交流电驱动在21世纪仍然至关重要

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物理尺寸和重量是交流变频驱动器(vfd)在过去50年里显著发展的最明显证据。然而，在这些电机控制系统的性能、效率和可靠性方面，皮肤下的东西更加引人注目。使这一切成为现实的是功率开关晶体管、微处理器、其他硬件的进步，加上软件功能，减轻了用户对驱动器应用和维护的担忧。

早期的交流驱动器在开环运行，但性能有限。1971年，西门子公司的Felix Blaschke为感应电机开发了磁场定向(磁链矢量)控制，这是向前迈出的重要一步，随后其他人也相继开发了磁场定向(磁链矢量)控制，最终推动VFDs在许多应用中达到或超过直流驱动器的性能。无传感器矢量控制(取消轴编码器)和其他驱动算法的进步紧随其后。而且进化还在加速。

罗克韦尔自动化(Rockwell Automation)产品线经理William L. Sinner指出，vfd的动力和控制方面分别受到两个历史性变化的影响。早期的交流驱动器(20世纪80年代)由于其有限的电压和电流额定值，每相使用多个晶体管。这已经变成了所有一体化的驱动器，因此今天一个10马力的驱动器的结构比老式驱动器的一个晶体管包还要小。辛纳说:“随着制造商开发更小、更高效的功率器件，新一代晶体管不断改进。”绝缘栅双极晶体管(igbt)仍然是当今的主要功率器件。

在控制方面，起初模拟控制为王，数字控制为王，尽管最初是基于集成电路。辛纳说，基于微处理器(MPU)的数字驱动器出现得稍晚，起初只提供开环(V/Hz)控制。mpu的不断进步允许在同一个驱动器中添加多种控制类型，只需要改变软件参数就可以切换控制模式。

多种控制类型，连接性

多种控制模式意味着最先进的vfd。低端驱动器通常提供V/Hz和无传感器矢量控制，而最初具有通量矢量控制的高端驱动器后来添加了其他控制模式。例如，罗克韦尔的PowerFlex 700S内置Logix处理器，有多种模式，包括伺服控制。跨产品线的技术迁移是另一个趋势。辛纳指出，低端的PowerFlex 70增加了矢量控制，一些高端驱动器增加了V/Hz控制。

为什么高端采用开环控制?首先，回顾罪人，V/Hz操作可以从一个驱动器控制多个电机。一种适用于不同应用的驱动器类型也有助于减少备件库存。

如今，连通性是VFD的另一个核心特性。所有罗克韦尔驱动器都配备了这样的设备。根据该公司的经验，网络应用目前约占所有驱动器的50%，并且随着高端设备的增加而增加。辛纳说:“在过去三年里，联网驱动器应用的比例翻了一番。”

丹佛斯驱动器的产品经理Tom Momberger认为，“微处理器技术在vfd中的应用可能是今天交流驱动器功能的主要发展。在物理变化方面，他将1968年生产的典型模拟型5马力交流驱动器(一种油冷却装置，需要进行各种手动调整才能使用该驱动器)与如今尺寸和重量都很小的变频驱动器进行了对比。(见丹佛斯5马力VLT驱动器随时间变化图)当然，新的交流驱动器增加了许多其他功能，如通过操作键盘或计算机编程。他说，微处理器使这一切成为可能。

根据Momberger的说法，灵活、智能和用户友好性是最先进的VFD功能。灵活性意味着用一种驱动类型满足多种应用，提供简单的开环、闭环、通量矢量甚至接近伺服控制。他说:“这种能力通过减少现场库存、操作员培训和更换部件的成本，降低了驱动器的拥有成本。”

mpu和先进的诊断功能允许用户访问内置在驱动器中的智能，从而降低调试成本和停机时间。软功能，如自动电机自适应和软件向导，消除了设置驱动器/电机组合的不确定性。Momberger解释说，将操作界面“用户友好的演变”为软件功能，还缩短了设置，减少了潜在的操作错误，简化了与驱动器的交互。丹佛斯的新FC-302自动驱动器解决了所有这些功能(请参阅在线额外)。

PWM, DTC，模块化

在交流驱动的主要里程碑中，ABB指出了基于工业脉宽调制(PWM)的驱动器的到来，并于1995年引入了直接转矩控制(DTC)。(见CE国际， 1995年3月，第5页)。

