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1、沟通驱动器的重要性lihan导语：变频驱动器VFDs所具有的体积更小、更加智能、效率更高、本钱更低的传统已经延续了50年。变频驱动器VFDs所具有的体积更小、更加智能、效率更高、本钱更低的传统已经延续了50年。随着对其性能要求越来越高，这种开展趋势将更加明显。在过去50年里，大家可以看到沟通变频驱动器Variable-FrequencyDrives,VFDs的外形尺寸和重量已经有了很明显的变化。但是在这种表象下更加显著的变化是这些电机驱动器所表现出的性能、效率和可靠性的改善。产生这些变化的原因是功率开关晶体管、微处理器、其他硬件及软件功能的进步，这些减少了用户对驱动器应用和维护所需要投入的精力
2、。早期的沟通驱动器是开环运行的，仅有有限的功能。一个重大的进步是1971年Siemens公司的FelixBlaschke开发出用于感应电机的磁场定向磁通矢量控制技术，并在其别人的努力下，最终使得变频驱动器在很多应用场合到达或者超过了直流驱动器的性能。无速度传感器矢量控制省去了轴角编码器和其他驱动算法也随后出现。而且，这些改良仍在不断加速中。RockwellAutomation公司产品经理WilliamL.Sinner留意到两大历史性的变化分别影响着变频驱动器的功率和控制这两方面。早期的沟通驱动器20世纪80年代由于晶体管的电压和电流等级有限，每相采用多个晶体管。而如今已变为一体化封装，所以今天
3、一个10马力1马力=0.745kW驱动器的体积比过去驱动器中的一个晶体管单元还要小。“为了制造商能开发出更小、更高效的功率设备，新一代晶体管的性能仍然需要继续进步,Sinner这样讲。绝缘栅双极晶体管IGBTs仍然是如今主要的功率器件。在控制方面，模拟控制在最初阶段是占统治地位的，目前正让位于数字控制，尽管数字控制起初只是基于集成电路。Sinner又提到，基于微处理器的数字驱动器在稍晚时间出现，一开场只是提供开环V/Hz控制。微处理器单元的继续开展实现了在一台驱动器中参加多种控制形式，只需通过改变软件参数来转换控制形式。多种控制类型，互连性多种控制形式代表着变频驱动器领域目前的开展程度。典型的
4、低端驱动器提供V/Hz和无速度传感器矢量控制方式，而高端驱动器起初是采用磁通矢量控制，后来也参加了其他控制形式。例如，Rockwell公司的PowerFlex700S通过内置的Logix处理器提供几种控制形式，其中包括伺服控制。产品线间的技术移植是另一种趋势，Sinner以低端PowerFlex70参加矢量控制和一些高端的驱动器采用V/Hz控制为例进展了讲明。为什么高端产品会使用开环控制？Sinner以为，是由于V/Hz变换可以使一台驱动器控制多种不同类型的电机。一种型号的驱动器应用于多种不同的场合有利于降低备件库存。互连性是当前变频驱动器的另一个重要特征，Rockwell公司所有驱动器都是这
5、样装备的。根据该公司的经历，目前联网的驱动器已经到达使用总数的50%，而且高端单元的使用量还在增加。Sinner讲：“在过去的3年中，联网驱动器的百分比已经翻了一番。DanfossDrives公司产品经理TomMomberger的观点是：“将微处理器技术应用于变频驱动器是今天沟通驱动器性能进步的主要原因。对于物理外形上的改变，他比照了一种1968年消费的典型的模拟型5马力沟通驱动器为使用该驱动器，它的油冷单元需要进展多种不同的手工调整与当前变频驱动器体积和重量的数字见Danfoss公司过去的5马力VLT型驱动器照片。当然，新型的沟通驱动器还参加了很多其他特性，例如可通过操纵员键盘或者计算机进展
6、编程。“微处理器已经使这一切成为可能，Momberger讲。根据Momberger的观点，灵敏性、智能化和友好的用户操纵环境是变频驱动器技术开展的特征。灵敏性意味着只用一种类型的驱动器即可提供开环、闭环、磁通矢量甚至准伺服near-servo控制来知足多种应用。他讲：“这种功能通过减少现场库存、操纵员培训和备件的本钱，降低了驱动器所有者的本钱。微处理器单元和先进的诊断才能允许使用者智能地配置一台驱动器，因此降低了试运行本钱和停工时间。而软件功能，如自动电机适配和软件向导，去除了设置驱动器/电机连接经过中的不确定性。“软件功能中友好的操纵界面缩短了设置经过以减少操纵员可能的错误，简化了与驱动器的
