变频器是运动控制系统中的功率转换器。今天的运动控制系统是一个包括许多学科的技术领域。总的发展趋势是:交流传动、高频功率变换器、数字化、智能化和网络化控制。因此作为系统重要的电源转换部件,通过提供可控的高性能交流电源,实现变压变频,发展迅速。
经过大约30年的R&D和应用实践,随着新型电力电子器件和高性能微处理器的应用以及控制技术的发展,性价比越来越高,体积越来越小。然而,制造商仍在做出新的努力,不断提高可靠性,以进一步小型化、轻量化、高性能、多功能和无污染。由于该设备的性能取决于其输出交流电压的谐波对电机的影响,对电网和输入功率因数的谐波污染,以及自身的能量损耗(即效率)。这里,就以大量的跨直-交叉型产品为例说明其发展趋势:
1.主电路中功率开关元件的自关断、模块化、集成化和智能化,开关频率不断提高,开关损耗进一步降低。
2.主电路拓扑:
电网侧转换器通常针对低压和小容量设备使用6脉冲转换器,而中压和大容量设备则使用多个12脉冲以上的转换器。侧变流器通常对低压小容量设备采用两电平桥式逆变器,而对中压大容量设备采用多电平逆变器。对于四象限驱动,为了实现再生能量对电网的反馈,节约能源,网侧变流器应为可逆变流器。同时出现了功率可以双向流动的双PWM 。适当控制网侧变流器,可以使输入电流接近正弦波,减少对电网的公共危害。目前中低压产品都有这样的产品。
3.脉宽调制型的控制方法可以采用正弦波脉宽调制(SPWM)控制、消除指定谐波的PWM控制、电流跟踪控制、电压空间矢量控制(磁通跟踪控制)。
4.交流电机频率控制方法的进步主要体现在无速度传感器的矢量控制和直接转矩控制系统从标量控制向高动态性能发展。
5.随着微处理器的发展,数字控制已经成为现代控制器的发展方向:运动控制系统是一个快速系统,特别是对于交流电机的高性能控制,需要快速、实时地存储各种数据和处理大量信息。近年来,国外各大公司纷纷推出基于DSP(数字信号处理器)的内核,配备电机控制所需的外围功能电路,集成在一个名为DSP单片电机控制器的单芯片中,价格大幅降低,体积缩小,结构紧凑,使用方便,可靠性提高。与普通单片机相比,DSP处理数字运算的能力强10 ~ 15倍,从而保证了系统优越的控制性能。
数字控制简化了硬件,灵活的控制算法使控制灵活,可以实现复杂的控制规则,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,加强保护和监控功能,使系统智能化。
6.交流同步电机,尤其是永磁同步电机,已经成为交流调速领域的一颗新星。电机采用无刷结构,功率因数高,效率高,转子转速与工频严格同步。同步电机变频调速系统有两类:单独控制变频和自控变频。原则上,变频同步电机与DC电机非常相似,DC电机的机械换向器被电力电子变换器取代。例如采用AC-DC-AC电压变频器时,称为“DC无换向器电机”或“BLDC电机”。传统的自控变频同步电机速度控制系统有转子位置传感器,无转子位置传感器的系统正在开发中。矢量控制也可用于同步电机的其他受控变频,其转子磁场定向的矢量控制比异步电机简单。