隨著21世紀的科技發展,電力電子的基板從Si(硅)變為SiC(碳化硅),這使得新型電力電子器件進入了高電壓、大容量、高頻率、組件模塊化、小型化、智能化、低成本時代。各種適用于變頻調速的新型電氣設備正在開發中。隨著IT技術的快速發展和控制理論的不斷創新,這些與變頻器(Variable-frequency Drive 簡稱:VFD)相關的技術將影響其發展趨勢。
交流變頻調速技術是一項強弱電混合和機電一體化的綜合技術。它不僅處理巨大電能的轉換(整流和逆變),還處理信息的收集、轉換和傳遞。所以它的常用技術必須分為成功率和控制兩部分。前者要解決高壓大電流相關的技術問題和新型電力電子器件的應用技術,后者要解決硬件和軟件開發問題(目前主要是全數字控制技術)(基于現代控制理論的控制策略和智能控制策略)。其主要發展方向如下:
智能化
在系統中安裝VFD后,無需那么多功能設置,操作使用方便,工作狀態顯示明顯,可以實現故障診斷和故障排除,甚至可以進行自動元件轉換??衫没ヂ摼W遠程監控,根據工藝流程實現多套VFD的聯動,形成優化的VFD綜合管理控制系統。
基于電機和機械模型的控制策略包括矢量控制、磁場控制、直接轉矩傳遞控制和機械扭轉振動補償?;诂F代理論的控制策略包括滑模變結構技術、模型參考自適應技術、利用微分幾何理論的非線性解耦、魯棒觀測器、某種指標意義下的最優控制技術和逆奈奎斯特陣列設計方法等?;谥悄芸刂扑枷氲目刂撇呗园:刂?、神經網絡、專家系統以及各種自尋優和自診斷技術。
環境保護
保護環境和制造“綠色”產品是人類的新理念。未來VFD將更加注重節能和低公害,即盡量減少使用過程中對電網和其他用電設備的噪音和諧波。
清潔功率變流器是指變流器的功率因數為1,電網側和負載側的諧波分量盡可能低,以減少對電網的污染和電機的轉矩脈動。對于中小容量變換器,PWM控制提高開關頻率是有效的。對于大容量變流器,在常規開關頻率下,可以改變電路結構和控制方式,實現清潔電能的轉換。
專門化
可以根據某類負載的特點,有針對性地制造專用的VFD,既有助于經濟有效地控制負載的電機,又降低了制造成本。比如:VFD用于風機和水泵,VFD用于起重機械,VFD用于電梯控制,VFD用于張力控制,VFD用于空調等。
緊湊型轉換器要求功率和控制元件高度集成,包括智能功率模塊、緊湊型光耦合器、高頻開關電源以及由新型電氣材料制成的小體積變壓器、電抗器和電容器。改變功率器件的冷卻方式(比如水冷、蒸發冷卻、熱管)也是減小器件尺寸的有效方法。
一體化
VFD將參數辨識系統、PID調節器、PLC控制器、通信單元等相關功能部件有選擇地集成到內部一體機中,不僅增強了功能,增加了系統的可靠性,還有效地減小了系統的體積和外部電路的連接。據悉VFD和電機的一體化組合機已經研制出來,使得整個系統體積更小,控制更方便。
基于32位高速微處理器的數字控制模板有足夠的能力實現各種控制算法。Windows操作系統的引入使自由設計成為可能,圖形編程的控制技術也有了很大的發展。電機模擬器、負載模擬器以及各種CAD軟件的引入,為VFD的設計和測試提供了強有力的支持。
總之,VFD技術的發展趨勢是朝著智能化、操作簡單、功能完善、安全可靠、低噪音、低成本、小型化的方向發展。