1、引言 通常，我們把用來驅動1kV以上交流電動機的中、大容量變頻器稱為高壓變頻器。按照國際慣例和我國國家標準，當供電電壓大于或等于10kV時稱高壓，小于10kV時稱中壓。因此，相應額定電壓1～10kV的變頻器應分別稱為中壓變頻器和高壓變頻器。但考慮到在這一電壓范圍內的變頻器有著共同的特征，且我們習慣上也把額定電壓為3kV或6kV的電動機稱為“高壓電機”，因此，為簡化敘述起見，本文也稱之為“高壓變頻器”。 截止2006年底，我國發(fā)電裝機總容量已突破5億kW，為5.08億kW。其中火電裝機約占80%，為4億kW左右。全國年發(fā)電量已突破2萬億kWh。而我國的能源利用率卻平均比發(fā)達國家低20%左右！ 全國電動機裝機總容量已達4億多kW，年耗電量達12000億kWh，占全國總用電量的60%，占工業(yè)用電量的80%；其中風機、水泵、壓縮機的裝機總容量已超過2億kW，年耗電量達8000億kWh，占全國總用電量的40%左右。70%以上的風機、水泵、壓縮機應調速運行，而至今僅有約5%左右調速運行。 若按風機、水泵和壓縮機總裝機容量的50%進行調速節(jié)能改造，則可改造容量達1億kW，其中40%為中高壓電機，容量占60%。若按電機平均出力為60%，年運行4000h，平均節(jié)電率為20～30%（平均25%）計算，則年節(jié)電潛力為600億kWh！整個電機系統(tǒng)的節(jié)電潛力約為1000億kWh，改造和更新預計需投入2000～3000億元人民幣。 根據國家節(jié)能計劃，我國每年應節(jié)約和少用能源7000萬噸標準煤，通過基本建設項目及技術改造措施，每年可形成約3000萬噸標準煤的節(jié)能能力，而每形成一噸標準煤的節(jié)能能力需投資2000元（約為開發(fā)等量能源費用的三分之一），則每年需節(jié)能投資600億元，“十五”期間共需3000億元人民幣，“十一五”期間將更多。 由于我國經濟的高速發(fā)展,發(fā)電裝機仍以高速發(fā)展。但電力運行的一些主要指標和裝備指標與發(fā)達國家相比仍有很大差距我國火電機組的平均煤耗為400gkWh,比發(fā)達國家高出約70～100gkWh;發(fā)達國家發(fā)電廠的廠用電率為3.7%～6%,而我國的廠用電率為4.7%～10.5%,加之線損,我國送到用戶的電能要比發(fā)達國家多耗電9.5%,相當于22000MW裝機容量,即22個百萬大廠的年發(fā)電量。因此,我國的節(jié)能形勢十分嚴峻！ 2、變頻調速技術的發(fā)展歷史及現(xiàn)狀 變頻調速技術涉及到電力、電子、電工、信息與控制等多個學科領域。隨著電力電子技術、計算機技術和自動控制技術的發(fā)展，以變頻調速為代表的近代交流調速技術有了飛速的發(fā)展。交流變頻調速傳動克服了直流電機的缺點，發(fā)揮了交流電機本身固有的優(yōu)點（結構簡單、堅固耐用、經濟可靠、動態(tài)響應好等），并且很好地解決了交流電機調速性能先天不足的問題。交流變頻調速技術以其卓越的調速性能、顯著的節(jié)電效果以及在國民經濟各領域的廣泛適用性，而被公認為是一種最有前途的交流調速方式，代表了電氣傳動發(fā)展的主流方向。變頻調速技術為節(jié)能降耗、改善控制性能、提高產品的產量和質量提供了至關重要的手段。變頻調速理論已形成較為完整的科學體系，成為一門相對獨立的學科。 20世紀是電力電子變頻技術由誕生到發(fā)展的一個全盛時代。最初的交流變頻調速理論誕生于20世紀20年代，直到60年代，由于電力電子器件的發(fā)展，才促進了變頻調速技術向實用方向發(fā)展。