21世紀變頻調(diào)速技術(shù)展望（北京冶金工業(yè)部）沈龍大Shen,Longda摘要?押介紹了變頻器新技術(shù)及相關(guān)核心技術(shù)，電力電子器件，數(shù)字矢量控制技術(shù)的現(xiàn)狀及未來展望。關(guān)鍵詞?押21世紀變頻技術(shù)；交交變頻器；GTO變頻器；IGBT變頻器；電力電子器件；展望文章編號:1008-0570（2004）07-0037-041前言現(xiàn)代變頻技術(shù)是交流電動機控制的核心技術(shù)，而變頻技術(shù)的核心是功率變換器件和微電子控制技術(shù)。電力電子和微電子技術(shù)的發(fā)展，推動了變頻技術(shù)的發(fā)展，反過來變頻技術(shù)的發(fā)展又對電力電子變換器件提出了新要求。20世紀是電力電子變頻技術(shù)由誕生到發(fā)展的一個全盛時代。20世紀30年代應(yīng)用機械旋轉(zhuǎn)式變頻機組，將工頻電源變換成低于工頻以下的電源，功率變換器件是原動機發(fā)電機機組，存在效率低、損耗大、噪聲大、體積大等問題。60年代SCR（晶閘管）問世，70年代晶閘管變頻器開始逐步取代變頻機組，進入了電力電子變頻技術(shù)時代，使變頻技術(shù)有了新發(fā)展。但由于晶閘管換向是靠外界電源自然換向或被強迫換向的，只能控制導(dǎo)通而不能直接控制關(guān)斷，因此需要復(fù)雜的換向電路和電壓、電流保護回路，控制復(fù)雜，開關(guān)頻率低，目前主要用于交交變頻器。80年代自關(guān)斷器件大功率雙極性晶體管GTR的問世，出現(xiàn)了高性能GTR變頻器，曾經(jīng)紅過一陣，其性能大大優(yōu)于晶閘管變頻器，很快就在工業(yè)領(lǐng)域得到推廣應(yīng)用。但由于GTR、GTO（可關(guān)斷晶閘管GateTurnOff）為電流控制器件、存在驅(qū)動功率大、開關(guān)頻率不高、并聯(lián)困難等問題，影響實現(xiàn)大容量化及高頻低損耗。用戶的高頻化要求推進了功率器件柵極的MOS化，90年代MOS場控型IGBT（絕緣柵晶體管InsulatedGateBipolarTransistor）廣泛用作變頻器的功率變換器件。它具有開關(guān)頻率高、并聯(lián)容易，容易實現(xiàn)高壓大容量化、控制方便的特點，所以一登場就體現(xiàn)了強大生命力，很快取代了GTR，其應(yīng)用從通用變頻器（INV）、不間斷電源（UPS）、數(shù)值控制（NC）、伺服（SV）、機器人，以至擴大到家用電器、辦公自動化、醫(yī)療器械、太陽能發(fā)電等所有領(lǐng)域。IGBT變頻器已成為90年代變頻調(diào)速技術(shù)的主流，在未來21世紀相當長的一段時間內(nèi)仍將是電氣傳動領(lǐng)域的主導(dǎo)變頻器。在21世紀IGBT智能化模塊IGBT，IPM及智能化變頻器將會有很大的發(fā)展。功率器件及變頻器的智能化是將功率變換、驅(qū)動、檢測、控制、保護等功能集成化，實現(xiàn)高效節(jié)能、多功能、高性能、高附加值化。同時將研究開發(fā)新電力電子器件IGCT（集成門極強驅(qū)動晶閘管IntegratedGateCommutatedThyristor）、MCT（MOS控制晶閘管MOSControlledThyristor）.IEGT（集成發(fā)射式門極晶閘管IntegratedEmitGateThyristor）、GaAs（砷化嫁）、SiC（碳化硅復(fù)合器件）、SITH（靜電感應(yīng)晶閘管StaticInductThyristor）、光控IGBT及超導(dǎo)功率器件等新功能功率變換器?，F(xiàn)在變頻裝置幾乎已實現(xiàn)了數(shù)字化控制，但控制技術(shù)的微電子數(shù)字化仍是今后的發(fā)展趨勢。變頻裝置的數(shù)字化技術(shù)是從80年代中期開始逐步發(fā)展到16位、32位微處理器，目前普遍采用DSP（DigitalSignalProcessor）高速數(shù)字信號處理器。隨著IGBT等器件的高壓大容量，中、高壓大容量的變頻裝置也將會廣泛應(yīng)用到各個領(lǐng)域。2變頻裝置應(yīng)用的電力電子器件發(fā)展狀況用于變頻裝置的代表性電力電子器件有IGBT、GTO、SCR、二極管等。2.1電力電子器件的發(fā)展電力電子器件發(fā)展狀況表略。60年代晶閘管的出現(xiàn)開創(chuàng)了電力電子器件時代，晶閘管隨著直流傳動調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展而得到了發(fā)展。