第一篇：變頻調(diào)速能量回饋控制技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)_職教論文

摘 要:通用變頻器能量回饋PWM控制系統(tǒng)是一種采用有源逆變方式把電動(dòng)機(jī)減速制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的再生能量回饋電網(wǎng)的裝置。它可以克服通用變頻器傳統(tǒng)制動(dòng)電阻方式低效、難以滿足快速制動(dòng)和頻繁正反轉(zhuǎn)的不足，使通用變頻器可在四象限運(yùn)行。本文首先回顧了變頻調(diào)速能量回饋控制技術(shù)的發(fā)展歷史及現(xiàn)狀。設(shè)計(jì)了一種基于智能功率模塊IPM的新型控制系統(tǒng)，并詳細(xì)介紹了主電路、控制電路、驅(qū)動(dòng)和保護(hù)電路的設(shè)計(jì)思路。最后指出了能量回饋技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。關(guān)鍵詞:變頻調(diào)速技術(shù) 能量回饋 再生制動(dòng) PWM控制 智能功率模塊 檢測(cè)技術(shù) 1 引言 變頻調(diào)速技術(shù)涉及電子、電工、信息與控制等多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域。采用變頻調(diào)速技術(shù)是節(jié)能降耗、改善控制性能、提高產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量的重要途徑，已在應(yīng)用中取得了良好的應(yīng)用效果和顯著的經(jīng)濟(jì)效益[1]。但是，在對(duì)調(diào)速節(jié)能的一片贊譽(yù)中，人們往往忽視了進(jìn)一步挖掘變頻調(diào)速系統(tǒng)節(jié)能潛力和提高效率的問題。事實(shí)上，從變頻器內(nèi)部研究和設(shè)計(jì)的方面看，應(yīng)用或?qū)で竽囊环N控制策略可以使變頻驅(qū)動(dòng)電機(jī)的損耗最小而效率最高？怎樣才能使生產(chǎn)機(jī)械儲(chǔ)存的能量及時(shí)高效地回饋到電網(wǎng)？這正是提高效率的兩個(gè)重要途徑。第一個(gè)環(huán)節(jié)是通過變頻調(diào)速技術(shù)及其優(yōu)化控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)“按需供能”，即在滿足生產(chǎn)機(jī)械速度、轉(zhuǎn)矩和動(dòng)態(tài)響應(yīng)要求的前提下，盡量減少變頻裝置的輸入能量;第二個(gè)環(huán)節(jié)是將由生產(chǎn)機(jī)械中儲(chǔ)存的動(dòng)能或勢(shì)能轉(zhuǎn)換而來的電能及時(shí)地、高效地“回收”到電網(wǎng)，即通過有源逆變裝置將再生能量回饋到交流電網(wǎng)，一方面是節(jié)能降耗，另一方面是實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的精密制動(dòng)，提高電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)性能。本文討論的就是變頻調(diào)速系統(tǒng)節(jié)能控制的第二個(gè)環(huán)節(jié)－變頻調(diào)速能量回饋控制技術(shù)。在能源資源日趨緊張的今天，這項(xiàng)研究無疑具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。2 通用變頻器在應(yīng)用中存在的問題 通用變頻器大都為電壓型交-直-交變頻器，基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。三相交流電首先通過二極管可控整流橋得到脈動(dòng)直流電，再經(jīng)電解電容濾波穩(wěn)壓，最后經(jīng)無源逆變輸出電壓、頻率可調(diào)的交流電給電動(dòng)機(jī)供電。這類變頻器功率因數(shù)高、效率高、精度高、調(diào)速范圍寬，所以在工業(yè)中獲得廣泛應(yīng)用。但是通用變頻器不能直接用于需要快速起、制動(dòng)和頻繁正、反轉(zhuǎn)的調(diào)速系統(tǒng)，如高速電梯、礦用提升機(jī)、軋鋼機(jī)、大型龍門刨床、卷繞機(jī)構(gòu)張力系統(tǒng)及機(jī)床主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)等。因?yàn)檫@種系統(tǒng)要求電機(jī)四象限運(yùn)行，當(dāng)電機(jī)減速、制動(dòng)或者帶位能性負(fù)載重物下放時(shí)，電機(jī)處于再生發(fā)電狀態(tài)。由于二極管可控整流器能量傳輸不可逆，產(chǎn)生的再生電能傳輸?shù)街绷鱾?cè)濾波電容上，產(chǎn)生泵升電壓。而以GTR、IGBT為代表的全控型器件耐壓較低，過高的泵升電壓有可能損壞開關(guān)器件、電解電容，甚至?xí)茐碾姍C(jī)的絕緣，從而威脅系統(tǒng)安全工作，這就限制了通用變頻器的應(yīng)用范圍[2]。3 國(guó)內(nèi)外能量回饋技術(shù)研究現(xiàn)狀 為了解決電動(dòng)機(jī)處于再生發(fā)電狀態(tài)產(chǎn)生的再生能量，德國(guó)西門子公司已經(jīng)推出了電機(jī)四象限運(yùn)行的電壓型交-直-交變頻器，日本富士公司也成功研制了電源再生裝置，如RHR系列、FRENIC系列電源再生單元，它把有源逆變單元從變頻器中分離出來，直接作為變頻器的一個(gè)外圍裝置，可并聯(lián)到變頻器的直流側(cè)，將再生能量回饋到電網(wǎng)中[3]。同時(shí)，已見到國(guó)外有四象限電壓型交－直－交變頻器及電網(wǎng)側(cè)脈沖整流器等的研制報(bào)道[4-9]。普遍存在的問題是這些裝置價(jià)格昂貴，再加上一些產(chǎn)品對(duì)電網(wǎng)的要求很高，不適合我國(guó)的國(guó)情。國(guó)內(nèi)在中小容量系統(tǒng)中大都采用能耗制動(dòng)方式[10-13]，即通過內(nèi)置或外加制動(dòng)電阻的方法將電能消耗在大功率電阻器中，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的四象限運(yùn)行，該方法雖然簡(jiǎn)單，但有如下嚴(yán)重缺點(diǎn)[14-18]: [!--empirenews.page--](1)浪費(fèi)能量，降低了系統(tǒng)的效率。(2)電阻發(fā)熱嚴(yán)重，影響系統(tǒng)的其他部分正常工作。(3)簡(jiǎn)單的能耗制動(dòng)有時(shí)不能及時(shí)抑制快速制動(dòng)產(chǎn)生的泵升電壓，限制了制動(dòng)性能的提高(制動(dòng)力矩大，調(diào)速范圍寬，動(dòng)態(tài)性能好)。上述缺點(diǎn)決定了能耗制動(dòng)方式只能用于幾十kW以下的中小容量系統(tǒng)。國(guó)內(nèi)關(guān)于能量回饋控制的研究正在進(jìn)行，但基本上都處于實(shí)驗(yàn)階段，目前已經(jīng)見到有關(guān)的文獻(xiàn)報(bào)道[14-18]，但尚未見這方面產(chǎn)品的報(bào)道。4 能量回饋系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 按照所選用的功率開關(guān)器件的不同，能量回饋系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可分為半控器件型結(jié)構(gòu)和全控器件型結(jié)構(gòu)兩大類。