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【摘要】本文由三相交流异步电动机的调速问题引出了变频技术这一概念。文中谈到了电力电子器件和变频技术的发展；介绍了变频器的开发与应用；还介绍了变频技术今后的发展趋势。简述了应用变频技术和变频器的重要意义和广阔前景。
【关键词】电力电子器件 变频技术
变频器
十九世纪八十年代诞生的三相交流异步电动机，因其结构简单牢固、体积小、重量轻、价格低廉、维护方便等优点，一经问世，备受欢迎，应用非常广泛。但长期以来，三相交流异步电动机在调速方面一直处于性能不佳的状态。尽管三相交流异步电动机的工作原理告诉我们，改变定子侧的电流频率就可以调节转速，但变频技术的发展却相对落后，真正开始普及应用变频技术，是在二十世纪八十年代，这期间整整经历了一个世纪！
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电力电子器件的发展
变频技术的落后，究其原因，是在“交流——直流——交流”的过程中，交流变直流的整流技术很早就解决了，而直流变交流的逆变技术却必须依赖于满足以下条件的开关器件：
(1) 能够承受足够大的电压、电流；
(2) 允许长时间频繁的接通和关断；
(3) 接通和关断的控制必须十分方便。
自从二十世纪五十年代晶闸管问世以来，电力电子器件开始为现代拖动控制技术服务。直到二十世纪七十年代，GTR的开发成功，才比较满意的满足了上述条件，从而为变频调速技术的开发，发展和普及奠定了基础。二十世纪八十年代以后，GTO、BJT、IGBT、MOSFET以及智能模块IPM不断涌现，并与变频技术和微处理器技术同步发展，造就了变频器一日千里的更新速度。尤以IGBT、IPM在变频器中使用最多。其发展方向是损耗更低，开关速度更快、频率更高、电压更高、容量更大以及智能型模块化。在此基础上发展起来的变频器，已能将不同功率等级的电动机的保护、检测、控制等许多单元集于一体，把从几百瓦的伺服系统到数北瓦的变速传动系统；从一般要求的小范围调速传动到高精度、大范围的调速传动；从单机传动到多机协调运转等过去很难做到的事情变为简单、方便和可靠了。从此变频技术与变频器制造，很快从一般意义的拖动技术中分离出来，成为世界各国在工业自动化控制和机电一体化领域争强占先的阵地，各发达国家更在该技术领域注入了极大的人力、物力和财力，使其成为高新技术行业的一分子。
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变频技术的发展研究
可以说日本、美国、法国、德国、荷兰，丹麦在变频技术的理论研究方面是齐头并进，不分伯仲。在这些国家，各种先进的功率器件不断被开发和完善，促使电力电子技术向高频化迈进，实现了用电设备的高频与节能。为真正实现工控设备小型化、轻量化、智能化奠定了重要的技术基础。我们中国虽然在变频技术领域的研究起步较晚，但切入点高，理论研究速度也快，已与前述的各发达国家在变频技术的理论上处于相同的水平，而且在谐波控制技术与抗干扰技术以及超转短控制技术方面，更具有较大的突破，处于领先的地位。
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变频器的开发
由于历史原因，中国的工业基础相对薄弱，制造技术上不及一些发达国家，高频率、大功率开关器件的质量更难与发达国家的相抗衡，应该说完全国产化的变频器目前还没有。例是日本、美国及欧洲诸国因其工业基础好，制造业发达，生产能力强，高频大功率器件的制作非常精良，所以他们变频器的开发生产能力极强，适应范围广，变频器的普及在85%以上，这些国家的工业自动化控制水平及机电一体化程度也非常高，他们生产的变频器除满足本国需要外，还积极地向包括中国在内的第三世界各国出口。目前在中国市场上出现的就有许多，像日本的三垦、三菱、富士、安川、明电舍、松下、东芝、欧姆龙等，欧美的有ABB、AB、丹佛斯、施耐德、西门子、CT、阿尔斯通等众多的品牌，还有许多韩国、台湾等地的变频器。
对变频器的开发，我国尚处于初级阶段。尽管大家已经意识到了变频器的节能效果非常显著，并在风机、水泵、电梯、纺织、印染、造纸、搅拌、破碎等诸多行业设备上已较为普遍的使用了变频器，但仍然是远远不够的。因为在短期内真正普及使用变频器，它会受到以下几个方面的制约：
(1) 进口变频器价格较贵；
(2) 进口变频器售后服务有限；
(3) 企业技改资金普遍缺乏；
