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變頻器（Variable-frequency Drive，VFD）是運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中的功率轉(zhuǎn)換器。今天的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)是一個(gè)包括許多學(xué)科的技術(shù)領(lǐng)域?？偟陌l(fā)展趨勢(shì)是:交流傳動(dòng)、高頻功率變換器、數(shù)字化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化控制。因此，VFD作為系統(tǒng)重要的功率轉(zhuǎn)換元件，通過(guò)提供可控的高性能變壓變頻交流電源，得到了快速發(fā)展。
21世紀(jì)的今天，電力電子的基板已經(jīng)從Si(硅)變成了SiC(碳化硅)，這使得新型電力電子器件進(jìn)入了高電壓、大容量、高頻率、組件模塊化、小型化、智能化、低成本的時(shí)代。各種適用于變頻調(diào)速的新型電氣設(shè)備正在開(kāi)發(fā)中。隨著IT技術(shù)的快速發(fā)展和控制理論的不斷創(chuàng)新，這些與VFD相關(guān)的技術(shù)將影響其發(fā)展趨勢(shì)。
隨著市場(chǎng)的擴(kuò)大和客戶需求的多樣化，國(guó)內(nèi)VFD產(chǎn)品的功能不斷完善和增加，集成度和系統(tǒng)化程度越來(lái)越高，出現(xiàn)了一些特殊的VFD產(chǎn)品。據(jù)了解，近年來(lái)，中國(guó)VFD市場(chǎng)保持了12-15%的增速，預(yù)計(jì)至少在未來(lái)5年內(nèi)還將保持10%以上的增速。目前中國(guó)市場(chǎng)VFD裝機(jī)量(電量)的增長(zhǎng)率其實(shí)在20%左右。預(yù)計(jì)至少10年后，VFD市場(chǎng)將趨于飽和并逐漸成熟。
1.智能
系統(tǒng)安裝智能VFD后，操作使用方便，沒(méi)有那么多功能設(shè)置，工作狀態(tài)顯示明顯，可以實(shí)現(xiàn)故障診斷和排除，甚至可以進(jìn)行自動(dòng)元件轉(zhuǎn)換。可利用互聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)多套VFD按工藝流程聯(lián)動(dòng)，形成優(yōu)化的VFD一體化管控體系。
2.專(zhuān)門(mén)化
可以根據(jù)某類(lèi)負(fù)載的特點(diǎn)，有針對(duì)性地制造專(zhuān)用的VFD，不僅有助于經(jīng)濟(jì)有效地控制負(fù)載的電機(jī)，還降低了制造成本。比如:風(fēng)機(jī)、水泵VFD，起重機(jī)械VFD，電梯控制VFD，張力控制VFD，空調(diào)VFD等等。
3.綜合
VFD將參數(shù)辨識(shí)系統(tǒng)、PID調(diào)節(jié)器、PLC控制器、通信單元等相關(guān)功能部件有選擇地集成到內(nèi)部一體機(jī)中，不僅增強(qiáng)了功能，增加了系統(tǒng)的可靠性，還有效減小了系統(tǒng)的體積和外部電路的連接。據(jù)悉，VFD和電機(jī)的一體化組合機(jī)已經(jīng)研發(fā)出來(lái)，使得整個(gè)系統(tǒng)體積更小，控制更方便。
4.環(huán)境保護(hù)
保護(hù)環(huán)境和制造“綠色”產(chǎn)品是人類(lèi)的新理念。未來(lái)VFD將更加注重節(jié)能和低公害，即盡量減少使用過(guò)程中對(duì)電網(wǎng)和其他用電設(shè)備的噪音和諧波。
5.主電路功率開(kāi)關(guān)元件自關(guān)斷、模塊化、集成化、智能化，開(kāi)關(guān)頻率不斷提高，開(kāi)關(guān)損耗進(jìn)一步降低。
6.VFD主電路拓?fù)?
