資企業(yè)的先進設備，自己開發(fā)應用軟件，能為國內外重大工程項目提供一流的電氣傳動控制系統(tǒng)，在變頻調速技術的應用和研究上取得了很大的成績。
但應看到，由于國內自行開發(fā)、生產產品的能力弱，對國外公司的依賴仍很嚴重。目前，國內生產的主要產品的狀況如下：晶閘管變流器和可關斷器件(DJT、IGBT、VDMOS)斬波器供電的直流調速設備這類設備的市場很大，隨著交流調速的發(fā)展，該市場雖在縮減，但由于我國舊設備改造任務重，以及它在幾百至一千多kW范圍內價格比交流調速設備價格低得多，所以短期內仍有較大市場，國產設備能滿足需要，部分出口。自行開發(fā)的控制器多為模擬控制，近年來主要采用進口數字控制器配國產功率裝置。IGBT 或BJT PWM 逆變器供電的交流變頻調速設備這類設備總容量占的比例不大，但臺數多，增長快，應用范圍從單機擴展到全生產線，從簡單的V/f 控制到高性能的矢量控制。負載換流式電流型晶閘管逆變器供電的變頻調速設備這類產品在抽水蓄能電站的機組起動，大容量風機、泵、壓縮機和軋機傳動方面有很大需求。國內只有少數科研單位有能力制造，目前容量最大做到12 MW。功率裝置國內配套，自行開發(fā)的控制裝置只有模擬式的，數字裝置需進口，自己開發(fā)應用軟件。交—交變頻器供電的變頻調速設備這類產品在軋機和礦井卷揚機傳動方面有很大需求，臺數不多，功率大。主要靠進口，國內只有少數科研單位有能力制造。目前最大容量做到7 000耀8 000 kW。功率部分國產，數字控制裝置進口，包括開發(fā)應用軟件。
變頻調速未來的發(fā)展方向
交流變頻調速是強、弱電混合，機電一體的綜合技術，既要處理巨大電能的轉換，又要處理信息的收集變換和傳輸。因此它的共性技術必定是分為功率和控制兩大部分。前者要解決與高壓大電流有關的技術問題和新型電力電子器件的應用技術問題，后者要解決硬、軟件開發(fā)問題。各種高性能變頻控制都是國內外研究的熱點，其未來主要的發(fā)展方向是:
a.實現變頻器的人工智能化對于交流電機這樣多變量、強耦合的參數非線性時變的復雜被控對象，要獲得良好的控制性能較為困難。由于神經網絡具有很強的信息處理能力，能通過自身學習來解決復雜系統(tǒng)的控制問題，故目前已成為非線性系統(tǒng)建模的重要技術。近年來，國外神經網絡在變頻調速系統(tǒng)控制中獲得了應用，已成為當前神經網絡理論及應用的研究熱點。
b.實現全數字控制化。全數字控制使硬件簡化，柔性的控制算法使控制靈活、可靠，易實現復雜的控制規(guī)律，便于故障診斷和監(jiān)視。
c.實現變頻器的通信網絡化和技術規(guī)格標準化。當前，國外先進的變頻器都配有總線適配器模塊(如modbus, feidbus, interbus等)作為選件，外部總線可以雙絞線和適配器連接，變頻器則作為系統(tǒng)的智能終端。進一步可形成集散式(DCS)變頻控制系統(tǒng)和現場總線(FCS)變頻控制系統(tǒng)。變頻器的技術規(guī)格已統(tǒng)一成國際性標準，可根據用戶的需要實現靈活的配置。
d.實現變頻器的特大容量化隨著電力電子技術的不斷進步，控制容量將進一步增大，使交流電機比直流電機的優(yōu)勢更加明顯。
e.實現變頻器硬件的集成化為了使變頻裝置體積更小巧，新型變頻器要求功率和控制單元具有高集成度。利用不斷發(fā)展的大規(guī)模集成電路工藝，把自動控制系統(tǒng)中控制電路集成化為若干個專用IC芯片(ASIC )，使整個系統(tǒng)的構成更小型、可靠，從而構成強弱電一體的智能化電機。
f.實現變頻器的高頻化提高變頻器開關頻率是抑制諧波、提高系統(tǒng)性能的關鍵之一。但開關頻率提高，會增加器件自身的開關損耗，影響變頻器的效率和可靠性，使其調制頻率受到限制。目前在高頻變換器中采用較多的器件是MOSFET，IGBT和IPM。各國正在利用新一代高頻電力電子器件，如靜電感應晶閘管(SITH )，以及IGCT 和IECT，研發(fā)新一代高頻的電控裝置。
g.實現軟開關化。軟開關技術是目前國內外電力電子技術領域中的研究方向之一。傳統(tǒng)的變換器中的開關器件工作在硬開關狀態(tài)，硬開關妨礙了變換器工作頻率和容量的提高，還存在容性開通問題引起過熱損壞，在感性關斷時易造成瞬時短路。近年來，軟開關技術被引進變頻控制中并己逐漸推向實用。軟開關技術可以減小甚至完全消除變換器中開關器件在開關過程中的損耗，使緩沖吸收電路成為多余，提高了開關器件的工作頻率，減小了開關器件的散熱體積，提高了變頻器工作的可靠性和效率。
h.實現變頻器的“綠色環(huán)保”化。實現變頻器的“綠色環(huán)保”化也就是開發(fā)清潔電能的變頻器。所謂清潔電能變頻器是指變頻器的功率因數為1，電網側和負載側的諧波分量很少。研究環(huán)保型整流器，使其不產生諧波，且實現功率雙向流動是國內外目前研究的熱點問題。
結語
變頻調速技術作為高新技術、基礎技術和節(jié)能技術，已經滲透到所有經濟領域的技術部門中。應積極應用變頻調速技術來改造傳統(tǒng)產業(yè)，節(jié)約能源及提高產品質量，以獲得較好的經濟效益和社會效益；要大力發(fā)展變頻調速技術，必須把我國變頻調速技術提高到一個新的水平，縮小與世界先進水平的差距，提高自主開發(fā)能力，滿足國民經濟重點工程建設和市場的需求；并規(guī)范我國變頻調速技術方面的標準，提高產品可靠性及工藝水平，實現規(guī)?；?、標準化生產。