70年代席卷工業(yè)發(fā)達國家的石油危機，促使他們投入大量的人力、物力、財力去研究高效率的變頻器，使變頻調速技術有了很大發(fā)展并得到推廣應用。80年代，變頻調速已產品化，性能也不斷提高，發(fā)揮了交流調速的優(yōu)越性，廣泛地應用于工業(yè)各部門，并且部分取代了直流調速。進入90年代，由于新型電力電子器件如IGBT（絕緣柵雙極型晶體管Insolated Gate Bipolar Transistor）、IGCT（集成門極換流型晶閘管Integrated Gate Commutated Thyristor）等的發(fā)展及性能的提高、計算機技術的發(fā)展，如由16位機發(fā)展到32位機以及DSP（數字信號處理器Digital Signal Processor）的誕生和發(fā)展（如磁場定向矢量控制、直接轉矩控制）等原因，極大地提高了變頻調速的技術性能，促進了變頻調速技術的發(fā)展，使變頻器在調速范圍、驅動能力、調速精度、動態(tài)響應、輸出性能、功率因數、運行效率及使用的方便性等方面大大超過了其它常規(guī)交流調速方式，其性能指標亦已超過了直流調速系統(tǒng)，達到取代直流調速系統(tǒng)的地步。目前，交流變頻調速以其優(yōu)異的性能而深受各行業(yè)的普遍歡迎，在電力、軋鋼、造紙、化工、水泥、煤炭、紡織、鐵路、食品、船舶、機床等傳統(tǒng)工業(yè)的改造中和航天航空等高新技術的發(fā)展應用中無不看到變頻調速技術的蹤影，變頻調速技術取得了顯著的經濟效益。 變頻調速技術的現(xiàn)狀具有以下特點： （1）在功率器件方面，近年來高電壓、大電流的SCR、GTO、IGBT、IGCT等器件的生產以及并聯(lián)、串聯(lián)技術的應用，使高電壓、大功率變頻器產品的生產及應用成為現(xiàn)實。 （2）在微電子技術方面，16位、32位高速微處理器以及DSP和ASIC（專用集成電路Application Specific IC）技術的快速發(fā)展，為實現(xiàn)變頻器高精度、多功能化提供了硬件手段。 （3）在控制理論方面，矢量控制、磁通控制、轉矩控制、智能控制等新的控制理論為研制高性能變頻器的發(fā)展提供了相關理論基礎。 （4）在產品化生產方面，基礎工業(yè)和各種制造業(yè)的高速發(fā)展，促進了變頻器相關配套件的社會化、專業(yè)化生產。 3、國內外高壓變頻器的分類、比較和應用情況 目前世界上的高壓變頻器不象低壓變頻器那樣具有成熟的一致性的主電路拓撲結構，而是限于功率器件的電壓耐量和高壓使用條件的矛盾，國內外各變頻器生產廠商，采用不同的功率器件和不同的主電路拓撲結構，以適應不同的電壓等級和各種拖動設備的要求，因而在各項性能指標和適用范圍上也各有差異。 一般來講，在高壓供電而功率器件耐壓能力有限的情況下，可采用將功率器件串聯(lián)的方法來解決。但是功率器件在串聯(lián)使用時，因為各器件的動態(tài)電阻和極間電容不同，而存在靜態(tài)均壓和動態(tài)均壓問題。如果采用與器件并聯(lián)R和RC的均壓措施，會使電路復雜，損耗增加；同時，器件的串聯(lián)對驅動電路的要求也大大提高，要盡量做到串聯(lián)器件同時導通和關斷，否則由于各器件開斷時間不一致，承受電壓不均，會導致器件損壞甚至整個裝置崩潰。 諧波問題是所有變頻器的共同問題，尤其在高壓大功率變頻調速中更為突出。諧波會污染電網，殃及同一電網上的其它用電設備，甚至影響電力系統(tǒng)的正常運行；諧波也會干擾通訊和控制系統(tǒng)，嚴重時會使通訊中斷、系統(tǒng)癱瘓；諧波電流還會使電動機損耗增加，因而發(fā)熱增加，效率及功率因數下降，以至不得不“降額”使用。 