4.1 半控器件型(晶閘管型)結(jié)構(gòu) 由于晶閘管的耐壓、耐流、耐浪涌沖擊能力是全控型功率器件所無法比擬的，加之驅(qū)動(dòng)、保護(hù)電路簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉等原因，采用晶閘管構(gòu)成有源逆變電路在七、八十年代獲得人們普遍的研究，即使在現(xiàn)階段也仍有一定的實(shí)際意義。下面將要介紹幾種基于晶閘管的有源逆變電路的結(jié)構(gòu)、基本原理以及優(yōu)、缺點(diǎn)的對(duì)比。(1)可控整流-可控有源逆變型 該方式是人們?cè)缙谘芯康囊环N方案。基本思路是在可控整流橋的基礎(chǔ)上再反并聯(lián)一套有源逆變裝置，當(dāng)電動(dòng)機(jī)處于電動(dòng)狀態(tài)時(shí)，整流橋T’1~T’6工作;而當(dāng)電動(dòng)機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)時(shí)，隨著直流回路電壓的升高，三相可控整流器被封鎖，三相可控有源逆變器T1~T6工作，將能量回饋到電網(wǎng)中，同時(shí)該方式有效的阻斷了環(huán)流的發(fā)生。其主回路結(jié)構(gòu)如圖2所示。眾所周知，在晶閘管逆變電路中，為保證逆變器換流的可靠性，對(duì)逆變角β有一定的限制，即βmin=300，同時(shí)為滿足有源逆變的條件，避免直流環(huán)流，還應(yīng)使變頻器的最高直流側(cè)電壓Udmax小于逆變電壓Uβmin，即:(1)式中:E為電源相電壓有效值，△Um為允許的最高泵升電壓。由(1)式可知，αmin應(yīng)大于βmin。于是帶來了兩個(gè)問題: 1)較大的αmin將引起波形畸變干擾電網(wǎng)，并降低了電網(wǎng)的功率因數(shù)。2)直流回路電壓降低將使常規(guī)380V交流電機(jī)得不到充分利用。為此人們又提出了一種可行的解決辦法，就是將有源逆變器通過升壓變壓器與電網(wǎng)相連，整流電路改為不可控。顯然，波形和功率因數(shù)都可得到改善，升壓變壓器可以切斷上下橋臂產(chǎn)生的直流環(huán)流，同時(shí)為了限制交流環(huán)流以及滿足有源逆變條件在電路中設(shè)置了電抗器，但它又有如下缺點(diǎn): 1)增加的變壓器和環(huán)流電抗器使裝置的成本提高、體積增大。2)因只要Uα雖然可以采用電壓、電流滯環(huán)控制方法來克服這一缺陷，但所有的控制均基于對(duì)逆變角β的控制，這就大大增加了β角的控制難度。特別是在發(fā)生誤觸發(fā)時(shí)，沒有有效的方法防止有源逆變器顛覆而產(chǎn)生的短路電流。(2)可控整流/有源逆變復(fù)用型 Keiju.Matsui 等人提出了以下幾種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[18-19]，其基本思路是利用一套可控整流橋既完成整流，又實(shí)現(xiàn)有源逆變，這樣就可以減小裝置的體積，降低成本。[!--empirenews.page--]1)多脈寬調(diào)制(MPWM)方式 主電路結(jié)構(gòu)如圖3所示。采用一個(gè)電抗器和一個(gè)大功率晶體管作為能量暫存環(huán)節(jié)。α900(β這種方案的優(yōu)點(diǎn)是巧妙地利用一個(gè)整流橋同時(shí)實(shí)現(xiàn)整流和有源逆變兩種功能，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積較小。缺點(diǎn)是它的輸出波形包含大量的低次奇次諧波，噪聲大，同時(shí)能量回饋過程間斷進(jìn)行，回饋效率低，能量損耗較大，功率因數(shù)低。為減少M(fèi)PWM輸出波形包含的低次奇次諧波，進(jìn)一步改善電路的結(jié)構(gòu)，Keiju.Matsui等人提出了SPWM方式[20,21]。2)正弦波脈寬調(diào)制(SPWM)方式 該方式控制電路僅采用一只晶體管來實(shí)現(xiàn)能量的回饋控制，使電路的結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單，且有效的抑制了低次諧波，但它需要晶閘管S1~S6的協(xié)調(diào)配合，同時(shí)該方案的開關(guān)損耗較大，能量回饋過程是間斷進(jìn)行的。為了獲得連續(xù)的電流波形，Keiju.Matsui等人又提出了一種新的方案，即MCC方式。3)可調(diào)的庫(kù)克(MCC)方式 該方案是在MPWM方式的基礎(chǔ)上增加一只大型電容器，通過控制電容器的充放電來保證能量回饋過程的連續(xù)，工作原理同MPWM一樣，先將再生能量?jī)?chǔ)存在電感中，待條件滿足后再將能量回饋到電網(wǎng)中。該方案的優(yōu)點(diǎn)是可以連續(xù)的回饋再生能量，保證了電流的連續(xù)性，從而使回饋的功率較高，開關(guān)損耗較小，但由于引人了大型電容器，使裝置體積增大，成本提高，同時(shí)該電路輸出電流波形包含較大的低次奇次諧波成分，易造成負(fù)載轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)、噪聲較大。(3)滯環(huán)控制斬波-逆變回饋方式 上述幾種方案雖然都能實(shí)現(xiàn)能量回饋控制，但其缺點(diǎn)是顯而易見的，同時(shí)由于晶閘管存在強(qiáng)迫換流關(guān)斷的問題，導(dǎo)致對(duì)直流側(cè)電壓有限制，若直流側(cè)電壓過高，則有可能由于晶閘管換流關(guān)斷失敗而導(dǎo)致逆變顛覆，這就限制了它們的應(yīng)用。因此Dennis等人提出了一種基于晶閘管的新型回饋裝置[22]。其主電路結(jié)構(gòu)如圖4所示。主回路主要包括三部分:同步整流器SR、母線換相器BC、電流調(diào)節(jié)器CR。其基本思想是當(dāng)直流母線電壓達(dá)到一定值時(shí)啟動(dòng)該裝置，通過控制回饋電流的大小，將再生能量有效的回饋到電網(wǎng)中。為了避免整流與有源逆變?cè)谝稽c(diǎn)來回切換，回饋電流采用滯環(huán)控制方式。該電路的工作原理如下:當(dāng)直流母線電壓達(dá)到一定值(如740V)時(shí)開通Q1，將能量回饋到電網(wǎng)，同步整流器SR以a=1800的固定相位角工作。隨著回饋電流的增加，當(dāng)電流傳感器檢測(cè)到電流超過設(shè)定值時(shí)關(guān)斷Q1，此時(shí)回饋電流開始下降，當(dāng)電流降到下限設(shè)定值時(shí)再開通Q1，如此循環(huán)往復(fù)。母線換相器BC的作用有二:一是為晶閘管的換相提供零電壓鉗位，以保證它們可靠地關(guān)斷;二是在緊急狀態(tài)時(shí)為能耗制動(dòng)提供回路。其中大功率晶體管Q2在每次晶閘管換相時(shí)都觸發(fā)導(dǎo)通一次，即每600相位角導(dǎo)通一次，為晶閘管提供零電壓鉗位，這樣就可以確保晶閘管可靠地?fù)Q相，并可以省去強(qiáng)迫換流電路[22]。[!--empirenews.page--]該方案采用電流滯環(huán)控制回饋電流，為一大類負(fù)載提供了一種切實(shí)可行的拓?fù)浞桨福哂幸欢ǖ耐ㄓ眯浴Ｆ涮攸c(diǎn)如下: 1)可廣泛應(yīng)用于PWM交流傳動(dòng)的能量回饋制動(dòng)場(chǎng)合，克服了晶閘管強(qiáng)迫換相對(duì)直流側(cè)電壓限制的缺點(diǎn)。