在早期的研发之后，ABB的第一个PWM驱动器的工业安装发生在70年代，芬兰ABB Oy的驱动营销传播Ilkka Ikonen解释说。造纸厂和地铁为显著的产品先进性和稳健性奠定了基础。他说，在技术在这些苛刻的应用中证明了其可靠性和竞争力之后，交流驱动被接受为领先的控制技术，开始取代直流驱动。

ABB将其DTC视为一项先进技术，可以直接控制电机转矩和速度，无需单独控制电压和频率。扭矩响应时间和精度都非常快，通常比PWM快10倍。据说DTC还能优化电机磁通，从而提高电机和驱动器的综合能源效率。DTC不使用调制器，没有电机轴位置或速度反馈。Ikonen表示:“使用DTC，零转速下可以获得100%的扭矩，并且可以在不到1毫秒的时间内控制低频下的小扭矩增量。”

模块化设计在今天的ABB交流驱动器中发挥着重要作用，通过“按订单配置产品”满足用户的各种需求。就像现成的产品一样，几乎无限的客户选择必须考虑到交货时间、质量和成本。

博世力士乐指出，可靠开关设备和微处理器的发展是塑造当今更小、更高效、更强大的VFD设计的两大进步。元器件经理Peter Fischbach说:“基于晶闸管或双极晶体管的隔离电源模块，以及后来的绝缘栅双极晶体管，结合正弦调制PWM控制，彻底改变了电源部分和冷却系统设计。”

igbt,微控制器

力士乐在1988年发布了全系列基于igbt的驱动器。然而，该公司的交流驱动器开发早在1965年就开始了。它的第一台高速机架式工业VFD于1968年投产。它允许感应磨床电机运行到180,000 rpm。

mpus的开发和持续改进-第二个里程碑-使力士乐在1982年生产出最早的微处理器控制工业vfd之一。该驱动器具有点阵液晶操作模块与键盘和菜单引导设置，消除模拟电位器为基础的设置。到1989年，更新的发展导致了IGBT通量矢量控制驱动器的全线。Fischbach说，这些vfd具有最大的启动扭矩，改进了低速速度控制，并采用反馈，达到并超过了直流驱动器的性能。

艾默生控制技术公司(CT)的驱动工程师Jim Thompson认为，早期的vfd由于使用可控硅整流器(scr)或实现六步控制的“相当复杂”的设计而受到限制。他说，可控硅功率逆变器体积很大，需要复杂的“换向”电路，包括许多电感器和电容器。“六步输出在电机中产生谐波，导致不必要的额外加热。该方案不允许快速动态控制电机电流-需要更高的驱动性能。

除了推进电力设备的快速开关，igbt还允许快速调整所施加的电机电压。汤普森解释说:“这使得相当高带宽的磁场定向(矢量控制)变得可行，并允许快速、高精度的速度分析和定位。”控制电子器件的高成本也限制了早期交流变频器的性能。他补充说:“数字控制不是很实用，主要是由辅助驱动包的大型‘系统级’电路(或计算机)提供的。”

如今，艾默生CT认为快速开关PWM输出是VFD的主要功能，因为其最小的谐波电流产生和动态电机转矩控制。丰富的配置功能进一步表征现代交流驱动器。典型的可选功能是速度或转矩调节，能够接受各种模拟或数字参考，速度或转矩反馈，以及同步(伺服)和感应电机的控制。据Thompson说，相对便宜的附加选项模块是另一个受欢迎的功能，它提供额外的I/O点、反馈或通信。

直流驱动器在早期的变速电机控制中领先。安川电机在电机的直流和交流方面有着悠久的历史。安川电气美国研发总监Tsuneo Kume博士解释说，交流驱动器在20世纪70年代通过使用可控硅和栅极关断(GTO)电源开关设备的可变电压/频率控制，向工业领域迈出了巨大的一步。VFDs的主要工业突破来自钢铁厂工艺和金属电镀等应用领域。从模拟控制电路到数字控制电路的转变也从那时开始。

通量矢量控制驱动的造纸机和机床主轴驱动器随后在70年代后期。Kume解释说，igbt在1990年左右成为通用vfd的首选功率器件。使用集成mpu的数字驱动器很快成为安川电气的标准，无传感器矢量驱动器随后在1995年问世。