70年代末GTR和GTO電流控制型自關(guān)斷器件的出現(xiàn)，進入了第二代電力電子時代，自關(guān)斷器件和PWM控制技術(shù)相結(jié)合使變頻技術(shù)得到了很大發(fā)展。80年代初開始應(yīng)用于PWM(PulseWidthModulation)變頻器的直流電源，80年代末應(yīng)用于交交變頻器。90年代末出現(xiàn)的高開關(guān)頻率低損耗的MOS電壓控制型IGBT及IGBT—IPM模塊，使電力電子器件進入了第三代。IGBT仍將成為21世紀初變頻裝置的主導(dǎo)功率變換器件。高頻化低損耗和高耐壓大容量器件是今后的研究開發(fā)方向。隨著新材料新功能等新概念功率器件的開發(fā)，在21世紀將進入新一代電力電子時代。2.2電力電子器件的現(xiàn)狀和動向1晶閘管SCRSCR自1960年被發(fā)明以來，已經(jīng)歷了近四十年的歷史。因其具有高成熟技術(shù)、高壓大容量、高可靠性、價格低廉等優(yōu)點，所以至今仍在直流傳動裝置，交交變頻裝置中廣泛應(yīng)用，特別在高電壓和大電流領(lǐng)域使用更廣泛。目前大直徑芯片3英寸1500A/4500V，4英寸2500A/6000V，6英寸4000A/8000V元件已實用化，我國3英寸元件技術(shù)己成熟，4英寸元件在研制中。今后將發(fā)展光控晶閘管，提高過電壓保護功能和降低功耗。由于晶閘管為電流控制，關(guān)斷不可控、開關(guān)頻率低、用于變頻裝置中輔助電路復(fù)雜，所以將逐步被IGBT、GTO、MCT等自關(guān)斷器件所取代。2.2.2可關(guān)斷晶閘管GTO大容量GTO是由數(shù)個小容量GTO并聯(lián)組成。GTO大容量化、低阻尼化的關(guān)鍵技術(shù)是提高各小容量單元的開關(guān)動作能力和各單元的均流技術(shù)。降低損耗的關(guān)鍵技術(shù)是改善開關(guān)動作損耗。目前3英寸3000A/4500V，4英寸4000A/4500V，6英寸6000A/6000V己被實用化，國內(nèi)尚無可以實用的GTO元件。由于GTO為電流控制型自關(guān)斷器件，存在電流驅(qū)動功率大，一般門極控制電流為主電流的40%，驅(qū)動回路復(fù)雜、并聯(lián)困難、可靠性差、開關(guān)效率不高、開關(guān)損耗大、阻尼電路復(fù)雜。再加上目前尚沒有和驅(qū)動電路相匹配的功率變換器件，使用戶應(yīng)用不方便。這是GTO得不到廣泛應(yīng)用的主要原因，也是今后的研究開發(fā)課題。6丁。目前主要在機車牽引驅(qū)動中應(yīng)用較多，今后將逐步被IGBT、MCT取代。2.2.3絕緣柵晶體管IGBTIGBT是采用MOSFET作輸入級，GTR作輸出級，集成在同一芯片上的復(fù)合器件，為場控型電壓驅(qū)動器件。它開關(guān)頻率高、芯片的電流密度大、元件并聯(lián)容易、容易實現(xiàn)耐高壓大容量化，在90年代中期己被廣泛用于變頻裝置，替代SCR、GTR、GTO，占變頻裝置功率變換器件的主導(dǎo)地位。目前第三代IGBT容量為1800A/2500V，模塊1200A/1700V，己被實用化。IGBT今后的發(fā)展動向：開發(fā)第四代IGBT—IGBT—PIM；增加并聯(lián)數(shù)以增大容量?鴉開發(fā)適用中、高電壓領(lǐng)域的2500A/3300V和1200A/1700V模塊；開發(fā)大功率平板型反向?qū)↖GBT以及光控IGBT；高頻低損耗化。絕緣功率模塊IPM(InsulatedPowerModule)電力電子器件的智能化是發(fā)展方向。智能化器件是將功率變換、驅(qū)動、檢測、保護、故障診斷等功能集成在一塊芯片上，構(gòu)成一臺變頻器，也叫做單片變頻器。它具有元件數(shù)量少，更加小型輕量化，性能價格比高，不易損壞，安全可靠，不需對靜電采取對策，應(yīng)用方便等特點。小容量IPM主要適用于家用電器、汽車驅(qū)動、辦公設(shè)備、醫(yī)療機械等領(lǐng)域。目前1PM容量為1000A/1200V，今后將發(fā)展IPM的并聯(lián)技術(shù)和封裝技術(shù)，實現(xiàn)高壓大容量化，擴大應(yīng)用泛圍。肝為即專Hi”IftU席啊蕾早極伽徹b>頃FCTO1￡CT平墓BQMIKk心￡dh中零是設(shè)伊履1中小考量J1DSFETIOK?Imi■gM贓苦小尊?CTlEirr[廿肺NK|村莊*琴宣：MCTMCT為MOS控制晶閘管的復(fù)合器件，實現(xiàn)了耐高壓大容量。