還有效率問題，變頻調速裝置的容量愈大，調速系統(tǒng)的效率問題也就愈加重要。采用不同的主電路拓撲結構，使用的功率器件的種類和數量的多少，以及變壓器、濾波器等的使用，都會影響系統(tǒng)的效率。為了提高系統(tǒng)效率，必須設法盡量減少功率開關器件和變頻調速裝置的損耗。 可靠性和冗余設計問題：一般的高壓大功率拖動系統(tǒng)都要求很高的系統(tǒng)可靠性，尤其是國民經濟的重要部門如電力、能源、冶金、礦山和石化等行業(yè)，一旦設備出現(xiàn)故障，將會造成人民生命財產的巨大損失。因此高壓變頻裝置設計中是否便于采用冗余設計及旁路控制功能也是至關重要的。 根據高壓變頻器有無直流環(huán)節(jié)，可以分為交—交變頻器和交—直—交變頻器；根據直流環(huán)節(jié)濾波元件的性質又可以分為電流源型變頻器和電壓源型變頻器；電流源型變頻器又可以分為負載換流式晶閘管變頻器（LCI）和采用自關斷器件（GTO、SGCT）的電流源型變頻器；電壓源型變頻器則可以分為： （1） 功率器件串聯(lián)二電平直接高壓變頻器； （2） 采用HV-IGBT、IGCT的多電平電壓源變頻器； （3） 采用LV-IGBT的單元串聯(lián)多重化電壓源變頻器等 上世紀未以前，高壓大功率變頻器都采用國外進口品牌。如美國洛克韋爾（AB）公司的Power FlexTM7000高壓變頻器，是采用SGCT功率器件串聯(lián)的交一直一交電流源型變頻器，與電動機的特性有關，調試比較困難；并且dudt較大，對電機的絕緣影響較大。是進入我國火電廠節(jié)能改造工程最早的產品。美國羅賓康（ROBICON）公司的單元串聯(lián)多電平變頻器，采用低壓IGBT功率器件，號稱完美無諧波變頻器。也是進入我國較早，且使用最多的產品。它的優(yōu)點是電壓電流波形好，諧波含量小，對電動機影響小。 歐洲ABB公司的ACS1000高壓變頻器，是采用IGCT器件的三電平變頻器，最高電壓到4.16kV。若用在我國6kV高壓電動機上，要進行星一三角改接，不利于進行工頻旁路切換（切換前要先進行三角一星形改接）,所以限制了它在我國火電廠的使用。目前在我國發(fā)電廠使用量很少。 德國西門子公司的SIMOVERT MV系列高壓變頻器，6kV電壓可做到2000kW。它實際上采用的是高一低一高方式。其核心的逆變器是采用高壓IGBT器件的三電平變頻器，輸出電壓為2.3kV，通過一個“集成升壓濾波器”將電壓升到6kV，并兼有濾波作用。也是進入我國較早的產品，目前使用量已超過200臺套。 法國阿爾斯通公司的ALSPA CDM6000系列高壓變頻器，是采用IGBT器件的飛跨電容四電平變頻器，可四象限運行，輸出波形較好，諧波含量和dvdt較?。╠vdt＜500dvdt）。在冶金、礦山使用較多，在我國電廠使用很少。 國外產品的共性是質量好，可靠性高，但價格也很高，且對我國電網的適應能力差，用戶界面差（未漢化），售后服務響應差。備品備件供應差,且價格昂貴。以上因素給國內用戶帶來很大的不便。 進入新世紀以來，國產高壓變頻器企業(yè)迅速崛起，并以驚人的速度占領市場。北京利德華福公司的高壓變頻器銷售業(yè)績，到2006年6月份已突破600臺套。還有成都東方日立（原東方凱奇）公司，北京合康億盛公司、山東新風光公司、成都佳靈公司、中山明揚公司、哈爾濱九洲公司、廣州智光公司、上?？七_公司、深圳的微能科技和康沃公司等也都先后進入這個領域，并且必然會有更多的企業(yè)加入進來。