变频器的最新发展趋势以及三种最先进的控制方案
变频器的最新发展趋势以及三种最先进的控制方案
变频器作为工业自动化的核心设备，其技术发展日新月异。本文将为您详细介绍变频器的最新发展趋势，包括安全性增强、能效提升以及三种先进的控制方案，帮助您全面了解这一领域的最新进展。
图片来源：Hedgehog Technologies
随着技术的进步，现代变频器在安全性、能源效率和控制方案方面取得了显著进展。为工业应用选择合适的变频器，需要综合考虑潜在的谐波问题、能源效率和成本效益。
增强的变频器安全性
最近对变频器安全功能的增强，主要源于对安全协议的日益重视。一个值得关注的发展是集成网络安全协议，如PROFIsafe和CIP safety。这种集成涉及将变频器纳入安全网络和协议。
关键区别在于变频器与其它安全系统的通信能力，通过实时安全监测和控制，促进对危险工况的协调响应。这确保了安全相关数据的可靠和完整传输，包括紧急停机信号和光幕状态。为了实现这些功能，采用了唯一标识、序列计数器和循环冗余校验（CRC）等技术，保证安全数据在传输过程中不会丢失、更改或延迟。
安全功能的另一个最新进展，是实现了安全扭矩关闭功能（STO）。与旧式的通过直接抑制扫描周期或使用安全继电器的实现方式相比，现代的STO功能直接集成在驱动控制系统中，使用更少的部件提供更高水平的安全性。这可确保立即切断电源，防止电机意外启动或移动，提供了一种更高效、更可靠的安全机制。
最新的变频器采用了复杂方法来检测和响应过电流、接地故障和热过载情况。这些方法使用先进的算法和实时线路监控，与旧系统相比，可以实现更快、更准确的保护。这些现代特性补充了变频器安全功能，反映了更集成、主动和数据驱动的安全方法的趋势。重点不仅在于应对危险，还在于预测和预防危险，这与更广泛的工业安全和自动化趋势相一致。
现代变频器的能效优势与软起动器
现代变频驱动装置的能效比其前身有了显著提高。这些改进归功于晶体管技术的进步，例如低损耗表面贴装氮化镓（GaN）和碳化硅（SiC）功率晶体管。这些技术有助于实现更快的开关速度、更高的总线电压和更低的栅极压降，从而实现更高的整体效率。
与效率低于85%的老式变频器相比，一些制造商现在标榜的最高效率在满负荷时可达98%。值得注意的是，老式晶体管技术需要在低电压快速开关和高电压慢速低效开关之间进行权衡，而氮化镓或碳化硅技术则不再受此限制。更小的外形尺寸也能实现更大的电流。
工程师手持罗克韦尔自动化公司的PowerFlex交流变频器，将其安装在他们后面的面板上。
随着晶体管技术的进步，许多变频器已经小型化，从而实现了更紧凑的设计。这种小型化使其适用于以前不可行的更多应用。在软启动器是唯一选择的情况下，变频器通常可以替代它，提供受控启动、停止和速度调节等高级功能。
传统上，软起动器被认为是一种经济高效的替代方案，可以替代苛刻的开关电机起动。随着现代变频器的紧凑性和多功能性的提高，在各种应用中正成为更具竞争力和可行性的选择。这种转变反映了变频器的更广泛优势，以及处理各种电机控制要求的能力。
现代变频器配备了复杂的算法，可根据负载要求优化能源使用和谐波生成。这些算法动态调整运行参数，如电压和频率，以与负载匹配，从而降低能耗。这是从旧变频器的转变，这些旧变频器运行在固定或适应性较差的参数下。
变频器包括先进的再生制动功能并不罕见，这使它们能够捕获和重新利用在减速或制动过程中浪费的能量。事实证明，此功能在频繁启停的应用中特别有效。此外，现代的变频器采用了增强的设计和组件来减轻电谐波，电谐波会影响电能质量并导致效率低下。
三种先进的变频器控制方案
当前的变频器提供了对电机速度、扭矩和整体性能的增强控制，还有先进的诊断和改进的连接功能。目前在用的最先进的变频器控制方案，主要包括矢量控制（FOC）、直接转矩控制（DTC）和无传感器矢量控制。
矢量控制：也称为磁场导向控制，是最先进的控制方法之一。该方法将电机扭矩和磁通分量解耦，从而实现对每个分量的独立控制。它在需要精确速度和扭矩控制的应用中特别有效，例如机器人和数控机床。
直接转矩控制：它是一种直接调节电机转矩和磁通量的方法，提供快速和动态的响应。与矢量控制不同，直接转矩控制无需位置传感器即可运行，简单易用，功能强大，在负载快速频繁变化的应用中具有优势。
无传感器矢量控制：这种控制方案的性能与矢量控制相当，但不需要转子位置传感器。它使用数学模型估计电机的磁通量，即使在低速下也能精确控制。这种方法广泛应用于无法安装传感器或安装成本过高的应用中。
这些先进的控制方案显著增强了变频器的功能，改善了精确控制，提高了效率，并可适应于广泛的工业和商业应用。随着技术的发展，这些控制方法将变得更加复杂，将人工智能和机器学习集成在一起，以实现更高的性能和效率。在变频器领域发生的显著变化促使制造企业考虑进行升级，以提高工业系统的整体安全性、性能或效率。