但目前尚沒有應(yīng)用實例，以后它在大容量應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⑷〈鶪TO。IEGT、IGCT、IGTT等復(fù)合器件這些器件將在21世紀得到發(fā)展，在近幾年中在實用化方tui面不會有太大的進展。2.2.7概念電力電子器件21世紀將會出現(xiàn)用Si以外材料制成的新型功率變換器件，如SiC、GaAs、超導(dǎo)功率器件、光能功率器件。隨著新理論新材料新機理功率變換器件的問世，將會使功率變換器件進入新時代。2.2.8變頻技術(shù)對電力電子功率變換器件的要求靜止變頻技術(shù)的多功能高性能化在一定意義上說直接取決于功率變換器件的性能。從提高變頻裝置的性能出發(fā)提出以下要求：?高載波頻率下的低開關(guān)損耗；?簡化阻尼電路設(shè)計，為防止短路時元件破壞，確保寬范圍反向偏壓安全動作區(qū)（陽SOA）和短路安全動作區(qū)（SCSOA）；適應(yīng)電磁感應(yīng)EMI（Electro，MagneticInt一erference）規(guī)定的開發(fā)特性；?并聯(lián)容易，實現(xiàn)大容量化；?驅(qū)動電路簡單可靠，應(yīng)用方便：?高性能、低成本；?超大規(guī)模集成電路化，實現(xiàn)功率變換、驅(qū)動、檢測、控制、保護一體化；?多功能智能化；?既導(dǎo)熱又絕緣、高耐壓、新材料、新工藝的封裝技術(shù)，接插技術(shù)直接焊接于印刷電路板。2.2.9常用電力電子變換器件的現(xiàn)狀和動向用表1說明變頻裝置常用電力電子器件的容量、2.2電力電子器件的現(xiàn)狀和動向1晶閘管SCRSCR自1960年被發(fā)明以來，已經(jīng)歷了近四十年的歷史。因其具有高成熟技術(shù)、高壓大容量、高可靠性、價格低廉等優(yōu)點，所以至今仍在直流傳動裝置，交交變頻裝置中廣泛應(yīng)用，特別在高電壓和大電流領(lǐng)域使用更廣泛。目前大直徑芯片3英寸1500A/4500V，4英寸2500A/6000V,6英寸4000A/8000V元件已實用化，我國3英寸元件技術(shù)己成熟，4英寸元件在研制中。今后將發(fā)展光控晶閘管，提高過電壓保護功能和降低功耗。由于晶閘管為電流控制，關(guān)斷不可控、開關(guān)頻率低、用于變頻裝置中輔助電路復(fù)雜，所以將逐步被IGBT、GTO、MCT等自關(guān)斷器件所取代。2.2.2可關(guān)斷晶閘管GTO大容量GTO是由數(shù)個小容量GTO并聯(lián)組成。GTO大容量化、低阻尼化的關(guān)鍵技術(shù)是提高各小容量單元的開關(guān)動作能力和各單元的均流技術(shù)。降低損耗的關(guān)鍵技術(shù)是改善開關(guān)動作損耗。目前3英寸3000A/4500V，4英寸4000A/4500V，6英寸6000A/6000V己被實用化，國內(nèi)尚無可以實用的GTO元件。由于GTO為電流控制型自關(guān)斷器件，存在電流驅(qū)動功率大，一般門極控制電流為主電流的40%，驅(qū)動回路復(fù)雜、并聯(lián)困難、可靠性差、開關(guān)效率不高、開關(guān)損耗大、阻尼電路復(fù)雜。再加上目前尚沒有和驅(qū)動電路相匹配的功率變換器件，使用戶應(yīng)用不方便。這是GTO得不到廣泛應(yīng)用的主要原因，也是今后的研究開發(fā)課題。6丁。目前主要在機車牽引驅(qū)動中應(yīng)用較多，今后將逐步被IGBT、MCT取代。2.2.3絕緣柵晶體管IGBTIGBT是采用MOSFET作輸入級，GTR作輸出級，集成在同一芯片上的復(fù)合器件，為場控型電壓驅(qū)動器件。它開關(guān)頻率高、芯片的電流密度大、元件并聯(lián)容易、容易實現(xiàn)耐高壓大容量化，在90年代中期己被廣泛用于變頻裝置，替代SCR、GTR、GTO，占變頻裝置功率變換器件的主導(dǎo)地位。目前第三代IGBT容量為1800A/2500V，模塊1200A/1700V，己被實用化。IGBT今后的發(fā)展動向：開發(fā)第四代IGBT-IGBT-PIM；增加并聯(lián)數(shù)以增大容量?鴉開發(fā)適用中、高電壓領(lǐng)域的2500A/3300V和1200A/1700V模塊；開發(fā)大功率平板型反向?qū)↖GBT以及光控IGBT；高頻低損耗化。絕緣功率模塊IPM(InsulatedPowerModule)電力電子器件的智能化是發(fā)展方向。智能化器件是將功率變換、驅(qū)動、檢測、保護、故障診斷等功能集成在一塊芯片上，構(gòu)成一臺變頻器，也叫做單片變頻器。