這將對我國高壓變頻器品牌占領國內市場起到積極的作用。并為我國創(chuàng)建節(jié)約型社會送來強勁的東風。 國產品牌在可靠性和生產工藝上正在迎頭趕上，其最大的優(yōu)勢是適合中國國情和用戶的需要，可以進行特殊設計，用戶界面友好，操作方便，價格便宜。最主要的是良好的售前售后服務和備品備件的提供，以及操作維護人員的培訓工作，更是國外品牌的產品所無法比擬的。 在上世紀未，用戶是唯進口品牌是論，根本不考慮國產品牌，而現(xiàn)在情況正好反過來了，許多用戶主動要求選用國產品牌，而不要進口品牌。國外的高壓變頻器生產公司為了占領中國市場，也都紛紛在國內設立組裝廠，象進線變壓器等也由國內配套廠提供，產品的設計也越來越適應中國用戶的要求，價格也有所下降。國內的產品大多數采用單元串聯(lián)多電平電路，也有少數采用三電平電路和功率器件直接串聯(lián)二電平電路的。對于我國目前以節(jié)能為目的的用戶來說，單元串聯(lián)多電平電路，在性能上還是占有一定優(yōu)勢的。隨著使用領域的擴大，還有待于開發(fā)出性能更好的產品來。 成都佳靈電氣公司經過多年研制，解決了功率器件IGBT的直接串聯(lián)技術問題，使真正無輸入、輸出變壓器的直接高壓變頻器成為現(xiàn)實。這不但大大提高了變頻器的效率，并大大減小了變頻器的體積和重量。采用抗共模電壓技術以取消輸入變壓器，采用了輸出濾波器和優(yōu)化的PWM波形，大大降低了諧波含量，可使總諧波含量（THD）降低到2%以下。采用二電平逆變，使電路結構和控制簡單，縮小了體積，降低了成本。 廣東明陽龍源電力電子有限公司開發(fā)的三電平電壓源型高壓變頻裝置主要應用于電廠、水廠、鋼廠、礦山、冶金、化工、石油等工業(yè)領域的高壓電動機節(jié)能驅動，控制風機、水泵、軋鋼機等設備的節(jié)能運行，應用效果顯著。該公司生產的ML-VERT-S系列高壓變頻器采用二極管中點箝位三電平電壓源逆變器構成主電路，開關器件在國內最先使用ABB公司先進的大功率集成門極換相晶體閘流管（IGCT）串聯(lián)技術，滿足國內6kV電動機直接“高—高”方式驅動的要求。 目前國內投運的高壓變頻器已接近3000套，分別為： （1）羅賓康公司 450套 （2）西門子公司 300套 （3）羅克韋爾（AB）公司 200套 （4）ABB公司 160套 （5）利德華褔公司 650套 （6）東方日立公司 480套 （7）中山明陽龍源公司 180套 （8）哈爾濱九洲公司 120套 （9）成都佳靈公司 80套 （10）山東新風光 60套 （11）上?？七_公司 50套 （12）廣州智光公司 40套 （13）湖北三環(huán)公司 16套 （14）其他公司品牌 約200套左右 （以上數據僅供參考） 4、高壓變頻調速中的關鍵控制技術及其發(fā)展 （1）矢量控制技術 1971年西門子公司提出的矢量變換控制是一種新的控制思想和控制理論。其基本思想是把交流電機模擬成直流電機進行控制。它是以轉子磁場定向，采用矢量變換的方法實現(xiàn)交流電動機的轉速和磁鏈控制的完全解耦。迄今為止，矢量控制技術已經獲得了長足的發(fā)展。 （2）無速度傳感器矢量控制技術 近年來高性能異步電機調速系統(tǒng)得到廣泛的應用，而速度傳感器的安裝、維護以及低速性能等方面的問題，影響了異步電機調速系統(tǒng)的簡便性、廉價性和可靠性。無速度傳感器異步電機的控制已越來越受到人們的關注和重視。 無速度傳感器矢量控制變頻器既具有矢量控制高性能的優(yōu)點，又具有通用變頻器沒有速度傳感器的長處，但是，在進行矢量控制時如何獲得速度信號是無速度傳感器矢量控制的技術關鍵。