變頻驅動器 （VFDs） 所具有的體積更小、更加智能、效率更高、成本更低的傳統已經延續了50年。隨著對其性能要求越來越高，這種發展趨勢將更加明顯。

在過去50年里，大家可以看到交流變頻驅動器（Variable-Frequency Drives, VFDs）的外形尺寸和重量已經有了很明顯的變化。但是在這種表象下更加顯著的變化是這些電機驅動器所表現出的性能、效率和可靠性的改善。產生這些變化的原因是功率開關晶體管、微處理器、其他硬件及軟件功能的提高，這些減少了用戶對驅動器應用和維護所需要投入的精力。

早期的交流驅動器是開環運行的，僅有有限的功能。一個重大的進步是1971年Siemens公司的Felix Blaschke開發出用于感應電機的磁場定向（磁通矢量）控制技術，并在其他人的努力下，最終使得變頻驅動器在許多應用場合達到或超過了直流驅動器的性能。無速度傳感器矢量控制（省去了軸角編碼器）和其他驅動算法也隨后出現。而且，這些改進仍在不斷加速中。

Rockwell Automation公司產品經理William L. Sinner 注意到兩大歷史性的變化分別影響著變頻驅動器的功率和控制這兩方面。早期的交流驅動器 （20世紀80年代） 由于晶體管的電壓和電流等級有限，每相采用多個晶體管。而如今已變為一體化封裝，所以今天一個10馬力 （1馬力= 0.745kW） 驅動器的體積比過去驅動器中的一個晶體管單元還要小。“為了制造商能開發出更小、更高效的功率設備，新一代晶體管的性能仍然需要繼續提高,”Sinner 這樣說。絕緣柵雙極晶體管 （IGBTs） 仍然是現在主要的功率器件。

在控制方面，模擬控制在最初階段是占統治地位的，目前正讓位于數字控制，盡管數字控制起初只是基于集成電路。Sinner又提到，基于微處理器的數字驅動器在稍晚時間出現，一開始只是提供開環（V/Hz）控制。微處理器單元的繼續發展實現了在一臺驅動器中加入多種控制模式，只需通過改變軟件參數來轉換控制模式。

多種控制類型，互連性

多種控制模式代表著變頻驅動器領域目前的發展水平。典型的低端驅動器提供V/Hz和無速度傳感器矢量控制方式，而高端驅動器起初是采用磁通矢量控制，后來也加入了其他控制模式。例如，Rockwell公司的PowerFlex 700S通過內置的Logix處理器提供幾種控制模式，其中包括伺服控制。產品線間的技術移植是另一種趨勢，Sinner以低端PowerFlex 70加入矢量控制和一些高端的驅動器采用V/Hz控制為例進行了說明。

為什么高端產品會使用開環控制？Sinner認為，是由于V/Hz變換可以使一臺驅動器控制多種不同類型的電機。一種型號的驅動器應用于多種不同的場合有利于降低備件庫存。

互連性是當前變頻驅動器的另一個重要特征，Rockwell公司所有驅動器都是這樣裝備的。根據該公司的經驗，目前聯網的驅動器已經達到使用總數的50%，而且高端單元的使用量還在增加。Sinner說：“在過去的3年中，聯網驅動器的百分比已經翻了一番。”

Danfoss Drives 公司產品經理Tom Momberger的觀點是：“將微處理器技術應用于變頻驅動器是今天交流驅動器性能提高的主要原因。”對于物理外形上的改變，他對比了一種1968年生產的典型的模擬型5馬力交流驅動器（為使用該驅動器，它的油冷單元需要進行多種不同的手工調整）與當前變頻驅動器體積和重量的數字（見Danfoss公司過去的5馬力VLT型驅動器照片）。當然，新型的交流驅動器還加入了許多其他特性，例如可通過操作員鍵盤或計算機進行編程。“微處理器已經使這一切成為可能，” Momberger說。

根據Momberger的觀點，靈活性、智能化和友好的用戶操作環境是變頻驅動器技術發展的特征。靈活性意味著只用一種類型的驅動器即可提供開環、閉環、磁通矢量甚至準伺服（near-servo）控制來滿足多種應用。他說：“這種功能通過減少現場庫存、操作員培訓和備件的成本，降低了驅動器所有者的成本。”

微處理器單元和先進的診斷能力允許使用者智能地配置一臺驅動器，因此降低了試運行成本和停工時間。而軟件功能，如自動電機適配和軟件向導，去除了設置驅動器/電機連接過程中的不確定性。“軟件功能中友好的操作界面縮短了設置過程以減少操作員可能的錯誤，簡化了與驅動器的交互”， Momberger解釋說。Danfoss公司的新產品FC-302 自動驅動器具有所有這些特征。

PWM、DTC、模塊化

在交流驅動器發展的重要里程中，ABB公司見證了工業用基于脈寬調制驅動器的出現和1995年直接轉矩控制的引入。

Ilkka Ikonen在芬蘭的ABB Oy驅動器市場交流會上提到，ABB公司第一臺脈寬調制驅動器的工業安裝使用出現于20世紀70年代。造紙廠和地鐵的應用為這一重要產品的進步和魯棒性打下了基礎。他說：“這種技術在這些應用中證明了它的可靠性和競爭力后，人們開始接受交流驅動器作為主導控制技術來代替直流驅動器。”

ABB公司認為它的直接轉矩控制是一種先進的技術，不需要分別控制電壓和頻率就能夠直接控制電機的轉矩和轉速。更值得一提的是它的快速轉矩反應時間和控制精度，“通常比脈寬調制要快10倍。” 直接轉矩控制還能優化電機磁通，這樣能提高電機和驅動器的總能量利用率。直接轉矩控制不用調節器，控制時無需電機軸位置和速度反饋。“采用直接轉矩控制，速度為零時轉矩可達100%，低頻時微轉矩增量可在小于1ms的時間內得到控制，” Ikonen說。

如今，ABB的交流驅動器能通過“按訂單配置產品”滿足多種用戶需求，其模塊化設計發揮了重要作用。幾乎可以滿足購買者的所有需求，如交貨時間、質量和成本，就好像現貨一樣。

Bosch Rexroth公司開發的可靠的開關器件和微處理器，使得目前的變頻驅動器具有體積更小、效率更高和魯棒性更強的特點。元件部經理Peter Fischbach說：“基于隔離電源模塊的晶閘管或場效應晶體管以及后來出現的絕緣柵雙極晶體管，結合正弦脈寬調制控制法，徹底改變了電源部分和散熱系統的設計。”

圖1： Danfoss公司同一系列的變頻驅動器在30多年的發展中發生很大變化。
VLT 200包括模擬PWM控制，而VLT 3000起轉為數字控制。
IGBT、MPU

Rexroth公司在1988年發布了全系列基于IGBT的驅動器產品，其實，該公司的交流驅動業務早在1965年就發展起來了，并于1968年推出了它的第一臺高速、機架型工業用變頻驅動器，它可使感應打磨電機的運轉速度達到180，000rpm。