7、交互，Momberger解释讲。Danfoss公司的新产品FC-302自动驱动用具有所有这些特征。PWM、DTC、模块化在沟通驱动器开展的重要里程中，ABB公司见证了工业用基于脉宽调制驱动器的出现和1995年直接转矩控制的引入。IlkkaIkonen在芬兰的ABBOy驱动器市场沟通会上提到，ABB公司第一台脉宽调制驱动器的工业安装使用出现于20世纪70年代。造纸厂和地铁的应用为这一重要产品的进步和鲁棒性打下了根底。他讲：“这种技术在这些应用中证实了它的可靠性和竞争力后，人们开场承受沟通驱动器作为主导控制技术来代替直流驱动器。ABB公司以为它的直接转矩控制是一种先进的技术，不需要分别控制电压和频
8、率就可以直接控制电机的转矩和转速。更值得一提的是它的快速转矩反响时间和控制精度，“通常比脉宽调制要快10倍。直接转矩控制还能优化电机磁通，这样能进步电机和驱动器的总能量利用率。直接转矩控制不用调节器，控制时无需电机轴位置和速度反应。“采用直接转矩控制，速度为零时转矩可达100%，低频时微转矩增量可在小于1ms的时间内得到控制，Ikonen讲。如今，ABB的沟通驱动器能通过“按订单配置产品知足多种用户需求，其模块化设计发挥了重要作用。几乎可以知足购置者的所有需求，如交货时间、质量和本钱，就好似现货一样。BoschRexroth公司开发的可靠的开关器件和微处理器，使得目前的变频驱动用具有体积更小、
9、效率更高和鲁棒性更强的特点。元件部经理PeterFischbach讲：“基于隔离电源模块的晶闸管或者场效应晶体管以及后来出现的绝缘栅双极晶体管，结合正弦脉宽调制控制法，彻底改变了电源局部和散热系统的设计。align=center图1：Danfoss公司同一系列的变频驱动器在30多年的开展中发生很大变化。VLT200包括模拟PWM控制，而VLT3000起转为数字控制。/alignIGBT、MPURexroth公司在1988年发布了全系列基于IGBT的驱动器产品，其实，该公司的沟通驱动业务早在1965年就开展起来了，并于1968年推出了它的第一台高速、机架型工业用变频驱动器，它可使感应打磨电机的运
10、转速度到达180，000rpm。微处理器单元的开展与持续进步第二个里程碑使Rexroth公司于1982年消费出最早的微处理器控制的工业用变频驱动器之一。这种变频驱动器的特征是具有带键盘的点阵LCD操纵员模块和菜单指导的设置功能，替换了基于模拟电位计的设置。1989年，更新的开展导致了全系列采用IGBT和磁通矢量控制驱动器的出现。Fischbach讲，这些变频驱动器的特点是具有最大起动转矩、改良的低速时转速控制和使用反应控制，到达并超过了直流驱动器的性能。EmersonControlTechniquesCT的驱动器设计工程师JimThompson以为，早期的变频驱动器受到了采用可控硅整流器和相当
11、复杂的6步six-step控制的限制。“使用可控硅的功率逆变器体积很大，并需要装备复杂的换相电路，其中包括很多电感和电容他讲,“6步输出在电机中产生高次谐波，导致出现不希望的额外发热，而且这种方案不能快速动态的控制电机电流需要更高性能的驱动器来解决。除了进步功率器件的开关速度，IGBT还允许迅速地调整电机的工作电压。“这使带宽相当高的磁场定向控制矢量控制成为可行，并能快速、高精度地控制转速velocityprofiling与定位，Thompson解释讲。电子控制的高本钱也限制了早期沟通变频驱动器的性能。“数字控制那时并不很实用，主要是由于需要在驱动模块中参加体积宏大的系统级电路或者计算机辅助装
12、置。他补充到。align=center图2：变频驱动技术的进步表如今Rockwell自动化新的2hp的PowerFlex4驱动器比1985年消费的具有一样功率等级的1332沟通驱动器左小70%。PowerFlex4仅重2.2磅，可以放在手掌中，而1332重量为16.8磅。/alignEmersonCT以为快速脉宽调制输出是变频驱动器的主要特征，由于它产生的谐波电流最小并能动态的控制电机转矩。配置功能丰富的特点使当代沟通驱动器更具特色。典型的可选特点包括调整速度或者转矩，承受多种模拟或者数字参考电压，反应速度或者转矩，还有控制同步伺服和感应电机。根据Thompson的观点，相对的廉价、可扩展选择
13、模块是另外一种受欢送的特点，其中包括提供额外的I/O端口、反应或者通讯功能。直流驱动器早期的开展方向是变速电机控制。Yaskawa涉足直流和沟通电机领域的研究有很长的历史。Yaskawa美国研发主管TsuneoKume博士讲，通过采用可控硅和门极可关断功率开关器件实现变压/频控制，使得沟通驱动器于20世纪70年代在工业领域有很大进步，根据Yaskawa和其他一些公司的资料，变频驱动器主要的工业打破是在钢厂处理和金属电镀的应用。从模拟到数字控制电路的进步也是从那时开场的。align=center图3：Rexroth公司在1982年消费的PWM变频驱动器是最早的应用微处理器控制的工业用变频驱动器之