它具有元件數(shù)量少，更加小型輕量化，性能價格比高，不易損壞，安全可靠，不需對靜電采取對策，應(yīng)用方便等特點。小容量IPM主要適用于家用電器、汽車驅(qū)動、辦公設(shè)備、醫(yī)療機械等領(lǐng)域。目前【PM容量為1000A/1200V，今后將發(fā)展IPM的并聯(lián)技術(shù)和封裝技術(shù)，實現(xiàn)高壓大容量化，擴大應(yīng)用泛圍。圖開關(guān)頻率、應(yīng)用范圍的現(xiàn)狀和動向。3靜止變頻裝置的發(fā)展靜止變頻裝置經(jīng)過20多年的發(fā)展，己從第一代晶閘管變頻器為模擬系統(tǒng)V/F控制、第二代晶體管變頻器為PWM矢量控制發(fā)展到第三代IGBT變頻器為全數(shù)字化矢量控制。目前低壓變頻器技術(shù)己進入了成熟期，正在普遍推廣應(yīng)用，己由開始以局部節(jié)能為目的而轉(zhuǎn)向全面替代直流電動機調(diào)速傳動的昌盛時期。3.1靜止變頻器分類和特點靜止變頻器主要用于驅(qū)動各類交流電動機，目前應(yīng)用最為廣泛的是電壓型PWM變頻器和交交變頻器。典型靜止變頻器性能表略，介紹了幾種典型的靜止變頻器特點，其中IM為感應(yīng)電機，SM為同步電機。3.1.1交交變頻器交交變頻器為直接變頻，靠電源自然換流無需換流電路。它具有效率高，耐過負荷能力大，輸出電壓、電流為正弦波，技術(shù)成熟，可靠，功率變換器件可用普通晶閘管的特點。目前軋機主機傳動已用6000V/2500A晶閘管構(gòu)成72橋臂交交變頻器，可驅(qū)動10000kW.6000V感應(yīng)電動機或同步電動機，裝置效率可達O.99以上。交交變頻器控制方式可分為無環(huán)流控制和環(huán)流控制。無環(huán)流交交變頻器控制簡單，但其輸出頻率理論上最高為電源頻率的三分之一，使應(yīng)用受到限制，而且正、反切換存在死區(qū)。環(huán)流控制交交變頻器，接有環(huán)流電抗器，控制精度高，輸出頻率可達電源頻率的80%，甚至可超過電源頻率，正、反切換無死區(qū)，可實現(xiàn)低脈動力矩，響應(yīng)快，主要適用于熱連軋機、冷連軋機、造紙機等要求高精度場合。普通交交變頻器主回路一般采用36橋臂，其諧波分量大，特別產(chǎn)生5、7次諧波及旁頻分量。采用72橋臂交交變頻器，實現(xiàn)雙重化控制，可改善輸出波形，抑制力矩波動，降低諧波。超過5000kW的主傳動特別如軋機主傳動采用二套1500A/4000V晶閘管的36橋臂構(gòu)成雙重化72橋臂交交變頻器，不含高次諧波分量，可實現(xiàn)高壓大容量化。36橋臂無環(huán)流交交變頻器及72橋臂有環(huán)流控制交交變頻器圖略。為了解決交交變頻器存在的電源功率因數(shù)低，輸出頻率受限制等問題，采用晶閘管和GT。構(gòu)成直接反并聯(lián)的混合式交交變頻器，圖略。晶閘管和GTO同時給脈沖，晶閘管靠電源自然換流，為滯后功率因數(shù)，6丁0自己換流為超前功率因數(shù)。因此混合式交交變頻器可使電源功率A因數(shù)接近1，而且沒有環(huán)流，正、反切換無死區(qū)，可提高輸出頻率，而72橋臂可使晶閘管變流器和GTO變流器產(chǎn)生的低次諧波、無功功率相抵消，可以消除電源系統(tǒng)的低次諧波及旁頻。目前采用三電平GTO變頻器實現(xiàn)高壓大容量化。表2GTO電壓型PWM變頻器GTO變頻器比交交變頻器的功率因數(shù)高而且可以控制，主要用于大容量傳動設(shè)備。采用三電平GTO變頻器可以驅(qū)動10000kW感應(yīng)電動機或同步電動機，目前采用6000A/6000V等級的GTO構(gòu)成的GTO變頻器可以驅(qū)動8000kW等級交流電動機，在機車牽引、軋機傳動，特別是在象初軋開坯軋機等低速大容量傳動設(shè)備上用得較多，圖略。由于GTO的驅(qū)動電路復(fù)雜，控制極關(guān)斷電流大，且存在保護、冷卻、驅(qū)動等問題，使GT。變頻器沒有得到普遍推廣應(yīng)用，近幾年己逐步被IGBT變頻器所取代。GTO變頻器今后的技術(shù)發(fā)展將是減小GTO門板驅(qū)動功率，生產(chǎn)和GTO相適應(yīng)的門極驅(qū)動電路。IGBT電壓型PWM變頻器IGBT是MOS型電壓控制電力電子器件，IGBT變頻器具有控制簡單，動作安全，保護可靠，開關(guān)頻率高，電流密度大，并聯(lián)容易，容易實現(xiàn)大容量化等特點，因而得到了普遍應(yīng)用。