尚未到来

展望未来十年，罗克韦尔自动化公司的辛纳认为vfd将变得更加智能。他说:“辅助启动的扩展将允许用户在最低限度的干预下设置智能驱动器。”此外，嵌入电机的芯片可以在驱动器启动时自动识别电机。

vfd与控制系统的紧密集成也是未来的发展方向。辛纳区分了众多现有的驱动器“连接”和真正的整合，他说，这才刚刚开始。这种真正的集成完全涉及驱动器在控制系统的编程和配置环境。他补充说，这种功能将应用于价格较低的产品，作为驱动功能的自然迁移，它将从高端转向低端。

丹佛斯驱动公司的Momberger认为分布式驱动系统在工业领域的应用越来越广泛。推动这一趋势的是低成本、高可靠性的驱动器，可以安装在电机旁边或电机上，从而降低安装成本，无需长电机/驱动器电缆组和相关的导管托盘。他说:“此外，分布式驱动器的优点是最大限度地减少由长电机电缆引起的EMC问题，减少了对昂贵滤波器的需求。”分布式系统也将从更多的运动控制和PLC功能集成到vfd中发展起来。

其他发展包括更多地使用以太网兼容通信，将驱动器的应用信息链接到工厂范围的网络中，并无线访问驱动器，特别是在困难位置的驱动器。“以太网代表了实现行业标准通信系统的最佳机会，”莫伯格补充道。

与此同时，博世力士乐的Fischbach认为，今天的可选驱动功能将成为未来的必需品。他列举了高启动扭矩、闭环速度和扭矩控制、预防性维护以及制造控制系统的直接数据链作为主要例子。其他即将到来的进展包括:

• 随着能源成本和电网标准的提高，主动驱动前端(包括谐波限制)慢慢获得接受;而且

• 简单的速度执行器演变为可扩展的，分布式的，现场级机器/过程控制单元，具有PLC或过程能力。

整合外部功能

艾默生CT表示，未来的vfd将加速将各种外部功能集成到驱动器包中。PLC和运动控制功能现在可以以更低的系统总成本在驱动器中实现。汤普森说:“对于最复杂的系统应用，大部分逻辑和运动控制仍然必须由外围电子设备处理，但我们预计这种情况将迅速改变。”“我们预计未来的驱动系统将完全由充满驱动单元、电源布线和限位设备、串行通信布线以及人机显示和接口设备的外壳组成。”

ABB提到，日益严重的环境问题和更高的能源成本将影响未来的交流驱动器。ABB表示，它们注定会在所有行业和发展中市场得到更广泛的应用，将全球范围内低至5%的变速控制电机数量提高。此外，尽管增加了更多的微型功能，但驱动器尺寸仍在继续缩小。未来的vfd将出现新的、非传统的应用——取代其他类型的控制(或增加首次自动化)。

Yaskawa还设想未来vfd更多地参与“绿色技术”开发，特别是在能源成本上升和区域电力短缺的情况下。效率和节能显然是人们所期望的好处，但更低的运营成本、更高的可靠性以及更紧凑的驱动设计也是他们的另一个承诺。Kume博士解释说，在工业和学术界，对新的控制拓扑的研究仍在继续，而更新的，现有的控制，如三层拓扑和矩阵转换器，将在未来得到广泛的应用。

的好处三级拓扑包括较低的电机浪涌电压，较低的泄漏电流，以及在低速时改进的热管理。即使是新矩阵变换器显得特别有吸引力，因为它为vfd提供了增强的再生能力，并消除了直流总线中的电容器。矩阵转换器计划在2005年发布，用于再生应用。

Kume预测矢量控制和无传感器矢量控制的性能将进一步提高，特别是在接近零电机速度的扭矩控制方面。与此同时，由于易于使用和尺寸和价格的持续下降，VFD的应用将会扩大。更小的驱动器意味着更容易集成。他说:“驱动单元可以更容易地安装在机器或电机上。”

Kume总结说，再往后，新一代动力设备将对交流驱动器产生重大影响。碳化硅(SiC)技术具有更低的损耗和更大的小型化可能性。

在线额外

实用的工业变频驱动器(vfd)出现在20世纪50年代末，合成纤维过程的自动化是一个早期的应用。在20世纪70年代较晚的时候，重工业也采用了这种方法。早期的交流驱动器在开环工作，性能有限。VFD控制在未来十年左右的发展，来自硬件和软件，推动这些交流驱动器挑战直流调速驱动器的霸主地位。应用程序经验和用户意识有助于扭转局面。