VFD網(wǎng)側(cè)變流器對(duì)于低壓小容量設(shè)備通常采用6脈波變流器，對(duì)于中壓大容量設(shè)備則采用12脈波以上的多脈波變流器。負(fù)載側(cè)變流器通常對(duì)低壓小容量設(shè)備采用兩電平橋式逆變器，而對(duì)中壓大容量設(shè)備采用多電平逆變器。對(duì)于運(yùn)行在四象限的輸電，為了實(shí)現(xiàn)VFD可再生能源對(duì)電網(wǎng)的回饋，節(jié)約能源，網(wǎng)側(cè)變流器應(yīng)該是可逆變流器，同時(shí)出現(xiàn)雙向功率流的雙PWMVFD。適當(dāng)控制網(wǎng)側(cè)變流器可以使輸入電流接近正弦波，減少對(duì)電網(wǎng)的污染。目前中低壓VFD都有這樣的產(chǎn)品。
7.脈寬調(diào)制變換VFD的控制方式可以采用正弦波脈寬調(diào)制(SPWM)控制、消除指定諧波的PWM控制、電流跟蹤控制和電壓空間矢量控制(磁鏈跟蹤控制)。
8.交流電機(jī)變頻控制方法的進(jìn)步主要體現(xiàn)在從標(biāo)量控制發(fā)展到具有高動(dòng)態(tài)性能的矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制以及無(wú)速度傳感器矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的發(fā)展。
9.微處理器的進(jìn)步使得數(shù)字控制成為現(xiàn)代控制器的發(fā)展方向:運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)是一個(gè)快速的系統(tǒng)，特別是交流電機(jī)的高性能控制需要快速、實(shí)時(shí)地存儲(chǔ)各種數(shù)據(jù)和處理大量信息。近年來(lái)，國(guó)外各大公司都推出了以DSP(數(shù)字信號(hào)處理器)為核心，配以電機(jī)控制所需的外圍功能電路。DSP單片電機(jī)控制器集成在單個(gè)芯片上，大大降低了價(jià)格，縮小了體積，結(jié)構(gòu)緊湊，使用方便，提高了可靠性。與普通單片機(jī)相比，DSP的處理能力提高了10 ~ 15倍，從而保證了系統(tǒng)具有優(yōu)越的控制性能。
數(shù)字控制簡(jiǎn)化了硬件，靈活的控制算法使控制具有很大的靈活性，可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制規(guī)則，使現(xiàn)代控制理論在運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用成為現(xiàn)實(shí)，易于與上層系統(tǒng)連接進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，便于故障診斷，加強(qiáng)保護(hù)和監(jiān)控功能，使系統(tǒng)智能化(如有的VFD具有自調(diào)節(jié)功能)。
10.交流同步電機(jī)已經(jīng)成為交流調(diào)速領(lǐng)域的一顆新星，尤其是永磁同步電機(jī)。電機(jī)采用無(wú)刷結(jié)構(gòu)，功率因數(shù)高，效率高，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與工頻嚴(yán)格同步。同步電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)有獨(dú)立變頻和自動(dòng)變頻兩大類(lèi)。從原理上講，自動(dòng)頻率控制同步電機(jī)與DC電機(jī)非常相似。它用電力電子變換器代替DC電機(jī)的機(jī)械換向器。例如，當(dāng)交流-DC-交流電壓為VFD時(shí)，稱為“無(wú)換向器DC電機(jī)”或“BLDC電機(jī)”。自動(dòng)變頻同步電機(jī)的傳統(tǒng)調(diào)速系統(tǒng)有轉(zhuǎn)子位置傳感器，但無(wú)轉(zhuǎn)子位置傳感器的系統(tǒng)正在開(kāi)發(fā)中。矢量控制也可用于同步電機(jī)的獨(dú)立變頻方式，其基于轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向的矢量控制比異步電機(jī)簡(jiǎn)單。
總之，VFD技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)是朝著智能化、操作簡(jiǎn)單、功能完善、安全可靠、環(huán)保、低噪音、低成本、小型化的方向發(fā)展。
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