CT50周年系列 | 驱动器领域的变迁
在过去的 50 年里，整个世界悄无声息地发生了翻天覆地的变化。自 1973 年以来，自动化的发展和进步已经改变了工业生产，而驱动器推动了这一变革。
本文中，我们将探讨在过去半个世纪中改造驱动器的一些创新，包括绝缘栅双极晶体管(IGBT)、脉宽调制(PWM)、通量和无传感器矢量控制、可编程逻辑控制器(PLC)和微处理器。
01 络腮胡和喇叭裤
1973 年，嬉皮士风格成为主流时尚，流行长发、络腮胡、喇叭裤和彩色衬衫。Marvin Gaye 的《让我们开始吧》登上排行榜榜首， Elvis Presley 举办了“夏威夷的阿罗哈”演唱会。然而，就在这一年，西方战后长期的经济扩张陷入恐怖的停滞期。在以色列和阿拉伯国家联盟之间的赎罪日战争之后，阿拉伯各大石油生产商进行石油禁运，石油价格翻了三倍，高通货膨胀和经济衰退接踵而至。工业和消费者的廉价能源时代已经结束。
02 变速驱动器改变世界
这是一个充满挑战的环境，但能源短缺问题和恶性通货膨胀刺激了那些发现变速驱动器 (VSD)潜力的人们去改变世界。电动机是现代工业的引擎，驱动器可以降低能耗，提高功率和精度。驱动器使创新者能够以智能化方式非常精准地控制、操控电机，从而能够完成原本不可能完成的事情。
电动机发明于 20 世纪。一直需要使用齿轮和其他机械装置来控制电动机的速度和性能，才能更加有效地使用电动机。在 20 世纪 50 年代，出现了可以切换电压和电流的可控硅/晶闸管半导体，随后出现了第一批现代变速驱动器 (VSD)。这些新型电动驱动器体积庞大、价格昂贵，而且缺少可靠的性能，因此在 20 世纪 60 年代，其商业应用受到限制。
03 电力电子技术和晶体管的创新
电力电子技术创新是提高驱动器性能和可靠性、缩小设备尺寸、降低噪音和成本的关键。随着绝缘栅双极晶体管( IGBT)的发展，双极结型晶体管(BJT)和 MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)等半导体功率器件在 20 世纪 70 年代和 80 年代达到发展顶峰。
IGBT 兼具 MOSFET 易于控制的优点和 BJT 的高功率能力。当低控制电压被应用到栅极端子时，大电流可以流动。MOSFET 的栅极端子可用于控制电流，BJT 可用于放大电流。当低电压被移除时，电流停止流动，这样 IGBT 就可以变成系统中控制电流流动的开关。
在交流驱动器中，输入电压是固定频率的交流电压。这个被转换为直流电压，然后被转换为变频交流输出，从而实现电机速度控制。与其他类型的电力电子设备相比，IGBT 的主要优势包括：开关速度快，能够快速调整电机电压，损耗低。如今，IGBT 已成为交流电机驱动逆变器中使用的标准设备。GBT 使脉宽调制(PWM)的广泛使用成为可能，并减少了谐波问题。
04 脉宽调制与谐波
在交流驱动器中，PWM 能够以固定频率(通常为几千赫兹)快速打开和关闭直流电压，但脉冲宽度不同。这使得驱动器逆变级能够将直流(DC)电压转换为具有可变电压和频率的 交流(AC)电压，从而能够控制电机的速度。
05 驱动器的全新控制方法
另一个重要的创新是利用 PWM 制定新的控制方法。早期的驱动器使用 V/F 控制，保持电压和频率之间的恒定比率，以进行速度控制。矢量控制出现之后，利用外部速度和位置传感器，即可提供更精准的速度控制和高动态性能。此外，无传感器矢量控制也得到了发展。使用先进的算法，根据电流和电压测量值即可估算电机速度和扭矩，无需使用外部传感器。它能够产生高启动扭矩，适用于吊车和起重机等机械。这些控制方法以及其他新控制方法都有各自的优缺点，现代驱动器通常能够提供一种理想的方法。
06 可编程逻辑控制器和微处理器
PLC(可编程逻辑控制器)是可以编程的工业控制系统，可以执行特定任务，例如控制机械或处理信息。它们取代了旧的机电功率继电器，并且从 20 世纪 70 年代开始，与驱动器一起搭配使用。同时使用 PLC 和驱动器可以高效地控制工业流程。PLC 可以接收传感器和其他设备的输入信号，通过编程逻辑序列(通常使用梯形逻辑)处理信息，然后向驱动器发送输出信号。
20 世纪 80 年代和 90 年代出现了基于微处理器(MPU)的数字驱动器。随着微处理器功率的增加，它可以在同一驱动器中使用多种控制方法。操作界面变得更简单、更易于使用。通过配置、编程不同应用程序，使得通过操作键盘来控制电机速度、电压和电流成为可能。由于性能的提高，驱动器在整个制造行业得到了广泛的应用。
从 20 世纪 90 年代到 21 世纪，驱动器领域已经取得了重大进展，并将一直保持良好的发展势头。现在，驱动器通常具有板载可编程逻辑控制器，以及通用控制和通信功能，可以处理最复杂的分布式应用。现代驱动器采用串行或以太网通信协议与其他设备进行通信。这些协议能够更快、更可靠地传输复杂数据。作为庞大网络的一个组成部分，驱动器能够快速计算(这得益于集成计算)并保持持续通信，这意味着驱动器现在能够在几乎任何情况下实现精准的电机控制，并在任何配备了电动机的场所使用。
07 驱动器仍将是推动未来发展的幕后英雄
现在已经看不到喇叭裤和络腮胡了，我们对高通货膨胀和区域冲突导致的燃料成本骤增已经习以为常。在这期间，变速驱动器 (VSD) 的功能和应用已经发生了巨大变化，现在这个新兴行业的全球市场价值预计已经超过 200 亿美元每年。然而，利用智能控制技术提升电动机的功率和功能这一理念仍未改变，并且在我们应对全球变暖挑战时，变得比以往任何时候都更加重要。