2)這種結(jié)構(gòu)不產(chǎn)生任何異常的高次諧波電流成分，同時(shí)它控制方便，不需要輔助關(guān)斷電路，是一種經(jīng)濟(jì)可行的方式。3)通過在回路中增加電阻R1和開關(guān)Q2，提供了能耗制動(dòng)的可選方式，可以實(shí)現(xiàn)緊急制動(dòng)。基于晶閘管的再生能量回饋系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是:結(jié)構(gòu)和控制簡(jiǎn)單，成本較低，耐壓和耐浪涌電流的能力較強(qiáng)，在大容量的逆變裝置中具有一定的優(yōu)勢(shì)。但是其缺點(diǎn)是顯而易見的:它輸入功率因數(shù)低;輸入側(cè)有高次諧波存在，諧波損耗大;需要復(fù)雜的輔助關(guān)斷電路，從而使裝置成本增加，體積增大，可靠性降低，動(dòng)態(tài)響應(yīng)慢。故一般用于較大容量和對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能和快速性要求不太高的場(chǎng)合。4.2 全控器件型結(jié)構(gòu) 全控型器件如GTR、MOSFET、IGBT或IPM具有開關(guān)頻率高、集成度高和動(dòng)態(tài)響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)。采用上述的全控型器件作為有源逆變的功率開關(guān)器件可以提高系統(tǒng)的效率，抑制諧波和機(jī)械噪聲，這使得基于全控型器件的能量回饋控制系統(tǒng)已經(jīng)成為研究的重點(diǎn)。目前國(guó)內(nèi)外流行的控制方式僅對(duì)電流回路進(jìn)行滯環(huán)控制[14-18]，雖然控制方式和控制電路比較簡(jiǎn)單，但系統(tǒng)的主要控制對(duì)象-回饋電流的控制精度難以保證，從而造成系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能和抗干擾性能較差，功能不夠完善。作者設(shè)計(jì)了一種全新的控制方案[25-28]，該方案采用PWM控制方式有效地克服了傳統(tǒng)控制方式的缺陷，提高了系統(tǒng)的控制精度和動(dòng)態(tài)性能。如圖5所示。回饋電流大小的控制是整個(gè)系統(tǒng)的核心環(huán)節(jié)。本系統(tǒng)創(chuàng)新之處是擯棄了傳統(tǒng)的滯環(huán)控制方式，采用了PID技術(shù)和PWM控制技術(shù)，利用電壓型PWM控制芯片SG3525A作為主控芯片進(jìn)行閉環(huán)控制，綜合了滯環(huán)控制方式和PWM控制方式的優(yōu)點(diǎn)，克服了采用滯環(huán)控制時(shí)回饋電流波形差、其高頻分量大、控制不精確的缺限，提高了系統(tǒng)的控制精度、動(dòng)態(tài)性能和抗干擾性能。控制系統(tǒng)包括同步信號(hào)獲取電路、電壓檢測(cè)與控制電路、電流檢測(cè)與控制電路、以及故障檢測(cè)、顯示與保護(hù)電路。其中，同步信號(hào)電路是有源逆變的基礎(chǔ)和關(guān)鍵，回饋電流的檢測(cè)與控制則是系統(tǒng)的控制核心和難點(diǎn)。同步信號(hào)獲取電路采用同步變壓器降壓全波整流法獲取。實(shí)驗(yàn)表明，該方法線路簡(jiǎn)單，精度高，可以很好地滿足控制系統(tǒng)的要求。電壓檢測(cè)和控制電路采用高速高線性度光電耦合器TLP559將直流母線電壓線性地變?yōu)槿蹼妷盒盘?hào)，該信號(hào)經(jīng)變換后為回饋電流提供控制信號(hào)，以決定是否開啟逆變裝置進(jìn)行能量回饋。電流檢測(cè)及控制電路使回饋系統(tǒng)成為閉環(huán)控制系統(tǒng)。能量回饋過程中，首先要保證回饋電流的大小要滿足回饋功率的要求。同時(shí)回饋電流的控制精度和紋波大小直接影響到系統(tǒng)的控制性能，因此對(duì)電流的實(shí)時(shí)檢測(cè)與控制是一個(gè)非常關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。本系統(tǒng)采用霍爾電流傳感器對(duì)回饋電流進(jìn)行檢測(cè)，霍爾電流傳感器的特點(diǎn)是體積小、響應(yīng)速度快、準(zhǔn)確度和線性度高，完全可以勝任電路的要求;采用PID調(diào)節(jié)器和SG3525A型PWM控制芯片進(jìn)行脈寬調(diào)制，綜合了滯環(huán)控制方式和PWM控制方式的優(yōu)點(diǎn)，使系統(tǒng)能快速、準(zhǔn)確地控制回饋能量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明電流控制完全符合設(shè)計(jì)要求。[!--empirenews.page--]系統(tǒng)提供交/直流過壓、欠壓、過流、缺相、交直流快熔保護(hù)和IPM故障等齊全保護(hù)措施，以保證系統(tǒng)和電路的正常工作，減小故障情況下的損失。采用新型功率器件-智能功率模塊IPM是本系統(tǒng)的又一特色。IPM內(nèi)部集成了高速、低耗的IGBT芯片和優(yōu)化的門極驅(qū)動(dòng)及過流、短路、欠壓和過熱保護(hù)電路，它提高了系統(tǒng)的性能和可靠性，降低了系統(tǒng)成本，縮短了產(chǎn)品開發(fā)周期，是值得推廣的產(chǎn)品開發(fā)途徑。5 能量回饋技術(shù)的新發(fā)展--雙PWM控制技術(shù)[23] 交-直-交電壓型變頻器的主電路輸入側(cè)一般是經(jīng)三相不控橋式整流器向中間直流環(huán)節(jié)的濾波電容充電，然后通過PWM控制下的逆變器輸入到交流電動(dòng)機(jī)上。雖然這樣的電路成本低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高，但是由于采用三相橋式不控整流器使得功率因數(shù)低、網(wǎng)測(cè)諧波污染以及無法實(shí)現(xiàn)能量的再生利用等。消除對(duì)電網(wǎng)的諧波污染并提高功率因數(shù)，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的四象限運(yùn)行以構(gòu)成變頻技術(shù)不可回避的問題。為此，PWM整流技術(shù)的研究，新型單位功率因數(shù)變流器的開發(fā)，在國(guó)內(nèi)外引起廣泛的關(guān)注。傳統(tǒng)的制動(dòng)方法是在中間直流環(huán)節(jié)電容兩端并聯(lián)電阻消耗能量，這既浪費(fèi)了能量，又不可靠，而且制動(dòng)慢;或者設(shè)置一套三相有源逆變系統(tǒng)，但增加了變壓器，加大了回饋裝置的體積，增加了成本而且逆變電流波形畸變嚴(yán)重，電網(wǎng)污染重，功率因數(shù)低。而整流電路中采用自關(guān)斷器件進(jìn)行PWM控制，可是電網(wǎng)側(cè)的輸入電流接近正弦波并且功率因數(shù)達(dá)到1，可以徹底解決對(duì)電網(wǎng)的污染問題。由PWM整流器和PWM逆變器無需增加任何附加電路，就可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的功率因數(shù)約等于1，消除網(wǎng)側(cè)諧波污染，能量雙向流動(dòng)，方便電機(jī)四象限運(yùn)行，同時(shí)對(duì)于各種調(diào)速場(chǎng)合，使電機(jī)很快達(dá)到速度要求，動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間短。圖3位變頻器雙PWM控制結(jié)構(gòu)，其中ia*、ib*、ic*是與電網(wǎng)電壓ea、eb、ec具有同頻同相位的電流信號(hào)，經(jīng)PWM電流控制器與實(shí)際電流ia、、ib、ic比較生成6路PWM開關(guān)信號(hào)控制整流器中開關(guān)元件導(dǎo)通和關(guān)斷，是實(shí)際電流跟隨ia*、ib*、ic*、網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)約等于1。雙PWM控制技術(shù)的工作原理:①當(dāng)電機(jī)處于拖動(dòng)狀態(tài)時(shí)，能量由交流電網(wǎng)經(jīng)整流器中間濾波電容充電，逆變器在PWM控制下降能量傳送到電機(jī);②當(dāng)電機(jī)處于減速運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，由于負(fù)載慣性作用進(jìn)入發(fā)電狀態(tài)，其再生能量經(jīng)逆變器中開關(guān)元件和續(xù)流二極管向中間濾波電容充電，使中間直流電壓升高，此時(shí)整流器中開關(guān)元件在PWM控制下降能量饋如到交流電網(wǎng)，完成能量的雙向流動(dòng)。同時(shí)由于PWM整流器閉環(huán)控制作用，使電網(wǎng)電流與電壓同頻同相位，提高了系統(tǒng)的功率因數(shù)，消除了網(wǎng)側(cè)諧波污染。雙PWM控制技術(shù)打破了過去變頻器的統(tǒng)一結(jié)構(gòu)，采用PWM整流器和PWM逆變器提高了系統(tǒng)功率因數(shù)，并且實(shí)現(xiàn)了電機(jī)的四象限運(yùn)行，這給變頻器技術(shù)增添了新的生機(jī)，形成了高質(zhì)量能量回饋技術(shù)的最新發(fā)展動(dòng)態(tài)。