(4) 国产高品质低价位的变频器太少。
正因如此，当年沿海的一些企业通过走私的零件，组装一些价格相当低的变频器参与市场竞争，与进口变频器分享一定的市场份额。当然这些产品的质量难以保证。值得高兴的是，眼下我国已有不少企业在与各大学，科研机构合作，开发生产了高品质的变频器，如成都希望电子研究新开发的变频器和深圳华为电气公司开发的变频器（现安圣）。相信不久的将来会有更多的国产变频器像其它电气产品一样，以高质量低价位出现在国内市场上，甚至国外的市场上，使变频器的应用得到普及。
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变频器的应用
变频调速的优点是传统的交、直流调速无法比拟的，并已开始逐步取代直流调速和其他交流调速。它在调速范围、调速精度、动态响应、过载能力、低频转短、功率因数、运行效率、维护要求以及通信功能，智能控制等许多方面远远超出其他的调速方法，并以体积小、重量轻、工艺先进、通用性强、保护功能完善可靠性高、操作简便、节能显著等特点，在冶金、矿山、石化、电力、机械、建材、轻工等行业得以广泛应用。例如采用变频器实现的恒压变量供水控制系统，可提高供水质量，节能显著，并且起动平稳，可以消除起停时的水锤效应，使泵和管网的使用寿命延长。
当然在变频器的应用中也存在不少问题，不同行业、不同设备存在的问题也不尽相同。下面是几点比较常见并带有普遍性的问题：
(1)
因为变频器价格较贵，因此选用时一定要从工艺条件，设备本身号数出发，详细分析论证，对那些负荷较高，且非变工况运行的设备不宜选用变频器。
(2)
因为变频器在异步电机起动时，施加的电压、频率发生变化会影响起动电流和起动转矩，因此重载时起动，可用提高低频区的初始电压（即改变v/f曲线），来提高起动转矩，或者延长起动时间，或者增大变频器的容量，使其输出足够大的电流。
(3)
在变频器的输出电压，输出电流中均存在高次谐波成份。首先它对变频器本身及周边设备都会产生干扰，应采用一定的抗干扰措施，如缩短变频器到电动机的连线长度，增设屏蔽装置，不与其他控制线路混放一起等等；其次高次谐波会使电动机温度升高，同时电动机在频率低于50Hz时运行，因速度减低，电动机的冷却、散热就成了问题，一般是增设专用冷却风机或采用专用变频电机。
(4)
变频器接线要特别注意，输入线、输出线绝对不能接错，同时应注意正确接地和避免频率调节过程中产生机械共振。
限于篇幅，这里不再遨述。
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变频技术的发展趋势
(1)
电力电子器件的高频化：理论分析和实验证明，电气产品体积与重量的缩小，与供电频率的平方根成反比。也就是说，如果能把50Hz工频大幅提高，使用这样频率的控制设备的体积、重量就能大大缩小。节材、节电更显著，设备系统的性能也可以大为改善。
(2) 硬件结构模块化：就像智能化功率模块IPM，将开关元件，保护电路等一起整合到一个功率模块中。即把一台整机器更新有硬块都以芯片形式整合于一个模块之中，并从传统的元器件间的引线相连中摆脱出来，以进一步的消除谐波等寄生号数或电应力，缩小整机体积和提高系统可靠性，同时这样的模块还可以与接续线路作非常灵活的二次设计，使设备的适用性进一步扩大。
(3)
控制软件数字化：过去的电力电子技术完全建立于模拟电路之上。随着现代数字信号处理技术的日益成熟，用微机处理数字信号实施控制的优越性得以更多地显示出来：
①
免去了模拟信号在传递中的畸变和信号干扰之扰；
② 便于植和客错技术与自诊断技术；
③ 便于对设备进行遥感测试与遥控调试。
(4)
产品设计与运行的无污染：这里的无污染有两层意思：
①显著的节电效果而间接的无污染，因为节电可使总发电量的减少而减少排放，必然减少对大气的污染；
②减少对电力电网产生的直接污染。如高次谐波电流向电网的注入导致总功率因数下降，或对器件造成更大的电应力等等。这是未来的电力电子技术发展中必须消除的。
结束语：
电力电子技术的发展具有普遍的适用性，对各个领域也都有极强的渗透性。变频技术进一步发展所带来的新产品，在社会的各个行业都有极广阔的应用前景。在不断推广应用变频技术产品（如变频器）的过程中，又会刺激变频技术的不断完善和提高，使之真正达到高效率和高品质。二十一世纪已经到来，中国的变频技术研究与应用将在世界工控界及机电一体化领域占有更加重要的地位。
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