隨著IGBT的高耐壓大容量化，采用多電平IGBT變頻器可以應(yīng)用于中、高電壓場所，目前用600A/1200V元件并聯(lián)構(gòu)成的IGBT變頻器單機容量可做到1500kVA。三電平IGBT變頻器主回路，圖略。IPM電壓型PWM變頻器IPM變頻器集功率變換、驅(qū)動、高精度電壓、電流檢測、控制于一體，封裝在一個管內(nèi)，一個芯片為1臺PWM變頻器，可完成功率變換、檢測、驅(qū)動、保護、自診斷等功能。這種變頻器結(jié)構(gòu)簡單，小型輕量化，使用方便，主回路無需配線，抗干擾能力強，安全可靠。目前有將7個IGBT或MOSFE器，最大容量己做到200kVA，主要應(yīng)用場合為空調(diào)、冰箱、洗衣機等家用電器及汽車、輕工、紡織、交流伺服系統(tǒng)、醫(yī)療器械、太陽能發(fā)電和微波送電裝置等小容量傳動設(shè)備。T集成在一起的IPM變頻圖3.2靜止變頻器的未來技術(shù)?高壓大功率化，中高壓變頻器工程應(yīng)用，高頻化低損耗，大規(guī)模集成智能化；?阻尼電路能量再生或無阻尼回路技術(shù)；?無諧波變頻技術(shù)；?電機控制一體化技術(shù)（智能電機）；?無傳感器矢量控制技術(shù)；?新概念變頻器的研究開發(fā)應(yīng)用。4控制技術(shù)微電子技術(shù)的發(fā)展，使靜止變頻裝置數(shù)字化，控制高精度化，高功能化，數(shù)據(jù)處理高速化。4.1矢量控制技術(shù)矢量控制有轉(zhuǎn)差頻率控制加磁通控制方式和磁場定向控制方式。由于轉(zhuǎn)差頻率控制方式簡單、使用方便，得到了普遍應(yīng)用。矢量控制框圖略。圖中1為速度調(diào)節(jié)器：2為轉(zhuǎn)子溫度檢測；3為矢量運算器；4為磁通控制器：5為延時補償器；6為電流調(diào)節(jié)器；7為PWM調(diào)制器。磁場定向方式具有良好的力矩控制性能。4.2全數(shù)字控制技術(shù)控制技術(shù)的數(shù)字化是靜止變頻裝置的核心技術(shù)，是今后的發(fā)展趨勢。目前市場上的變頻裝置幾乎全面實現(xiàn)了數(shù)字化控制，電子元件的高性能和小型化，使變頻裝置實現(xiàn)了控制的高精度。采用DSP和ASIC（ApplicationSpecificIC），實現(xiàn)了快速運算和高精度控制，可以得到良好的電流波形，使變頻器的噪音大幅度降低。由于應(yīng)用微電子技術(shù)和ASIC技術(shù)，裝置的元器件數(shù)量得以大幅度減少，從而使變頻裝置的可靠性大幅度提高。早期由于受CPU處理速度限制和離散化延遲時間的影響，電流控制響應(yīng)為數(shù)毫秒，速度控制響應(yīng)為10ms左右。近年來CPU處理速度的提高和應(yīng)用DSP、ASIC控制使掃描時間大幅度縮短，目前電流響應(yīng)為0.1-0.7ms，速度響應(yīng)為2—4ms，足以滿足傳動領(lǐng)域要求。4.3前饋控制技術(shù)目前在靜止變頻裝置中廣泛應(yīng)用現(xiàn)代控制理論的前饋控制技術(shù)，在鋼鐵工業(yè)軋機主傳動中用來抑制軋機軸扭矩振動和彈性剛度下降。摘要?押介紹了變頻器新技術(shù)及相關(guān)核心技術(shù)，電力電子器件，數(shù)字矢量控制技術(shù)的現(xiàn)狀及未來展望。關(guān)鍵詞?押21世紀變頻技術(shù)；交交變頻器；GTO變頻器；IGBT變頻器；電力電子器件；展望文章編號:1008-0570（2004）07-0037-041前言現(xiàn)代變頻技術(shù)是交流電動機控制的核心技術(shù)，而變頻技術(shù)的核心是功率變換器件和微電子控制技術(shù)。電力電子和微電子技術(shù)的發(fā)展，推動了變頻技術(shù)的發(fā)展，反過來變頻技術(shù)的發(fā)展又對電力電子變換器件提出了新要求。20世紀是電力電子變頻技術(shù)由誕生到發(fā)展的一個全盛時代。20世紀30年代應(yīng)用機械旋轉(zhuǎn)式變頻機組，將工頻電源變換成低于工頻以下的電源，功率變換器件是原動機發(fā)電機機組，存在效率低、損耗大、噪聲大、體積大等問題。60年代SCR（晶閘管）問世，70年代晶閘管變頻器開始逐步取代變頻機組，進入了電力電子變頻技術(shù)時代，使變頻技術(shù)有了新發(fā)展。但由于晶閘管換向是靠外界電源自然換向或被強迫換向的，只能控制導(dǎo)通而不能直接控制關(guān)斷，因此需要復(fù)雜的換向電路和電壓、電流保護回路，控制復(fù)雜，開關(guān)頻率低，目前主要用于交交變頻器。