磁流矢量(面向场)控制，无传感器矢量控制，以及新的设计，如三层拓扑结构，矩阵转换器(见主要文章)，以及其他尚未出现的方法应该继续推动vfd的发展。(顺便说一下，“无传感器矢量控制”是我们行业的用词不当之一。无编码器矢量控制是一个更准确的命名，因为该术语指的是不使用轴安装编码器或反馈设备的电机控制。然而，电机参数，如电压、电流和其他被测量或“感知”，作为驱动器动态控制的输入。)

多控一驱
丹佛斯驱动公司的新FC-302自动化驱动器是将多种电机控制拓扑整合到同一紧凑型驱动器包的趋势的一个例子。软件“开关”提供了处理一系列应用程序的这种灵活性。丹佛斯产品经理汤姆•蒙伯格(Tom Momberger)表示:“有了FC-302，用户真正可以购买一个驱动器来处理他们的工业应用。“使用板载设置向导可以将FC-302应用于特定应用程序，就像回答写入驱动器的设置提示一样简单。”

Momberger称FC-302驱动器具有“自我意识”，能够“主动监控”其板载子系统的正常运行。他说:“问题会报告给用户，让他们采取行动，硬盘的自助功能为解决问题提供指导。”

据报道，FC-302很容易通过驱动器的USB端口从计算机编程。驱动器显示可为全球用户定制。此外，FC-302已被设计为多语言。Momberger解释说，OEM可以用当地语言对驱动器进行编程，软件可以立即将整个操作环境(包括车载帮助文件)翻译成客户的母语。

像FC-302这样的新型vfd具有即插即用能力，可以在现场添加选项。然而，这个特性已经变得更加复杂。例如，如果添加了现场总线通信选项，驱动器会立即识别该选项，并“自动为用户显示与其功能相关的菜单”，Momberger补充道。型号FC-302驱动器高达10马力在2004年3月上市。

晶体管是关键
博世力士乐组件销售经理Peter Fischbach认为，绝缘栅双极晶体管(igbt)的发展是现代vfd的一个重要里程碑。“igbt结合了mosfet(金属氧化物半导体场效应晶体管)和双极晶体管的优点，但需要更少的功率，并显著降低了正向/开关损耗，”他说。

力士乐在1987年初对igbt进行了试验，并在1988年发布了完整的基于igbt的变频驱动器系列。

Fischbach认为vfd的未来需要在成本和所需功能之间取得平衡。他说:“这是一个真正需要什么功能来完成这项工作的案例。随着新一代开关设备和先进控制方法的可用性，进一步缩小尺寸、提高效率、消除开关噪声和简化设置/诊断的趋势仍在继续。”

博世力士乐指出的vfd的另一个方向是通过精确的过程反馈来增强最常用的V/Hz控制。除了负载和速度反馈外，该方法还可以用于检测泵、风机、挤出机和相关应用中的机械问题，以免造成生产损失。Fischbach补充说，然而，矢量控制将消除旧的V/Hz方法。

博世力士乐的新型数字IndraDrive系统也反映了在同一驱动器中采用多种控制技术的趋势。它包括多种类型的控制，从简单的V/Hz到全伺服控制，再加上可扩展的性能和功能。基于驱动器的选项，如IEC 61131-3 PLC，安全功能(符合EN954-1)，以及各种现场总线接口。

PWM，附加模块
艾默生控制技术(CT)的驱动工程师Jim Thompson认为，当今交流驱动器的高精度和快速动态控制是由于“小型、相对便宜的微处理器和其他高密度数字电路的出现”。他同样评论了功率晶体管对推进交流驱动器的重要性。他说:“igbt允许在高达16 kHz的速率下进行相当低的损耗开关，允许脉冲宽度调制(PWM)驱动输出，从而在交流电机中产生接近正弦的电流。”

Thompson解释说，除了提供动态电机转矩控制外，PWM技术还允许使用更高的载波频率进行电源开关，以减少需要低噪声环境的应用中的可听噪声。当今驱动器的另一个重要特征是能够配置为双向交直流电源转换器，这允许低谐波含量的电源流入或通过再生从驱动系统流出。

艾默生CT还提到了现成的小型、“相对便宜”的附加选项模块。汤普森说:“这种方法允许基本驱动器以最低的成本包含大多数常用功能，同时以较低的额外成本提供广泛的特殊应用功能。”