無速度傳感器控制系統(tǒng)獲得速度信號的方法是用直接計算、參數辯識、狀態(tài)估計、間接測量等手段，根據電機定子較易測量的定子電壓、電流計算出與速度有關的量，從而得到轉子速度，并將其用于速度反饋系統(tǒng)之中。常用的方法有：利用電機的基本方程式（靜態(tài)和動態(tài)）導出速度的方程式進行計算。根據模型參考自適應控制的理論，選擇合適的參考模型和可調整模型，利用自適應算法辯識出速度，利用電機的齒諧波電勢計算速度等。 從1983年提出無速度傳感器矢量控制策略以來，一直受到學術界和產業(yè)界的高度重視，日立、安川電機等公司于1987年分別發(fā)表了研究成果，并相繼推出了產品。目前，無速度傳感器矢量控制變頻器的調速范圍為1∶50左右，個別廠商有1∶75甚至更高的產品。 （3）直接轉矩控制技術 直接轉矩控制技術（簡稱DTC），是近10年繼矢量控制技術之后發(fā)展起來的又一種新型的高性能交流變頻調速技術。實際上，由于轉子磁鏈難以準確觀測，系統(tǒng)特性受電機參數的影響比較大，而且矢量變換比較復雜，存在著某些理論與實踐不符的情形。 1985年，德國的M.Depenblock首次提出DTC的理論。它直接在定子坐標系下分析交流電機的數學模型，采用定子磁場定向而無需解耦電流,直接控制電動機的磁鏈和轉矩,著眼于轉矩的速度響應,以獲得高效的控制性能。這種控制技術與矢量控制技術相比,對電機參數不敏感,不受轉子參數的影響,簡單易行,在很大程度上克服了矢量控制技術的缺點,具有廣闊的發(fā)展和應用前景。 （4）PWM控制技術 隨著電壓型逆變器在高性能電力電子裝置，如交流傳動，不間斷電源和有源濾波器的應用越來越廣泛，PWM控制技術作為這些系統(tǒng)的共用及核心技術，引起人們的高度重視，并得到深入研究。所謂PWM技術就是利用半導體器件的開通和關斷把直流電壓變成一定形狀的電壓脈沖序列。來實現(xiàn)頻率、電壓控制和消除諧波的一門技術。自關斷器件的發(fā)展為PWM技術鋪平了道路，目前幾乎所有的變頻調速裝置都采用這一技術。PWM技術用于變頻器的控制，可以明顯改善變頻器輸出波形，降低電動機的諧波損耗，并減小轉矩脈動，同時還簡化了逆變器的結構，加快了調節(jié)速度，提高了系統(tǒng)的動態(tài)響應性能。 PWM技術除了用于逆變器的控制，還用于整流器的控制，PWM整流器現(xiàn)在已開發(fā)成功，利用它可以實現(xiàn)輸入電流正弦和電網功率因數為1的目標。人們稱PWM整流器是對電網無污染的“綠色”變流器。 目前已經提出并得到應用的PWM控制方案就不下數十種，尤其是微處理器應用于PWM技術數字化以后，花樣更是不斷翻新，從最初追求電壓波形的正弦，到電流波形的正弦，再到磁通的正弦；從效率最優(yōu)，轉矩脈動最少，再到消除噪音等，PWM控制技術的發(fā)展經歷了一個不斷創(chuàng)新和不斷完善的過程。目前仍有新的方案不斷提出，這說明該項技術的研究方興未艾。不少方法已趨成熟，并有許多已在實際中得到應用。 PWM控制技術一般可分為三大類，即正弦PWM、優(yōu)化PWM及隨機PWM，從實現(xiàn)方法上來看，大致有模似式和數字式兩種，而數字式中又包括硬件、軟件或查表等幾種實現(xiàn)方式，從控制特性來看主要可分為兩種：開環(huán)式（電壓或磁通控制型）和閉環(huán)式（電流或磁通控制型）。 隨著計算機技術的不斷進步，數字化PWM已逐步取代模擬式PWM，成為電力電子裝置共用的核心技術。交流電機調速性能的不斷提高在很大程度上是由于PWM技術的不斷進步。