80年代自關(guān)斷器件大功率雙極性晶體管GTR的問世，出現(xiàn)了高性能GTR變頻器，曾經(jīng)紅過一陣，其性能大大優(yōu)于晶閘管變頻器，很快就在工業(yè)領(lǐng)域得到推廣應(yīng)用。但由于GTR、GTO（可關(guān)斷晶閘管GateTurnOff）為電流控制器件、存在驅(qū)動功率大、開關(guān)頻率不高、并聯(lián)困難等問題，影響實現(xiàn)大容量化及高頻低損耗。用戶的高頻化要求推進了功率器件柵極的MOS化，90年代MOS場控型IGBT（絕緣柵晶體管InsulatedGateBipolarTransistor）廣泛用作變頻器的功率變換器件。它具有開關(guān)頻率高、并聯(lián)容易，容易實現(xiàn)高壓大容量化、控制方便的特點，所以一登場就體現(xiàn)了強大生命力，很快取代了GTR，其應(yīng)用從通用變頻器（INV）、不間斷電源（UPS）、數(shù)值控制（NC）、伺服（SV）、機器人，以至擴大到家用電器、辦公自動化、醫(yī)療器械、太陽能發(fā)電等所有領(lǐng)域。IGBT變頻器已成為90年代變頻調(diào)速技術(shù)的主流，在未來21世紀相當長的一段時間內(nèi)仍將是電氣傳動領(lǐng)域的主導(dǎo)變頻器。在21世紀IGBT智能化模塊IGBT,IPM及智能化變頻器將會有很大的發(fā)展。功率器件及變頻器的智能化是將功率變換、驅(qū)動、檢測、控制、保護等功能集成化，實現(xiàn)高效節(jié)能、多功能、高性能、高附加值化。同時將研究開發(fā)新電力電子器件IGCT（集成門極強驅(qū)動晶閘管IntegratedGateCommutatedThyristor）、MCT（MOS控制晶閘管MOSControlledThyristor）、IEGT（集成發(fā)射式門極晶閘管IntegratedEmitGateThyristor）、GaAs（砷化嫁）、SiC（碳化硅復(fù)合器件）、SITH（靜電感應(yīng)晶閘管StaticInductThyristor）、光控IGBT及超導(dǎo)功率器件等新功能功率變換器?，F(xiàn)在變頻裝置幾乎已實現(xiàn)了數(shù)字化控制，但控制技術(shù)的微電子數(shù)字化仍是今后的發(fā)展趨勢。變頻裝置的數(shù)字化技術(shù)是從80年代中期開始逐步發(fā)展到16位、32位微處理器，目前普遍采用DSP（DigitalSignalProcessor）高速數(shù)字信號處理器。隨著IGBT等器件的高壓大容量，中、高壓大容量的變頻裝置也將會廣泛應(yīng)用到各個領(lǐng)域。2變頻裝置應(yīng)用的電力電子器件發(fā)展狀況用于變頻裝置的代表性電力電子器件有IGBT、GTO、SCR、二極管等。2.1電力電子器件的發(fā)展電力電子器件發(fā)展狀況表略。60年代晶閘管的出現(xiàn)開創(chuàng)了電力電子器件時代，晶閘管隨著直流傳動調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展而得到了發(fā)展。70年代末GTR和GTO電流控制型自關(guān)斷器件的出現(xiàn)，進入了第二代電力電子時代，自關(guān)斷器件和PWM控制技術(shù)相結(jié)合使變頻技術(shù)得到了很大發(fā)展。80年代初開始應(yīng)用于PWM（PulseWidthModulation）變頻器的直流電源，80年代末應(yīng)用于交交變頻器。90年代末出現(xiàn)的高開關(guān)頻率低損耗的MOS電壓控制型IGBT及IGBT—IPM模塊，使電力電子器件進入了第三代。IGBT仍將成為21世紀初變頻裝置的主導(dǎo)功率變換器件。高頻化低損耗和高耐壓大容量器件是今后的研究開發(fā)方向。隨著新材料新功能等新概念功率器件的開發(fā)，在21世紀將進入新一代電力電子時代。2.2電力電子器件的現(xiàn)狀和動向1晶閘管SCRSCR自1960年被發(fā)明以來，已經(jīng)歷了近四十年的歷史。因其具有高成熟技術(shù)、高壓大容量、高可靠性、價格低廉等優(yōu)點，所以至今仍在直流傳動裝置，交交變頻裝置中廣泛應(yīng)用，特別在高電壓和大電流領(lǐng)域使用更廣泛。目前大直徑芯片3英寸1500A/4500V，4英寸2500A/6000V，6英寸4000A/8000V元件已實用化，我國3英寸元件技術(shù)己成熟，4英寸元件在研制中。今后將發(fā)展光控晶閘管，提高過電壓保護功能和降低功耗。由于晶閘管為電流控制，關(guān)斷不可控、開關(guān)頻率低、用于變頻裝置中輔助電路復(fù)雜，所以將逐步被IGBT、GTO、MCT等自關(guān)斷器件所取代。