CT50周年系列 | 驅動器領域的變遷

在過去的 50 年里，整個世界悄無聲息地發生了翻天覆地的變化。自 1973 年以來，自動化的發展和進步已經改變了工業生產，而驅動器推動了這一變革。

本文中，我們將探討在過去半個世紀中改造驅動器的一些創新，包括絕緣柵雙極晶體管(IGBT)、脈寬調制(PWM)、通量和無傳感器矢量控制、可編程邏輯控制器(PLC)和微處理器。

01 絡腮胡和喇叭褲

1973 年，嬉皮士風格成為主流時尚，流行長發、絡腮胡、喇叭褲和彩色襯衫。Marvin Gaye 的《讓我們開始吧》登上排行榜榜首， Elvis Presley 舉辦了“夏威夷的阿羅哈”演唱會。然而，就在這一年，西方戰后長期的經濟擴張陷入恐怖的停滯期。在以色列和阿拉伯國家聯盟之間的贖罪日戰爭之后，阿拉伯各大石油生產商進行石油禁運，石油價格翻了三倍，高通貨膨脹和經濟衰退接踵而至。工業和消費者的廉價能源時代已經結束。

02 變速驅動器改變世界

這是一個充滿挑戰的環境，但能源短缺問題和惡性通貨膨脹刺激了那些發現變速驅動器 (VSD)潛力的人們去改變世界。電動機是現代工業的引擎，驅動器可以降低能耗，提高功率和精度。驅動器使創新者能夠以智能化方式非常精準地控制、操控電機，從而能夠完成原本不可能完成的事情。

電動機發明于 20 世紀。一直需要使用齒輪和其他機械裝置來控制電動機的速度和性能，才能更加有效地使用電動機。在 20 世紀 50 年代，出現了可以切換電壓和電流的可控硅/晶閘管半導體，隨后出現了第一批現代變速驅動器 (VSD)。這些新型電動驅動器體積龐大、價格昂貴，而且缺少可靠的性能，因此在 20 世紀 60 年代，其商業應用受到限制。

03 電力電子技術和晶體管的創新

電力電子技術創新是提高驅動器性能和可靠性、縮小設備尺寸、降低噪音和成本的關鍵。隨著絕緣柵雙極晶體管( IGBT)的發展，雙極結型晶體管(BJT)和 MOSFET(金屬氧化物半導體場效應晶體管)等半導體功率器件在 20 世紀 70 年代和 80 年代達到發展頂峰。

IGBT 兼具 MOSFET 易于控制的優點和 BJT 的高功率能力。當低控制電壓被應用到柵極端子時，大電流可以流動。MOSFET 的柵極端子可用于控制電流，BJT 可用于放大電流。當低電壓被移除時，電流停止流動，這樣 IGBT 就可以變成系統中控制電流流動的開關。

在交流驅動器中，輸入電壓是固定頻率的交流電壓。這個被轉換為直流電壓，然后被轉換為變頻交流輸出，從而實現電機速度控制。與其他類型的電力電子設備相比，IGBT 的主要優勢包括：開關速度快，能夠快速調整電機電壓，損耗低。如今，IGBT 已成為交流電機驅動逆變器中使用的標準設備。GBT 使脈寬調制(PWM)的廣泛使用成為可能，并減少了諧波問題。

04 脈寬調制與諧波

在交流驅動器中，PWM 能夠以固定頻率(通常為幾千赫茲)快速打開和關閉直流電壓，但脈沖寬度不同。這使得驅動器逆變級能夠將直流(DC)電壓轉換為具有可變電壓和頻率的 交流(AC)電壓，從而能夠控制電機的速度。

05 驅動器的全新控制方法

另一個重要的創新是利用 PWM 制定新的控制方法。早期的驅動器使用 V/F 控制，保持電壓和頻率之間的恒定比率，以進行速度控制。矢量控制出現之后，利用外部速度和位置傳感器，即可提供更精準的速度控制和高動態性能。此外，無傳感器矢量控制也得到了發展。使用先進的算法，根據電流和電壓測量值即可估算電機速度和扭矩，無需使用外部傳感器。它能夠產生高啟動扭矩，適用于吊車和起重機等機械。這些控制方法以及其他新控制方法都有各自的優缺點，現代驅動器通常能夠提供一種理想的方法。

06 可編程邏輯控制器和微處理器

PLC(可編程邏輯控制器)是可以編程的工業控制系統，可以執行特定任務，例如控制機械或處理信息。它們取代了舊的機電功率繼電器，并且從 20 世紀 70 年代開始，與驅動器一起搭配使用。同時使用 PLC 和驅動器可以高效地控制工業流程。PLC 可以接收傳感器和其他設備的輸入信號，通過編程邏輯序列(通常使用梯形邏輯)處理信息，然后向驅動器發送輸出信號。

20 世紀 80 年代和 90 年代出現了基于微處理器(MPU)的數字驅動器。隨著微處理器功率的增加，它可以在同一驅動器中使用多種控制方法。操作界面變得更簡單、更易于使用。通過配置、編程不同應用程序，使得通過操作鍵盤來控制電機速度、電壓和電流成為可能。由于性能的提高，驅動器在整個制造行業得到了廣泛的應用。

從 20 世紀 90 年代到 21 世紀，驅動器領域已經取得了重大進展，并將一直保持良好的發展勢頭?，F在，驅動器通常具有板載可編程邏輯控制器，以及通用控制和通信功能，可以處理最復雜的分布式應用?，F代驅動器采用串行或以太網通信協議與其他設備進行通信。這些協議能夠更快、更可靠地傳輸復雜數據。作為龐大網絡的一個組成部分，驅動器能夠快速計算(這得益于集成計算)并保持持續通信，這意味著驅動器現在能夠在幾乎任何情況下實現精準的電機控制，并在任何配備了電動機的場所使用。

07 驅動器仍將是推動未來發展的幕后英雄

現在已經看不到喇叭褲和絡腮胡了，我們對高通貨膨脹和區域沖突導致的燃料成本驟增已經習以為常。在這期間，變速驅動器 (VSD) 的功能和應用已經發生了巨大變化，現在這個新興行業的全球市場價值預計已經超過 200 億美元每年。然而，利用智能控制技術提升電動機的功率和功能這一理念仍未改變，并且在我們應對全球變暖挑戰時，變得比以往任何時候都更加重要。

（來源：尼得科控制技術英國CT）