目前廣泛應用的是在規(guī)則采樣PWM的基礎上發(fā)展起來的準優(yōu)化PWM法，即三次諧波疊加法和電壓空間矢量PWM法，這兩種方法具有計算簡單、實時控制容易的特點。 （5）數字化控制技術 控制技術的數字化是靜止變頻裝置的核心技術，是今后的發(fā)展趨勢。目前市場上的變頻裝置幾乎全面實現(xiàn)了數字化控制，由于元件的高性能和小型化，使變頻裝置實現(xiàn)了控制的高精度，采用DSP和ASIC實現(xiàn)了快速運算和高精度控制，可以得到良好的電流波形使變頻器的噪音大幅度降低。由于應用微電子技術和ASIC技術，裝置的元器件數量得以大幅度減少，從而使變頻裝置的可靠性大幅度提高。早期由于受CPU處理速度限制和離散化延遲時間的影響，電流控制響應為數ms，速度控制響應為10ms左右。近年來CPU處理速度的提高和應用DSP、ASIC控制使掃描時間大幅度縮短，目前電流響應為0.1～0.7ms，速度響應為2～4ms，足以滿足傳動領域的控制要求。 （6）自整定技術 在變頻調速系統(tǒng)中自整定技術的應用日益廣泛，它可以根據速度和負載的變化自動調整控制系統(tǒng)的參數，使得系統(tǒng)具有快速的動態(tài)響應。自整定技術分為離線式和在線式兩種。離線式的研究成果已經在相當多的產品中應用，它是在運行系統(tǒng)程序之前通過運行一段自整定程序，辯識相關數據，并修改系統(tǒng)程序的相關參數，以期獲得良好的系統(tǒng)控制性能。離線式自整定的缺點是當系統(tǒng)運行后，不能實時修改系統(tǒng)參數，因而系統(tǒng)不能獲得最佳控制性能。在線式自整定可以實時修改控制器的參數，因而可以獲得最佳控制性能。自整定技術的研究課題包括：擴大應用范圍、提高精度、在線自整定等。同時，改進控制技術，提高系統(tǒng)魯棒性也和自整定技術緊密相聯(lián)系。 （7）交流傳動系統(tǒng)的智能控制 現(xiàn)代控制理論和智能控制理論在交流傳動領域應用十分活躍，在控制量（如磁鏈、速度、轉矩、磁極位置）的檢測、估計中已有相當成熟的研究成果，部分成果在產品中得到應用。尤其是應用觀測器的理論構造系統(tǒng)狀態(tài)觀測器，估算系統(tǒng)中難以用傳感器檢測到的物理量，改善系統(tǒng)控制性能，取得了良好的效果。模糊邏輯、神經元網絡、變結構控制相結合的智能控制理論在交流傳動系統(tǒng)中具有良好的應用前景。 智能控制是從解決工程和技術問題的實踐中產生和發(fā)展起來的，隨著自動化程度的提高和普及，受控對象日趨復雜，對于許多難以獲得數學模型或模型復雜的過程，應用經典和現(xiàn)代控制理論往往不能取得令人滿意的控制效果，甚至完全無能為力，可是在手動控制中，熟練的操作人員卻可以駕馭自如。由此，人們很自然地產生了在自動控制技術中借鑒熟練人員經驗的想法。計算機控制技術的發(fā)展為實現(xiàn)這一愿望提供了可能，計算機在邏輯推理、判斷、識別、決策、學習等方面的功能可以承擔按照熟練操作人員和專家的經驗與方法進行控制的工作。另一方面，許多探索如何實現(xiàn)人腦思維功能的學術領域，如人工智能、專家系統(tǒng)、神經網絡、模糊邏輯等的研究也取得了可喜的進展，這些研究成果從不同的角度提出了各種仿照人的知識、思維進行控制的方法，統(tǒng)稱為智能控制。它的發(fā)展也給交流調速系統(tǒng)的控制策略帶來了新思想、新方法，使交流傳動系統(tǒng)的智能控制已成為當前的一個研究熱點。 5、高壓變頻調速技術的發(fā)展趨勢 20世紀末，交流電動機變頻調速技術以電力電子功率變換技術、微電子控制技術為核心得到了驚人的發(fā)展，展望21世紀，變頻調速技術將會有更大發(fā)展。