2.2.2可關(guān)斷晶閘管GTO大容量GTO是由數(shù)個小容量GTO并聯(lián)組成。GTO大容量化、低阻尼化的關(guān)鍵技術(shù)是提高各小容量單元的開關(guān)動作能力和各單元的均流技術(shù)。降低損耗的關(guān)鍵技術(shù)是改善開關(guān)動作損耗。目前3英寸3000A/4500V，4英寸4000A/4500V，6英寸6000A/6000V己被實用化，國內(nèi)尚無可以實用的GTO元件。由于GTO為電流控制型自關(guān)斷器件，存在電流驅(qū)動功率大，一般門極控制電流為主電流的40%，驅(qū)動回路復(fù)雜、并聯(lián)困難、可靠性差、開關(guān)效率不高、開關(guān)損耗大、阻尼電路復(fù)雜。再加上目前尚沒有和驅(qū)動電路相匹配的功率變換器件，使用戶應(yīng)用不方便。這是GTO得不到廣泛應(yīng)用的主要原因，也是今后的研究開發(fā)課題。6丁0目前主要在機車牽引驅(qū)動中應(yīng)用較多，今后將逐步被IGBT、MCT取代。2.2.3絕緣柵晶體管IGBTIGBT是采用MOSFET作輸入級，GTR作輸出級，集成在同一芯片上的復(fù)合器件，為場控型電壓驅(qū)動器件。它開關(guān)頻率高、芯片的電流密度大、元件并聯(lián)容易、容易實現(xiàn)耐高壓大容量化，在90年代中期己被廣泛用于變頻裝置，替代SCR、GTR、GTO，占變頻裝置功率變換器件的主導(dǎo)地位。目前第三代IGBT容量為1800A/2500V，模塊1200A/1700V，己被實用化。IGBT今后的發(fā)展動向：開發(fā)第四代IGBT-IGBT-PIM；增加并聯(lián)數(shù)以增大容量?鴉開發(fā)適用中、高電壓領(lǐng)域的2500A/3300V和1200A/1700V模塊；開發(fā)大功率平板型反向?qū)↖GBT以及光控IGBT；高頻低損耗化。絕緣功率模塊IPM(InsulatedPowerModule)電力電子器件的智能化是發(fā)展方向。智能化器件是將功率變換、驅(qū)動、檢測、保護、故障診斷等功能集成在一塊芯片上，構(gòu)成一臺變頻器，也叫做單片變頻器。它具有元件數(shù)量少，更加小型輕量化，性能價格比高，不易損壞，安全可靠，不需對靜電采取對策，應(yīng)用方便等特點。小容量IPM主要適用于家用電器、汽車驅(qū)動、辦公設(shè)備、醫(yī)療機械等領(lǐng)域。目前【PM容量為1000A/1200V，今后將發(fā)展IPM的并聯(lián)技術(shù)和封裝技術(shù)，實現(xiàn)高壓大容量化，擴大應(yīng)用泛圍。表1開關(guān)頻率、應(yīng)用范圍的現(xiàn)狀和動向。3靜止變頻裝置的發(fā)展靜止變頻裝置經(jīng)過20多年的發(fā)展，己從第一代晶閘管變頻器為模擬系統(tǒng)V/F控制、第二代晶體管變頻器為PWM矢量控制發(fā)展到第三代IGBT變頻器為全數(shù)字化矢量控制。目前低壓變頻器技術(shù)己進入了成熟期，正在普遍推廣應(yīng)用，己由開始以局部節(jié)能為目的而轉(zhuǎn)向全面替代直流電動機調(diào)速傳動的昌盛時期。3.1靜止變頻器分類和特點靜止變頻器主要用于驅(qū)動各類交流電動機，目前應(yīng)用最為廣泛的是電壓型PWM變頻器和交交變頻器。典型靜止變頻器性能表略，介紹了幾種典型的靜止變頻器特點，其中IM為感應(yīng)電機，SM為同步電機。3.1.1交交變頻器交交變頻器為直接變頻，靠電源自然換流無需換流電路。它具有效率高，耐過負荷能力大，輸出電壓、電流為正弦波，技術(shù)成熟，可靠，功率變換器件可用普通晶閘管的特點。目前軋機主機傳動已用6000V/2500A晶閘管構(gòu)成72橋臂交交變頻器，可驅(qū)動10000kW、6000V感應(yīng)電動機或同步電動機，裝置效率可達O.99以上。交交變頻器控制方式可分為無環(huán)流控制和環(huán)流控制。無環(huán)流交交變頻器控制簡單，但其輸出頻率理論上最高為電源頻率的三分之一，使應(yīng)用受到限制，而且正、反切換存在死區(qū)。環(huán)流控制交交變頻器，接有環(huán)流電抗器，控制精度高，輸出頻率可達電源頻率的80%，甚至可超過電源頻率，正、反切換無死區(qū)，可實現(xiàn)低脈動力矩，響應(yīng)快，主要適用于熱連軋機、冷連軋機、造紙機等要求高精度場合。普通交交變頻器主回路一般采用36橋臂，其諧波分量大，特別產(chǎn)生5、7次諧波及旁頻分量。采用72橋臂交交變頻器，實現(xiàn)雙重化控制，可改善輸出波形，抑制力矩波動，降低諧波。