第二篇：畢業(yè)論文-變頻調(diào)速能量回饋控制技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)

變頻調(diào)速能量回饋控制技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)

摘 要: 通用變頻器能量回饋PWM控制系統(tǒng)是一種采用有源逆變方式把電動(dòng)機(jī)減速制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的再生能量回饋電網(wǎng)的裝置。它可以克服通用變頻器傳統(tǒng)制動(dòng)電阻方式低效、難以滿足快速制動(dòng)和頻繁正反轉(zhuǎn)的不足，使通用變頻器可在四象限運(yùn)行。本文首先回顧了變頻調(diào)速能量回饋控制技術(shù)的發(fā)展歷史及現(xiàn)狀。設(shè)計(jì)了一種基于智能功率模塊IPM的新型控制系統(tǒng)，并詳細(xì)介紹了主電路、控制電路、驅(qū)動(dòng)和保護(hù)電路的設(shè)計(jì)思路。最后指出了能量回饋技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞:變頻調(diào)速技術(shù) 能量回饋 再生制動(dòng) PWM控制 智能功率模塊 檢測(cè)技術(shù)

Abstract: General inverter energy feedback control system is a kind of device which feeds the regenerative energy produced by motor when decelerates and brakes back to the AC pow-er supply.It can overcome the disadvantages of the traditional method in low efficiency because using braking resistance.And it is easy to meet the need of braking rapidly and the need of running between forward and reverse frequently.Therefore inverters can run in four quadrants.The paper firstly reviews the development history and current situations of inverter energy feedback control technology, then, the paper gives a kind of new type control system based by Intelligent Power Module(IPM), and introduces the design of the main circuit, control circuit, driving and protect circuit in detail, points out the development trend of inverter energy feedback control technology at last.Keywords : Frequency Converter Energy feedback Regenerative braking PWM control Intelligent Power Module Detecting technology.1 引言

變頻調(diào)速技術(shù)涉及電子、電工、信息與控制等多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域。采用變頻調(diào)速技術(shù)是節(jié)能降耗、改善控制性能、提高產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量的重要途徑，已在應(yīng)用中取得了良好的應(yīng)用效果和顯著的經(jīng)濟(jì)效益。但是，在對(duì)調(diào)速節(jié)能的一片贊譽(yù)中，人們往往忽視了進(jìn)一步挖掘變頻調(diào)速系統(tǒng)節(jié)能潛力和提高效率的問題。事實(shí)上，從變頻器內(nèi)部研究和設(shè)計(jì)的方面看，應(yīng)用或?qū)で竽囊环N控制策略可以使變頻驅(qū)動(dòng)電機(jī)的損耗最小而效率最高？怎樣才能使生產(chǎn)機(jī)械儲(chǔ)存的能量及時(shí)高效地回饋到電網(wǎng)？這正是提高效率的兩個(gè)重要途徑。第一個(gè)環(huán)節(jié)是通過變頻調(diào)速技術(shù)及其優(yōu)化控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)“按需供能”，即在滿足生產(chǎn)機(jī)械速度、轉(zhuǎn)矩和動(dòng)態(tài)響應(yīng)要求的前提下，盡量減少變頻裝置的輸入能量;第二個(gè)環(huán)節(jié)是將由生產(chǎn)機(jī)械中儲(chǔ)存的動(dòng)能或勢(shì)能轉(zhuǎn)換而來的電能及時(shí)地、高效地“回收”到電網(wǎng)，即通過有源逆變裝置將再生能量回饋到交流電網(wǎng)，一方面是節(jié)能降耗，另一方面是實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的精密制動(dòng)，提高電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)性能。本文討論的就是變頻調(diào)速系統(tǒng)節(jié)能控制的第二個(gè)環(huán)節(jié)－變頻調(diào)速能量回饋控制技術(shù)。在能源資源日趨緊張的今天，這項(xiàng)研究無疑具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。通用變頻器在應(yīng)用中存在的問題