如： 功率變換器的高頻低損耗化、自關斷化、模塊化、高耐壓、大容量化； 矩陣變頻器的出現(xiàn)的推廣； 變頻器在同步電動機的應用； 控制技術的數字化、矢量控制化、直接轉矩控制化; 無速度傳感器矢量控制； 操作系統(tǒng)的網絡化； 硬件通用化、調試維護軟件化； 變頻裝置無諧波化，采用多電平、多重化、帶就地補償； 工作負荷參數的模型化； 新理論新機理新材料的出現(xiàn)將會出現(xiàn)新概念功的率變換器件、新概念的變頻裝置。 下面分別加以下介紹： （1）在開關器件方面 IGBT變頻器已成為20世紀90年代變頻調速技術的主流，在21世紀初相當長的一段時間內仍將是電氣傳動領域的主導變頻器。在21世紀，IPM及智能化變頻器將會有很大的發(fā)展。功率變換、驅動、檢測、控制、保護等功能的集成化促成了功率器件及變頻器的智能化，實現(xiàn)高效節(jié)能、多功能、高性能、高附加值，同時將研究開發(fā)新電力電子器件IGCT、IEGT（集成發(fā)射式門極晶閘管Integrated Emit Gate Thyristor）、GaAs（砷化鎵）、SiC（碳化硅復合器件）、光控IGBT及超導功率器件等新功能變頻器。 （2）在變頻電路拓撲結構方面 基于雙PWM能量回饋的綠色變頻電路是變頻調速技術的發(fā)展趨勢，即整流部分也采用電力電子自關斷器件構成，并對其進行PWM控制。一方面使交流輸入電流波形為正弦，且功率因數為1；另一方面實現(xiàn)能量向電網回饋，保證變頻器四象限運行。除此之外，PWM整流電路還有助于減小直流環(huán)節(jié)濾波電容的容量，隨著電力半導體器件性能的不斷提高和價格的不斷下降，這種結構將會得到廣泛地推廣和應用。 （3）在變頻控制電路方面 現(xiàn)在變頻裝置幾乎已實現(xiàn)了數字化控制，但控制技術的微電子數字化仍是今后的發(fā)展趨勢。變頻裝置的數字化技術是從20世紀80年代中期開始逐步發(fā)展到16位、32位微處理器，目前普遍采用DSP。 （4）矢量控制技術及直接轉矩控制技術 矢量控制依然是高性能交流電機調速系統(tǒng)的主流控制策略。它所包涵的關鍵技術有：控制理論和方法，如PWM技術，磁通的觀測，速度辯識，無速度傳感器控制；電機鐵損補償，參數辯識，參數變化的補償；主電路使用新型電力半導體器件，提高開關頻率，改善電壓或電流波形，同時使用微電子技術所提供的DSP、CPU、ASIC等。 直接轉矩控制技術在低速范圍還存在著很多難題，尤其是定子電阻的辯識問題，已經成為它進一步發(fā)展的障礙，困擾著各國的學者。對于矢量控制低速范圍已有了相應的解決方法，這些對于直接轉矩控制系統(tǒng)的低速性能，具有重大的和現(xiàn)實的指導意義。實踐證明，已經不可能從電機本身來完善直接轉矩控制技術，必須另辟途徑?，F(xiàn)代控制理論的發(fā)展為交流調速電氣傳動系統(tǒng)的控制提供了堅實的理論基礎，各國學者也越來越多地把現(xiàn)代控制技術應用于交流電機的調速控制中。直接轉矩控制作為一種新興的、更為先進的技術，需要各種先進的輔助技術作為支撐，各種新技術的推廣應用給直接轉矩控制技術注入新的活力，促進它的不斷完善和發(fā)展。最近，人工神經網絡已開始應用于直接轉矩控制技術中，這是一個有益的嘗試，也是一個良好的開端。將現(xiàn)代控制理論應用于直接轉矩控制技術的研究，無疑是這種新技術的發(fā)展趨勢，也是當前值得深入研究的課題。直接轉矩控制變頻器的商品化進程將取得重大進展。 （5）PWM及多電平技術 消除機械和電磁噪音的最佳方法并不是盲目地提高工作頻率，隨機PWM技術可以提供一種新途徑。