展望未来，他总结道:“预计驱动设计的改进将继续追求动力和系统控制之间的融合，以涵盖实现大多数基于工业电机的运动控制系统所需的大多数功能。”

早期使用igbt, SiC即将问世
安川电气同样认为igbt的开发是推进变频驱动的一个重要里程碑。它的IGBT模块在1986年问世。该公司于1987年在其VS-616G2LN产品线中使用了igbt -“LN”表示低噪声驱动器。1989年，安川发布了其G3变频驱动器，“这是我们第一个全igbt产品线，”安川美国研发总监Tsuneo Kume博士说

功率晶体管的进步帮助安川电机在1974年将其varispeped - 616t驱动器投入生产，这是一种电压源，采用PWM控制的变频设计。

至于未来，Kume提到了碳化硅(SiC)技术的重要性，它将成为下一个影响交流驱动器的电力设备进步。然而，他称这是一个中期发展，我们在一段时间内不会看到实际的驱动产品。

罗克韦尔自动化的产品线经理William Sinner也向控制工程公司介绍了SiC技术在推动vfd走向未来方面的长期潜力。

辛纳更热衷于软件工具。他认为“辅助启动”是另一个关键驱动特性。与过去的参数编程不同，现在的菜单格式要求用户输入特定的输入，如控制模式、电机类型、I/O点等。展望未来，辅助启动将变得更加可用，使交流驱动器更易于使用。“智能启动”将处理I/O点，其他驱动器参数，并在矢量控制，询问电机启动信息。用户不必是驾驶专家，但可以专注于他们的机器，”他说。

罗克韦尔自动化电力系统变速产品总经理Michael Offik就公司的Reliance品牌提供了额外的VFD观点。他认为今天的驱动器受益于三个技术领域:

• 由于处理和内存成本的降低，软件的灵活性;

• 网络连通性增长;而且

• 更加人性化，健壮的设计。

Offik认为，未来的交流驱动器将越来越多地根据软件功能进行区分，而驱动器的尺寸将继续缩小。他预测，随着电机设计的不断改进，高速驱动器的应用将会增加。“在VFD控制下，您可以以更高的速度运行电机，以在更小的封装中获得更大的输出功率，”他说。

据辛纳公司报道，交流驱动器的尺寸从一代产品到下一代产品缩小了60%。尽管从功率密度的角度来看，这是一个日益严峻的设计挑战，但总体趋势预计将继续下去。

感知过程，再生
Offik继续说道:“通过调整速度和电流以适应各种传感器输入，驱动器将继续成为一个更加智能的执行器。通过感知诸如振动、温度、电流特征等参数，用户将能够评估电机驱动过程(或电机本身)的健康状况。根据这类信息，可以改变过程速度以减少振动，并使生产线运行更长时间，以避免电机、泵或相关设备的不定期维护。Offik解释说，“更智能的执行器”的另一个例子是相关的软件算法，它可以调整流程流速以最大限度地减少能源消耗。

交流驱动器在过去有一个问题，以提供线路再生。Offik说:“然而，今天的高速处理和紧凑、具有成本效益的igbt允许完全再生到电力线，其同步前端还提供了大大改善的线路谐波。”再生式驱动器尤其有利于大型电机的应用，这些电机产生大电流，可能会扭曲电源线。

高效液体冷却
冷却和散热器是vfd高效运行的另一个问题。Offik提到了罗克韦尔自动化公司开发的一种名为LiquiFlo的液冷驱动器，它使用氟利昂或水来改善散热器的冷却，并允许更小的单元尺寸。他说:“事实上，在许多情况下，在相同等级下，其结果约为许多传统风冷驱动器体积的25%。”

通常，这些vfd具有高电流额定值，并用于泵，风扇和压缩机。它们有两个版本:额定414- 1157安培(350- 1000马力)的LiquiFlo 1和额定405-1,215安培的LiquiFlo 2。LiquiFlo最初是为一些罗克韦尔原始设备制造商设计的，在过去的一两年内已用于通用市场。据Offik介绍，自1998年推出LiquiFlo 1以来，已经安装了数千个驱动器。

设计蒂莫,ABB芬兰驱动器市场总监补充说，在未来10年，变频驱动器将继续变得更小、更智能、更便宜。他说:“另外值得一提的是现场总线使用的增加和用户界面的简化。”随着越来越多没有驱动器专业知识的用户被vfd所吸引，诸如易于选择、安装、编程和使用等因素将获得所需的关注。

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