通用變頻器大都為電壓型交-直-交變頻器。三相交流電首先通過二極管不控整流橋得到脈動(dòng)直流電，再經(jīng)電解電容濾波穩(wěn)壓，最后經(jīng)無源逆變輸出電壓、頻率可調(diào)的交流電給電動(dòng)機(jī)供電。這類變頻器功率因數(shù)高、效率高、精度高、調(diào)速范圍寬，所以在工業(yè)中獲得廣泛應(yīng)用。但是通用變頻器不能直接用于需要快速起、制動(dòng)和頻繁正、反轉(zhuǎn)的調(diào)速系統(tǒng)，如高速電梯、礦用提升機(jī)、軋鋼機(jī)、大型龍門刨床、卷繞機(jī)構(gòu)張力系統(tǒng)及機(jī)床主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)等。因?yàn)檫@種系統(tǒng)要求電機(jī)四象限運(yùn)行，當(dāng)電機(jī)減速、制動(dòng)或者帶位能性負(fù)載重物下放時(shí)，電機(jī)處于再生發(fā)電狀態(tài)。由于二極管不控整流器能量傳輸不可逆，產(chǎn)生的再生電能傳輸?shù)街绷鱾?cè)濾波電容上，產(chǎn)生泵升電壓。而以GTR、IGBT為代表的全控型器件耐壓較低，過高的泵升電壓有可能損壞開關(guān)器件、電解電容，甚至?xí)茐碾姍C(jī)的絕緣，從而威脅系統(tǒng)安全工作，這就限制了通用變頻器的應(yīng)用范圍。國(guó)內(nèi)外能量回饋技術(shù)研究現(xiàn)狀

為了解決電動(dòng)機(jī)處于再生發(fā)電狀態(tài)產(chǎn)生的再生能量，德國(guó)西門子公司已經(jīng)推出了電機(jī)四象限運(yùn)行的電壓型交-直-交變頻器，日本富士公司也成功研制了電源再生裝置，如RHR系列、FRENIC系列電源再生單元，它把有源逆變單元從變頻器中分離出來，直接作為變頻器的一個(gè)外圍裝置，可并聯(lián)到變頻器的直流側(cè)，將再生能量回饋到電網(wǎng)中。同時(shí)，已見到國(guó)外有四象限電壓型交－直－交變頻器及電網(wǎng)側(cè)脈沖整流器等的研制報(bào)道。普遍存在的問題是這些裝置價(jià)格昂貴，再加上一些產(chǎn)品對(duì)電網(wǎng)的要求很高，不適合我國(guó)的國(guó)情。國(guó)內(nèi)在中小容量系統(tǒng)中大都采用能耗制動(dòng)方式，即通過內(nèi)置或外加制動(dòng)電阻的方法將電能消耗在大功率電阻器中，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的四象限運(yùn)行，該方法雖然簡(jiǎn)單，但有如下嚴(yán)重缺點(diǎn):

(1)浪費(fèi)能量，降低了系統(tǒng)的效率。(2)電阻發(fā)熱嚴(yán)重，影響系統(tǒng)的其他部分正常工作。(3)簡(jiǎn)單的能耗制動(dòng)有時(shí)不能及時(shí)抑制快速制動(dòng)產(chǎn)生的泵升電壓，限制了制動(dòng)性能的提高(制動(dòng)力矩大，調(diào)速范圍寬，動(dòng)態(tài)性能好)。

上述缺點(diǎn)決定了能耗制動(dòng)方式只能用于幾十kW以下的中小容量系統(tǒng)。國(guó)內(nèi)關(guān)于能量回饋控制的研究正在進(jìn)行，但基本上都處于實(shí)驗(yàn)階段，目前已經(jīng)見到有關(guān)的文獻(xiàn)報(bào)道，但尚未見這方面產(chǎn)品的報(bào)道。能量回饋系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

按照所選用的功率開關(guān)器件的不同，能量回饋系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可分為半控器件型結(jié)構(gòu)和全控器件型結(jié)構(gòu)兩大類。

4.1 半控器件型(晶閘管型)結(jié)構(gòu)

由于晶閘管的耐壓、耐流、耐浪涌沖擊能力是全控型功率器件所無法比擬的，加之驅(qū)動(dòng)、保護(hù)電路簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉等原因，采用晶閘管構(gòu)成有源逆變電路在七、八十年代獲得人們普遍的研究，即使在現(xiàn)階段也仍有一定的實(shí)際意義。下面將要介紹幾種

基于晶閘管的有源逆變電路的結(jié)構(gòu)、基本原理以及優(yōu)、缺點(diǎn)的對(duì)比。

(1)可控整流-可控有源逆變型

該方式是人們?cè)缙谘芯康囊环N方案。基本思路是在可控整流橋的基礎(chǔ)上再反并聯(lián)一套有源逆變裝置，當(dāng)電動(dòng)機(jī)處于電動(dòng)狀態(tài)時(shí)，整流橋T’1~T’6工作;而當(dāng)電動(dòng)機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)時(shí)，隨著直流回路電壓的升高，三相可控整流器被封鎖，三相可控有源逆變器T1~T6工作，將能量回饋到電網(wǎng)中，同時(shí)該方式有效的阻斷了環(huán)流的發(fā)生。眾所周知，在晶閘管逆變電路中，為保證逆變器換流的可靠性，對(duì)逆變角β有一定的限制，即βmin=300，同時(shí)為滿足有源逆變的條件，避免直流環(huán)流，還應(yīng)使變頻器的最高直流側(cè)電壓Udmax小于逆變電壓Uβmin，于是帶來了兩個(gè)問題:

1)較大的αmin將引起波形畸變干擾電網(wǎng)，并降低了電網(wǎng)的功率因數(shù)。

2)直流回路電壓降低將使常規(guī)380V交流電機(jī)得不到充分利用。

為此人們又提出了一種可行的解決辦法，就是將有源逆變器通過升壓變壓器與電網(wǎng)相連，整流電路改為不可控。顯然，波形和功率因數(shù)都可得到改善，升壓變壓器可以切斷上下橋臂產(chǎn)生的直流環(huán)流，同時(shí)為了限制交流環(huán)流以及滿足有源逆變條件在電路中設(shè)置了電抗器，但它又有如下缺點(diǎn):