由于PWM逆變器的開關損耗隨著功率和頻率的增加而迅速增加，因此，在高頻化和大功率方面還有大量工作。目前提高開關頻率的一個方法是采用諧波技術及在此基礎上發(fā)展起來的軟開關技術。在大功率裝置方面，除盡量采用優(yōu)化PWM模式外，多電平逆變器也越來越受到人們的重視，此時開關損耗問題轉化為多管串聯(lián)的均壓問題。 （6）以網絡配置為主的系統(tǒng)化 變頻器的網絡化配置主要基于3個層面：設備層，控制層和信息層。其中變頻器作為執(zhí)行器，可以配接最基本的RS-232RS-485串行通迅協(xié)議、Profibus等的現(xiàn)場總線協(xié)議以及Internet局域網協(xié)議。針對不同的控制系統(tǒng)和不同的用戶要求，配置和選用不同的網絡協(xié)議。 網絡化配置的變頻器具有以下顯著的特點： ● 高精度的頻率設定； ● 遠程控制與工廠信息化的基本要素； ● 遠程診斷系統(tǒng)。 通過網絡設定頻率是一種高精度的頻率設定，其具有通迅速率高，穩(wěn)定可靠，接線簡單等優(yōu)點，而且在模擬量控制時，輸出端經過數—模轉換器，經過導線，進入輸入端（變頻器）又經過?！獢缔D換器才能參與控制，兩個轉換器位數不同和導線損耗都可能造成一定誤差，而通迅傳遞直接是數字量不需要轉換，沒有誤差，在傳輸過程中不會造成損耗，而且響應速度也會很高。 變頻器經常被用于系統(tǒng)復雜、工作環(huán)境惡劣、高負荷、長時間運行的工況中，如無人值守泵站、油田磕頭機等。變頻器故障率在這種環(huán)境中自然比較高，一般都采取事后維修的方式進行，隨著電子技術的發(fā)展，傳統(tǒng)的維修方式將變?yōu)楣收项A報和整機在線維修。有必要對其實現(xiàn)在線工作狀態(tài)的監(jiān)測以及常規(guī)故障機理的綜合分析研究，以便對其故障的事先診斷分析。目前大功率變頻器的故障診斷、遠程監(jiān)控系統(tǒng)及智能控制方面取得了較大的進展，并已經投入實際運行。 在網絡化日益普及的今天，與普通的點對點硬線連接方式而言，通過高速通迅連接的變頻器系統(tǒng)可以最大程度上降低系統(tǒng)維護時間、提高生產效率、減少運行成本。目前安裝的現(xiàn)場總線模塊有Profibus DP、Interbus、DeviceNet、CAN Open和Modbus Plus等。用戶可以有更大的自由根據生產過程來選擇PLC型號和品牌，并非常簡單地集成到現(xiàn)有的網絡中去。而且通過現(xiàn)場總線模塊，可以不考慮變頻器的型號，而以同一種語言來與不同功率段、不同型號的變頻器進行組構，如功率、速度、轉矩、電流、設定值等。 由于采用了通訊方式，可以通過PC機來方便地進行組態(tài)和系統(tǒng)維護，包括上傳、下載、復制、監(jiān)控、參數讀寫等。 （7）與同步電機的配合應用 交流同步電動機已成為交流可調速傳動中的一顆新星，特別是永磁同步電動機。電機是無刷結構，功率因數高、效率也高，轉子轉速嚴格與電源頻率保持同步。同步電機變頻調速系統(tǒng)有他控變頻和自控變頻兩大類，自控變頻同步電機在原理上和直流電機極為相似，用電力電子變流器取代了直流電機的機械換向器，如采用交—直—交變壓變頻器時叫做“直流無換向器電機”或稱“無刷直流電動機”。傳統(tǒng)的自控變頻同步機調速系統(tǒng)有轉子位置傳感器，現(xiàn)正開發(fā)無轉子位置傳感器的系統(tǒng)，且已經取得重大進步和在市場的成功應用。同步電機的他控變頻方式也可采用矢量控制，其按轉子磁場定向的矢量控制比異步電機更為簡單。