變頻驅(qū)動(dòng)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(tǒng)已經(jīng)延續(xù)了50年。隨著對(duì)其性能要求越來(lái)越高，這種發(fā)展趨勢(shì)將更加明顯。

在過去50年里，大家可以看到交流變頻驅(qū)動(dòng)器（Variable-Frequency Drives, VFDs）的外形尺寸和重量已經(jīng)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(jī)驅(qū)動(dòng)器所表現(xiàn)出的性能、效率和可靠性的改善。產(chǎn)生這些變化的原因是功率開關(guān)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(duì)驅(qū)動(dòng)器應(yīng)用和維護(hù)所需要投入的精力。

早期的交流驅(qū)動(dòng)器是開環(huán)運(yùn)行的，僅有有限的功能。一個(gè)重大的進(jìn)步是1971年Siemens公司的Felix Blaschke開發(fā)出用于感應(yīng)電機(jī)的磁場(chǎng)定向（磁通矢量）控制技術(shù)，并在其他人的努力下，最終使得變頻驅(qū)動(dòng)器在許多應(yīng)用場(chǎng)合達(dá)到或超過了直流驅(qū)動(dòng)器的性能。無(wú)速度傳感器矢量控制（省去了軸角編碼器）和其他驅(qū)動(dòng)算法也隨后出現(xiàn)。而且，這些改進(jìn)仍在不斷加速中。

Rockwell Automation公司產(chǎn)品經(jīng)理William L. Sinner 注意到兩大歷史性的變化分別影響著變頻驅(qū)動(dòng)器的功率和控制這兩方面。早期的交流驅(qū)動(dòng)器 （20世紀(jì)80年代） 由于晶體管的電壓和電流等級(jí)有限，每相采用多個(gè)晶體管。而如今已變?yōu)橐惑w化封裝，所以今天一個(gè)10馬力 （1馬力= 0.745kW） 驅(qū)動(dòng)器的體積比過去驅(qū)動(dòng)器中的一個(gè)晶體管單元還要小。“為了制造商能開發(fā)出更小、更高效的功率設(shè)備，新一代晶體管的性能仍然需要繼續(xù)提高,”Sinner 這樣說。絕緣柵雙極晶體管 （IGBTs） 仍然是現(xiàn)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(tǒng)治地位的，目前正讓位于數(shù)字控制，盡管數(shù)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(shù)字驅(qū)動(dòng)器在稍晚時(shí)間出現(xiàn)，一開始只是提供開環(huán)（V/Hz）控制。微處理器單元的繼續(xù)發(fā)展實(shí)現(xiàn)了在一臺(tái)驅(qū)動(dòng)器中加入多種控制模式，只需通過改變軟件參數(shù)來(lái)轉(zhuǎn)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(qū)動(dòng)器領(lǐng)域目前的發(fā)展水平。典型的低端驅(qū)動(dòng)器提供V/Hz和無(wú)速度傳感器矢量控制方式，而高端驅(qū)動(dòng)器起初是采用磁通矢量控制，后來(lái)也加入了其他控制模式。例如，Rockwell公司的PowerFlex 700S通過內(nèi)置的Logix處理器提供幾種控制模式，其中包括伺服控制。產(chǎn)品線間的技術(shù)移植是另一種趨勢(shì)，Sinner以低端PowerFlex 70加入矢量控制和一些高端的驅(qū)動(dòng)器采用V/Hz控制為例進(jìn)行了說明。

為什么高端產(chǎn)品會(huì)使用開環(huán)控制？Sinner認(rèn)為，是由于V/Hz變換可以使一臺(tái)驅(qū)動(dòng)器控制多種不同類型的電機(jī)。一種型號(hào)的驅(qū)動(dòng)器應(yīng)用于多種不同的場(chǎng)合有利于降低備件庫(kù)存。

互連性是當(dāng)前變頻驅(qū)動(dòng)器的另一個(gè)重要特征，Rockwell公司所有驅(qū)動(dòng)器都是這樣裝備的。根據(jù)該公司的經(jīng)驗(yàn)，目前聯(lián)網(wǎng)的驅(qū)動(dòng)器已經(jīng)達(dá)到使用總數(shù)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(lián)網(wǎng)驅(qū)動(dòng)器的百分比已經(jīng)翻了一番。”

Danfoss Drives 公司產(chǎn)品經(jīng)理Tom Momberger的觀點(diǎn)是：“將微處理器技術(shù)應(yīng)用于變頻驅(qū)動(dòng)器是今天交流驅(qū)動(dòng)器性能提高的主要原因。”對(duì)于物理外形上的改變，他對(duì)比了一種1968年生產(chǎn)的典型的模擬型5馬力交流驅(qū)動(dòng)器（為使用該驅(qū)動(dòng)器，它的油冷單元需要進(jìn)行多種不同的手工調(diào)整）與當(dāng)前變頻驅(qū)動(dòng)器體積和重量的數(shù)字（見Danfoss公司過去的5馬力VLT型驅(qū)動(dòng)器照片）。當(dāng)然，新型的交流驅(qū)動(dòng)器還加入了許多其他特性，例如可通過操作員鍵盤或計(jì)算機(jī)進(jìn)行編程。“微處理器已經(jīng)使這一切成為可能，” Momberger說。