1)增加的變壓器和環(huán)流電抗器使裝置的成本提高、體積增大。

2)因只要Uα< Uβ就會(huì)啟動(dòng)逆變裝置，使逆變橋頻繁工作，損耗增加;由于逆變電流較小，會(huì)使電流斷續(xù)而造成電網(wǎng)電流波形畸變，產(chǎn)生高次諧波，使功率因數(shù)降低。雖然可以采用電壓、電流滯環(huán)控制方法來克服這一缺陷，但所有的控制均基于對(duì)逆變角β的控制，這就大大增加了β角的控制難度。特別是在發(fā)生誤觸發(fā)時(shí)，沒有有效的方法防止有源逆變器顛覆而產(chǎn)生的短路電流。

(2)可控整流/有源逆變復(fù)用型

Keiju.Matsui 等人提出了以下幾種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其基本思路是利用一套可控整流橋既完成整流，又實(shí)現(xiàn)有源逆變，這樣就可以減小裝置的體積，降低成本。1)多脈寬調(diào)制(MPWM)方式

采用一個(gè)電抗器和一個(gè)大功率晶體管作為能量暫存環(huán)節(jié)。α<900時(shí)，晶閘管S1~S6工作在整流狀態(tài)，Tr和Th不工作，電抗器L‘起續(xù)流作用;逆變時(shí)，α>900(β<900)，一旦交流線電壓降為零，先開通大功率晶體管Tr，將能量暫時(shí)存在電感L中，當(dāng)電流達(dá)到Tr的整定值時(shí)，關(guān)閉Tr，同時(shí)開通Th，由于電感L的續(xù)流作用，能量就通過晶閘管T?~T? 流回電網(wǎng)，周而復(fù)始，就可以將再生能量回饋電網(wǎng)。二極管D的作用是防止直流回路的短路電流通過Th流入電抗器L中。這種方案的優(yōu)點(diǎn)是巧妙地利用一個(gè)整流橋同時(shí)實(shí)現(xiàn)整流和有源逆變兩種功能，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積較小。缺點(diǎn)是它的輸出波形包含大量的低次奇次諧波，噪聲大，同時(shí)能量回饋過程間斷進(jìn)行，回饋效率低，能量損耗較大，功率因數(shù)低。為減少M(fèi)PWM輸出波形包含的低次奇次諧波，進(jìn)一步改善電路的結(jié)構(gòu)，Keiju.Matsui等人提出了SPWM方式。

2)正弦波脈寬調(diào)制(SPWM)方式

該方式控制電路僅采用一只晶體管來實(shí)現(xiàn)能量的回饋控制，使電路的結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單，且有效的抑制了低次諧波，但它需要晶閘管S1~S6的協(xié)調(diào)配合，同時(shí)該方案的開關(guān)損耗較大，能量回饋過程是間斷進(jìn)行的。為了獲得連續(xù)的電流波形，Keiju.Matsui等人又提出了一種新的方案，即MCC方式。

3)可調(diào)的庫(kù)克(MCC)方式

該方案是在MPWM方式的基礎(chǔ)上增加一只大型電容器，通過控制電容器的充放電來保證能量回饋過程的連續(xù)，工作原理同MPWM一樣，先將再生能量?jī)?chǔ)存在電感中，待條件滿足后再將能量回饋到電網(wǎng)中。該方案的優(yōu)點(diǎn)是可以連續(xù)的回饋再生能量，保證了電流的連續(xù)性，從而使回饋的功率較高，開關(guān)損耗較小，但由于引人了大型電容器，使裝置體積增大，成本提高，同時(shí)該電路輸出電流波形包含較大的低次奇次諧波成分，易造成負(fù)載轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)、噪聲較大。

(3)滯環(huán)控制斬波-逆變回饋方式

上述幾種方案雖然都能實(shí)現(xiàn)能量回饋控制，但其缺點(diǎn)是顯而易見的，同時(shí)由于晶閘管存在強(qiáng)迫換流關(guān)斷的問題，導(dǎo)致對(duì)直流側(cè)電壓有限制，若直流側(cè)電壓過高，則有可能由于晶閘管換流關(guān)斷失敗而導(dǎo)致逆變顛覆，這就限制了它們的應(yīng)用。因此Dennis等人提出了一種基于晶閘管的新型回饋裝置。其主電路結(jié)構(gòu)如圖4所示。主回路主要包括三部分:同步整流器SR、母線換相器BC、電流調(diào)節(jié)器CR。其基本思想是當(dāng)直流母線電壓達(dá)到一定值時(shí)啟動(dòng)該裝置，通過控制回饋電流的大小，將再生能量有效的回饋到電網(wǎng)中。為了避免整流與有源逆變?cè)谝稽c(diǎn)來回切換，回饋電流采用滯環(huán)控制方式。該電路的工作原理如下:當(dāng)直流母線電壓達(dá)到一定值(如740V)時(shí)開通Q1，將能量回饋到電網(wǎng)，同步整流器SR以a=1800的固定相位角工作。隨著回饋電流的增加，當(dāng)電流傳感器檢測(cè)到電流超過設(shè)定值時(shí)關(guān)斷Q1，此時(shí)回饋電流開始下降，當(dāng)電流降到下限設(shè)定值時(shí)再開通Q1，如此循環(huán)往復(fù)。母線換相器BC的作用有二:一是為晶閘管的換相提供零電壓鉗位，以保證它們可靠地關(guān)斷;二是在緊急狀態(tài)時(shí)為能耗制動(dòng)提供回路。其中大功率晶體管Q2在每次晶閘管換相時(shí)都觸發(fā)導(dǎo)通一次，即每600相位角導(dǎo)通一次，為晶閘管提供零電壓鉗位，這樣就可以確保晶閘管可靠地?fù)Q相，并可以省去強(qiáng)迫換流電路。該方案采用電流滯環(huán)控制回饋電流，為一大類負(fù)載提供了一種切實(shí)可行的拓?fù)浞桨福哂幸欢ǖ耐ㄓ眯浴Ｆ涮攸c(diǎn)如下:

1)可廣泛應(yīng)用于PWM交流傳動(dòng)的能量回饋制動(dòng)場(chǎng)合，克服了晶閘管強(qiáng)迫換相對(duì)直流側(cè)電壓限制的缺點(diǎn)。

2)這種結(jié)構(gòu)不產(chǎn)生任何異常的高次諧波電流成分，同時(shí)它控制方便，不需要輔助關(guān)斷電路，是一種經(jīng)濟(jì)可行的方式。

3)通過在回路中增加電阻R1和開關(guān)Q2，提供了能耗制動(dòng)的可選方式，可以實(shí)現(xiàn)緊急制動(dòng)。基于晶閘管的再生能量回饋系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是:結(jié)構(gòu)和控制簡(jiǎn)單，成本較低，耐壓和耐浪涌電流的能力較強(qiáng)，在大容量的逆變裝置中具有一定的優(yōu)勢(shì)。但是其缺點(diǎn)是顯而易見的:它輸入功率因數(shù)低;輸入側(cè)有高次諧波存在，諧波損耗大;需要復(fù)雜的輔助關(guān)斷電