14、一。它的数字编程模块包括一个D/A转换器来提供模拟电压和电流指示。/alignKume介绍讲，用于造纸机的磁通矢量控制驱动器和机床转轴驱动器随后出现于20世纪70年代末。IGBT成为通用变频驱动器功率器件的选择大约是在1990年。采用集成微处理器单元的数字驱动器很快成为Yaskawa公司的标准，并且无速度传感器矢量控制驱动器随后出现于1995年。展望将来的十年，Rockwell自动化公司的Sinner以为变频驱动器将变得更加智能化。他讲：“扩展辅助启动功能，将允许通过最少的用户介入来配置智能驱动器。在电机内嵌入芯片，使其自动鉴别驱动器的启动。更严密地与控制系统集成也是变频驱动器的开展方向。Si
15、nner比拟了诸多现有驱动器连接方式和他所讲的即将开场的真正的集成。这种真正的集成使驱动器完全成为控制系统编程和配置环境的一局部。“这种功能通过普通的驱动器特征技术移植，继承高端产品，进而消费出低价产品，他补充到。DanfossDrives公司的Momberger预计在工业中分布式驱动器系统的使用量将会增加，这推动了在电机附近或者其上安装低本钱、高可靠性的驱动器的趋势，这样可以不使用长的电机/驱动器连接电缆设备和连接收道盘conduittrays，以降低安装本钱。“此外，分布式驱动器可使由长电机电缆引起的电磁兼容问题最小化，降低了使用昂贵滤波器的本钱，他讲。分布式系统由于在变频驱动器中更多的集
16、成了运动控制和可编程逻辑控制器的功能，需求量还将会增长。其他一些开展还包括更多的使用和以太网兼容的通讯功能，这样可将驱动器应用信息连接到工厂内部广域网络和无线访问驱动器，十分是当这些驱动器用于环境恶劣的场所。“以太网描绘了建立工业标准通讯系统的最正确时机，Momberger补充讲。同时，BoschRexroth公司的Fischbach以为今天可任选的驱动器特征将来会变为必须的，他以大启动转矩、闭环速度和转矩控制、预防性维护和数据与制造控制系统直接连接为主要例证。另外，他还提及到一些将要出现的进步：随着能量本钱和电网标准的进步，有源驱动器前端包括谐波抑制逐渐被承受；简单的调速控制器开展为可晋级、
17、分布式、现场级的具有可编程控制器功能或者处理才能的机构/经过控制单元。align=center图4：ABB公司最新ACS550标准驱动器的直观控制面板内置辅助软件，明晰的多语言显示方便用户使用。/align集成外部功能根据EmersonCT的讲法，将来的变频驱动器将会更多的集成多种外部功能。可编程控制器和运动控制功能如今可以在一台驱动器中以相当低的总系统本钱实现。“对于最尖端的系统应用，多数的逻辑和运动控制仍然必须由外围电子设备处理，但我们希望这种情况能很快改变，Thompson讲。“我们希望将来驱动系统的组成局部完全包括在机壳内部，其中有驱动器单元、电源线和限流设备、串行通讯线、人机显示和接
18、口设备。ABB公司提到对环境影响的日益关注和高能量消耗的问题影响着将来的沟通驱动器。它们注定要更广泛地应用于所有行业和开展中的市场，根据ABB的目的，它要进步全球采用变速控制的电机仅占5%数目。它还提到了驱动器的体积将会持续缩小，甚至参加了小型化的特征。今后变频驱动器将会有新的、非传统的应用领域取代其他类型的控制器或者参加到新兴自动化领域。Yaskawa公司同样也预见到将来的变频驱动器将更多地介入“绿色技术的开展，十分是可能介入解决高能量消耗和区域性电力短缺的问题。高效和节能显而易见是人们渴望的优点，但是低运行本钱、高可靠性和更紧凑的驱动器设计也是人们所期望的。工业和学术界对新型控制拓扑的研究
19、一直在继续，Kume博士解释讲，而现存的新型控制技术，如三电平拓扑和矩阵变换器，都将有更广阔的应用领域。使用三电平拓扑构造的好处包括对电机的浪涌电压较低、漏电流较低和低速时散热治理得到改良。甚至更新型的矩阵变换器也隐约显示出十分的吸引力，如它增强了变频驱动器再生能量的才能和去除了直流总线的电容。矩阵变换器的产品方案于2005年投入市场，应用于可再生能量的场合。Kume预计今后矢量控制和无速度传感器矢量控制的性能将会进步，尤其是在电机转速接近零时力矩的控制性能。由于受到操纵简单和体积与价格的持续降低的推动，变频驱动器的应用领域将会扩展。体积更小意味着更轻易集成。“驱动单元会更易于安装在机械设备或者电机上，他讲。Kume总结讲，在更远一点的将来，新一代功率器件将对沟通驱动器产生重大的影响，碳化硅技术将带来能耗更低和更小型化的可能。align=center图5:EmersonCT公司Unidrive系列表达了本日沟通驱动器的扩展才能。它具有Profibus接口、扩展I/O，以及将驱动器与机器其他部件同步的反应接口。/align