超過5000kW的主傳動特別如軋機主傳動采用二套1500A/4000V晶閘管的36橋臂構(gòu)成雙重化72橋臂交交變頻器，不含高次諧波分量，可實現(xiàn)高壓大容量化。36橋臂無環(huán)流交交變頻器及72橋臂有環(huán)流控制交交變頻器圖略。為了解決交交變頻器存在的電源功率因數(shù)低，輸出頻率受限制等問題，采用晶閘管和GT0構(gòu)成直接反并聯(lián)的混合式交交變頻器，圖略。晶閘管和GTO同時給脈沖，晶閘管靠電源自然換流，為滯后功率因數(shù)，6丁0自己換流為超前功率因數(shù)。因此混合式交交變頻器可使電源功率A因數(shù)接近1，而且沒有環(huán)流，正、反切換無死區(qū)，可提高輸出頻率，而72橋臂可使晶閘管變流器和GTO變流器產(chǎn)生的低次諧波、無功功率相抵消，可以消除電源系統(tǒng)的低次諧波及旁頻。目前采用三電平GTO變頻器實現(xiàn)高壓大容量化。表2GTO電壓型PWM變頻器GTO變頻器比交交變頻器的功率因數(shù)高而且可以控制，主要用于大容量傳動設(shè)備。采用三電平GTO變頻器可以驅(qū)動lOOOOkW感應(yīng)電動機或同步電動機，目前采用6000A/6000V等級的GTO構(gòu)成的GTO變頻器可以驅(qū)動8000kW等級交流電動機，在機車牽引、軋機傳動，特別是在象初軋開坯軋機等低速大容量傳動設(shè)備上用得較多，圖略。由于GTO的驅(qū)動電路復(fù)雜，控制極關(guān)斷電流大，且存在保護、冷卻、驅(qū)動等問題，使GT。變頻器沒有得到普遍推廣應(yīng)用，近幾年己逐步被IGBT變頻器所取代。GTO變頻器今后的技術(shù)發(fā)展將是減小GTO門板驅(qū)動功率，生產(chǎn)和GTO相適應(yīng)的門極驅(qū)動電路。IGBT電壓型PWM變頻器IGBT是MOS型電壓控制電力電子器件，IGBT變頻器具有控制簡單，動作安全，保護可靠，開關(guān)頻率高，電流密度大，并聯(lián)容易，容易實現(xiàn)大容量化等特點，因而得到了普遍應(yīng)用。隨著IGBT的高耐壓大容量化，采用多電平IGBT變頻器可以應(yīng)用于中、高電壓場所，目前用600A/1200V元件并聯(lián)構(gòu)成的IGBT變頻器單機容量可做到1500kVA。三電平IGBT變頻器主回路，圖略。IPM電壓型PWM變頻器IPM變頻器集功率變換、驅(qū)動、高精度電壓、電流檢測、控制于一體，封裝在一個管內(nèi)，一個芯片為1臺PWM變頻器，可完成功率變換、檢測、驅(qū)動、保護、自診斷等功能。這種變頻器結(jié)構(gòu)簡單，小型輕量化，使用方便，主回路無需配線，抗干擾能力強，安全可靠。目前有將7個IGBT或MOSFET集成在一起的IPM變頻器，最大容量己做到200kVA，主要應(yīng)用場合為空調(diào)、冰箱、洗衣機等家用電器及汽車、輕工、紡織、交流伺服系統(tǒng)、醫(yī)療器械、太陽能發(fā)電和微波送電裝置等小容量傳動設(shè)備。3.2靜止變頻器的未來技術(shù)?高壓大功率化，中高壓變頻器工程應(yīng)用，高頻化低損耗，大規(guī)模集成智能化；?阻尼電路能量再生或無阻尼回路技術(shù)；?無諧波變頻技術(shù)；?電機控制一體化技術(shù)（智能電機）；?無傳感器矢量控制技術(shù)；?新概念變頻器的研究開發(fā)應(yīng)用。4控制技術(shù)微電子技術(shù)的發(fā)展，使靜止變頻裝置數(shù)字化，控制高精度化，高功能化，數(shù)據(jù)處理高速化。4.1矢量控制技術(shù)矢量控制有轉(zhuǎn)差頻率控制加磁通控制方式和磁場定向控制方式。由于轉(zhuǎn)差頻率控制方式簡單、使用方便，得到了普遍應(yīng)用。矢量控制框圖略。圖中1為速度調(diào)節(jié)器：2為轉(zhuǎn)子溫度檢測；3為矢量運算器；4為磁通控制器：5為延時補償器；6為電流調(diào)節(jié)器；7為PWM調(diào)制器。磁場定向方式具有良好的力矩控制性能。4.2全數(shù)字控制技術(shù)控制技術(shù)的數(shù)字化是靜止變頻裝置的核心技術(shù)，是今后的發(fā)展趨勢。目前市場上的變頻裝置幾乎全面實現(xiàn)了數(shù)字化控制，電子元件的高性能和小型化，使變頻裝置實現(xiàn)了控制的高精度。采用DSP和ASIC（ApplicationSpecificIC）,實現(xiàn)了快速運算和高精度控制，可以得到良好的電流波形，使變頻器的噪音大幅度降低。由于應(yīng)用微電子技術(shù)和ASIC技術(shù)，裝置的元器件數(shù)量得以大