路，從而使裝置成本增加，體積增大，可靠性降低，動(dòng)態(tài)響應(yīng)慢。故一般用于較大容量和對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能和快速性要求不太高的場(chǎng)合。

4.2 全控器件型結(jié)構(gòu)

全控型器件如GTR、MOSFET、IGBT或IPM具有開關(guān)頻率高、集成度高和動(dòng)態(tài)響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)。采用上述的全控型器件作為有源逆變的功率開關(guān)器件可以提高系統(tǒng)的效率，抑制諧波和機(jī)械噪聲，這使得基于全控型器件的能量回饋控制系統(tǒng)已經(jīng)成為研究的重點(diǎn)。目前國(guó)內(nèi)外流行的控制方式僅對(duì)電流回路進(jìn)行滯環(huán)控制，雖然控制方式和控制電路比較簡(jiǎn)單，但系統(tǒng)的主要控制對(duì)象-回饋電流的控制精度難以保證，從而造成系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能和抗干擾性能較差，功能不夠完善。回饋電流大小的控制是整個(gè)系統(tǒng)的核心環(huán)節(jié)。本系統(tǒng)創(chuàng)新之處是擯棄了傳統(tǒng)的滯環(huán)控制方式，采用了PID技術(shù)和PWM控制技術(shù)，利用電壓型PWM控制芯片SG3525A作為主控芯片進(jìn)行閉環(huán)控制，綜合了滯環(huán)控制方式和PWM控制方式的優(yōu)點(diǎn)，克服了采用滯環(huán)控制時(shí)回饋電流波形差、其高頻分量大、控制不精確的缺限，提高了系統(tǒng)的控制精度、動(dòng)態(tài)性能和抗干擾性能。

控制系統(tǒng)包括同步信號(hào)獲取電路、電壓檢測(cè)與控制電路、電流檢測(cè)與控制電路、以及故障檢測(cè)、顯示與保護(hù)電路。其中，同步信號(hào)電路是有源逆變的基礎(chǔ)和關(guān)鍵，回饋電流的檢測(cè)與控制則是系統(tǒng)的控制核心和難點(diǎn)。

同步信號(hào)獲取電路采用同步變壓器降壓全波整流法獲取。實(shí)驗(yàn)表明，該方法線路簡(jiǎn)單，精度高，可以很好地滿足控制系統(tǒng)的要求。

電壓檢測(cè)和控制電路采用高速高線性度光電耦合器TLP559將直流母線電壓線性地變?yōu)槿蹼妷盒盘?hào)，該信號(hào)經(jīng)變換后為回饋電流提供控制信號(hào)，以決定是否開啟逆變裝置進(jìn)行能量回饋。

電流檢測(cè)及控制電路使回饋系統(tǒng)成為閉環(huán)控制系統(tǒng)。能量回饋過程中，首先要保證回饋電流的大小要滿足回饋功率的要求。同時(shí)回饋電流的控制精度和紋波大小直接影響到系統(tǒng)的控制性能，因此對(duì)電流的實(shí)時(shí)檢測(cè)與控制是一個(gè)非常關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。本系統(tǒng)采用霍爾電流傳感器對(duì)回饋電流進(jìn)行檢測(cè)，霍爾電流傳感器的特點(diǎn)是體積小、響應(yīng)速度快、準(zhǔn)確度和線性度高，完全可以勝任電路的要求;采用PID調(diào)節(jié)器和SG3525A型PWM控制芯片進(jìn)行脈寬調(diào)制，綜合了滯環(huán)控制方式和PWM控制方式的優(yōu)點(diǎn)，使系統(tǒng)能快速、準(zhǔn)確地控制回饋能量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明電流控制完全符合設(shè)計(jì)要求。系統(tǒng)提供交/直流過壓、欠壓、過流、缺相、交直流快熔保護(hù)和IPM故障等齊全保護(hù)措施，以保證系統(tǒng)和電路的正常工作，減小故障情況下的損失.采用新型功率器件-智能功率模塊IPM是本系統(tǒng)的又一特色。IPM內(nèi)部集成了高速、低耗的IGBT芯片和優(yōu)化的門極驅(qū)動(dòng)及過流、短路、欠壓和過熱保護(hù)電路，它提高了系統(tǒng)的性能和可靠性，降低了系統(tǒng)成本，縮短了產(chǎn)品開發(fā)周期，是值得推廣的產(chǎn)品開發(fā)途徑。能量回饋技術(shù)的新發(fā)展--雙PWM控制技術(shù)

交-直-交電壓型變頻器的主電路輸入側(cè)一般是經(jīng)三相不控橋式整流器向中間直流環(huán)節(jié)的濾波電容充電，然后通過PWM控制下的逆變器輸入到交流電動(dòng)機(jī)上。雖然這樣的電路成本低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高，但是由于采用三相橋式不控整流器使得功率因數(shù)低、網(wǎng)測(cè)諧波污染以及無法實(shí)現(xiàn)能量的再生利用等。消除對(duì)電網(wǎng)的諧波污染并提高功率因數(shù)，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的四象限運(yùn)行以構(gòu)成變頻技術(shù)不可回避的問題。為此，PWM整流技術(shù)的研究，新型單位功率因數(shù)變流器的開發(fā)，在國(guó)內(nèi)外引起廣泛的關(guān)注。傳統(tǒng)的制動(dòng)方法是在中間直流環(huán)節(jié)電容兩端并聯(lián)電阻消耗能量，這既浪費(fèi)了能量，又不可靠，而且制動(dòng)慢;或者設(shè)置一套三相有源逆變系統(tǒng)，但增加了變壓器，加大了回饋裝置的體積，增加了成本而且逆變電流波形畸變嚴(yán)重，電網(wǎng)污染重，功率因數(shù)低。而整流電路中采用自關(guān)斷器件進(jìn)行PWM控制，可是電網(wǎng)側(cè)的輸入電流接近正弦波并且功率因數(shù)達(dá)到1，可以徹底解決對(duì)電網(wǎng)的污染問題。