根據(jù)Momberger的觀點(diǎn)，靈活性、智能化和友好的用戶操作環(huán)境是變頻驅(qū)動(dòng)器技術(shù)發(fā)展的特征。靈活性意味著只用一種類型的驅(qū)動(dòng)器即可提供開環(huán)、閉環(huán)、磁通矢量甚至準(zhǔn)伺服（near-servo）控制來(lái)滿足多種應(yīng)用。他說：“這種功能通過減少現(xiàn)場(chǎng)庫(kù)存、操作員培訓(xùn)和備件的成本，降低了驅(qū)動(dòng)器所有者的成本。”

微處理器單元和先進(jìn)的診斷能力允許使用者智能地配置一臺(tái)驅(qū)動(dòng)器，因此降低了試運(yùn)行成本和停工時(shí)間。而軟件功能，如自動(dòng)電機(jī)適配和軟件向?qū)Вコ嗽O(shè)置驅(qū)動(dòng)器/電機(jī)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(shè)置過程以減少操作員可能的錯(cuò)誤，簡(jiǎn)化了與驅(qū)動(dòng)器的交互”， Momberger解釋說。Danfoss公司的新產(chǎn)品FC-302 自動(dòng)驅(qū)動(dòng)器具有所有這些特征。

PWM、DTC、模塊化

在交流驅(qū)動(dòng)器發(fā)展的重要里程中，ABB公司見證了工業(yè)用基于脈寬調(diào)制驅(qū)動(dòng)器的出現(xiàn)和1995年直接轉(zhuǎn)矩控制的引入。

Ilkka Ikonen在芬蘭的ABB Oy驅(qū)動(dòng)器市場(chǎng)交流會(huì)上提到，ABB公司第一臺(tái)脈寬調(diào)制驅(qū)動(dòng)器的工業(yè)安裝使用出現(xiàn)于20世紀(jì)70年代。造紙廠和地鐵的應(yīng)用為這一重要產(chǎn)品的進(jìn)步和魯棒性打下了基礎(chǔ)。他說：“這種技術(shù)在這些應(yīng)用中證明了它的可靠性和競(jìng)爭(zhēng)力后，人們開始接受交流驅(qū)動(dòng)器作為主導(dǎo)控制技術(shù)來(lái)代替直流驅(qū)動(dòng)器。”

ABB公司認(rèn)為它的直接轉(zhuǎn)矩控制是一種先進(jìn)的技術(shù)，不需要分別控制電壓和頻率就能夠直接控制電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速。更值得一提的是它的快速轉(zhuǎn)矩反應(yīng)時(shí)間和控制精度，“通常比脈寬調(diào)制要快10倍。” 直接轉(zhuǎn)矩控制還能優(yōu)化電機(jī)磁通，這樣能提高電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器的總能量利用率。直接轉(zhuǎn)矩控制不用調(diào)節(jié)器，控制時(shí)無(wú)需電機(jī)軸位置和速度反饋。“采用直接轉(zhuǎn)矩控制，速度為零時(shí)轉(zhuǎn)矩可達(dá)100%，低頻時(shí)微轉(zhuǎn)矩增量可在小于1ms的時(shí)間內(nèi)得到控制，” Ikonen說。

如今，ABB的交流驅(qū)動(dòng)器能通過“按訂單配置產(chǎn)品”滿足多種用戶需求，其模塊化設(shè)計(jì)發(fā)揮了重要作用。幾乎可以滿足購(gòu)買者的所有需求，如交貨時(shí)間、質(zhì)量和成本，就好像現(xiàn)貨一樣。

Bosch Rexroth公司開發(fā)的可靠的開關(guān)器件和微處理器，使得目前的變頻驅(qū)動(dòng)器具有體積更小、效率更高和魯棒性更強(qiáng)的特點(diǎn)。元件部經(jīng)理Peter Fischbach說：“基于隔離電源模塊的晶閘管或場(chǎng)效應(yīng)晶體管以及后來(lái)出現(xiàn)的絕緣柵雙極晶體管，結(jié)合正弦脈寬調(diào)制控制法，徹底改變了電源部分和散熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。”

圖1： Danfoss公司同一系列的變頻驅(qū)動(dòng)器在30多年的發(fā)展中發(fā)生很大變化。
VLT 200包括模擬PWM控制，而VLT 3000起轉(zhuǎn)為數(shù)字控制。
IGBT、MPU

Rexroth公司在1988年發(fā)布了全系列基于IGBT的驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)品，其實(shí)，該公司的交流驅(qū)動(dòng)業(yè)務(wù)早在1965年就發(fā)展起來(lái)了，并于1968年推出了它的第一臺(tái)高速、機(jī)架型工業(yè)用變頻驅(qū)動(dòng)器，它可使感應(yīng)打磨電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度達(dá)到180，000rpm。