由PWM整流器和PWM逆變器無需增加任何附加電路，就可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的功率因數(shù)約等于1，消除網(wǎng)側(cè)諧波污染，能量雙向流動(dòng)，方便電機(jī)四象限運(yùn)行，同時(shí)對(duì)于各種調(diào)速場(chǎng)合，使電機(jī)很快達(dá)到速度要求，動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間短。位變頻器雙PWM控制結(jié)構(gòu)，其中ia*、ib*、ic*是與電網(wǎng)電壓ea、eb、ec具有同頻同相位的電流信號(hào)，經(jīng)PWM電流控制器與實(shí)際電流ia、、ib、ic比較生成6路PWM開關(guān)信號(hào)控制整流器中開關(guān)元件導(dǎo)通和關(guān)斷，是實(shí)際電流跟隨ia*、ib*、ic*、網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)約等于1。雙PWM控制技術(shù)的工作原理:①當(dāng)電機(jī)處于拖動(dòng)狀態(tài)時(shí)，能量由交流電網(wǎng)經(jīng)整流器中間濾波電容充電，逆變器在PWM控制下降能量傳送到電機(jī);②當(dāng)電機(jī)處于減速運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，由于負(fù)載慣性作用進(jìn)入發(fā)電狀態(tài)，其再生能量經(jīng)逆變器中開關(guān)元件和續(xù)流二極管向中間濾波電容充電，使中間直流電壓升高，此時(shí)整流器中開關(guān)元件在PWM控制下降能量饋如到交流電網(wǎng)，完成能量的雙向流動(dòng)。同時(shí)由于PWM整流器閉環(huán)控制作用，使電網(wǎng)電流與電壓同頻同相位，提高了系統(tǒng)的功率因數(shù)，消除了網(wǎng)側(cè)諧波污染。

雙PWM控制技術(shù)打破了過去變頻器的統(tǒng)一結(jié)構(gòu)，采用PWM整流器和PWM逆變器提高了系統(tǒng)功率因數(shù)，并且實(shí)現(xiàn)了電機(jī)的四象限運(yùn)行，這給變頻器技術(shù)增添了新的生機(jī)，形成了高質(zhì)量能量回饋技術(shù)的最新發(fā)展動(dòng)態(tài)。

第三篇：變頻調(diào)速能量回饋控制技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)解讀

變頻調(diào)速能量回饋控制技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)

摘 要:通用變頻器能量回饋PWM控制系統(tǒng)是一種采用有源逆變方式把電動(dòng)機(jī)減速制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的再生能量回饋電網(wǎng)的裝置。它可以克服通用變頻器傳統(tǒng)制動(dòng)電阻方式低效、難以滿足快速制動(dòng)和頻繁正反轉(zhuǎn)的不足，使通用變頻器可在四象限運(yùn)行。本文首先回顧了變頻調(diào)速能量回饋控制技術(shù)的發(fā)展歷史及現(xiàn)狀。設(shè)計(jì)了一種基于智能功率模塊IPM的新型控制系統(tǒng)，并詳細(xì)介紹了主電路、控制電路、驅(qū)動(dòng)和保護(hù)電路的設(shè)計(jì)思路。最后指出了能量回饋技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞:變頻調(diào)速技術(shù) 能量回饋 再生制動(dòng) PWM控制 智能功率模塊 檢測(cè)技術(shù)

引言

變頻調(diào)速技術(shù)涉及電子、電工、信息與控制等多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域。采用變頻調(diào)速技術(shù)是節(jié)能降耗、改善控制性能、提高產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量的重要途徑，已在應(yīng)用中取得了良好的應(yīng)用效果和顯著的經(jīng)濟(jì)效益[1]。但是，在對(duì)調(diào)速節(jié)能的一片贊譽(yù)中，人們往往忽視了進(jìn)一步挖掘變頻調(diào)速系統(tǒng)節(jié)能潛力和提高效率的問題。事實(shí)上，從變頻器內(nèi)部研究和設(shè)計(jì)的方面看，應(yīng)用或?qū)で竽囊环N控制策略可以使變頻驅(qū)動(dòng)電機(jī)的損耗最小而效率最高？怎樣才能使生產(chǎn)機(jī)械儲(chǔ)存的能量及時(shí)高效地回饋到電網(wǎng)？這正是提高效率的兩個(gè)重要途徑。第一個(gè)環(huán)節(jié)是通過變頻調(diào)速技術(shù)及其優(yōu)化控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)“按需供能”，即在滿足生產(chǎn)機(jī)械速度、轉(zhuǎn)矩和動(dòng)態(tài)響應(yīng)要求的前提下，盡量減少變頻裝置的輸入能量;第二個(gè)環(huán)節(jié)是將由生產(chǎn)機(jī)械中儲(chǔ)存的動(dòng)能或勢(shì)能轉(zhuǎn)換而來的電能及時(shí)地、高效地“回收”到電網(wǎng)，即通過有源逆變裝置將再生能量回饋到交流電網(wǎng)，一方面是節(jié)能降耗，另一方面是實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的精密制動(dòng)，提高電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)性能。本文討論的就是變頻調(diào)速系統(tǒng)節(jié)能控制的第二個(gè)環(huán)節(jié)－變頻調(diào)速能量回饋控制技術(shù)。在能源資源日趨緊張的今天，這項(xiàng)研究無疑具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

通用變頻器在應(yīng)用中存在的問題

通用變頻器大都為電壓型交-直-交變頻器，基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。三相交流電首先通過二極管可控整流橋得到脈動(dòng)直流電，再經(jīng)電解電容濾波穩(wěn)壓，最后經(jīng)無源逆變輸出電壓、頻率可調(diào)的交流電給電動(dòng)機(jī)供電。這類變頻器功率因數(shù)高、效率高、精度高、調(diào)速范圍寬，所以在工業(yè)中獲得廣泛應(yīng)用。但是通用變頻器不能直接用于需要快速起、制動(dòng)和頻繁正、反轉(zhuǎn)的調(diào)速系統(tǒng)，如高速電梯、礦用提升機(jī)、軋鋼機(jī)、大型龍門刨床、卷繞機(jī)構(gòu)張力系統(tǒng)及機(jī)床主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)等。因?yàn)檫@種系統(tǒng)要求電機(jī)四象限運(yùn)行，當(dāng)電機(jī)減速、制動(dòng)或者帶位能性負(fù)載重物下放時(shí)，電機(jī)處于再生發(fā)電狀態(tài)。由于二極管可控整流器能量傳輸不可逆，產(chǎn)生的再生電能傳輸?shù)街绷鱾?cè)濾波電容上，產(chǎn)生泵升電壓。而以GTR、IGBT為代表的全控型器件耐壓較低，過高的泵升電壓有可能損壞開關(guān)器件、電解電容，甚至?xí)茐碾姍C(jī)的絕緣，從而威脅系統(tǒng)安全工作，這就限制了通用變頻器的應(yīng)用范圍[2]。

國(guó)內(nèi)外能量回饋技術(shù)研究現(xiàn)狀

為了解決電動(dòng)機(jī)處于再生發(fā)電狀態(tài)產(chǎn)生的再生能量，德國(guó)西門子公司已經(jīng)推出了電機(jī)四象限運(yùn)行的電壓型交-直-交變頻器，日本富士公司也成功研制了電源再生裝置，如RHR系列、FRENIC系列電源再生單元，它把有源逆變單元從變頻器中分離出來，直接作為變頻器的一個(gè)外圍裝置，可并聯(lián)到變頻器的直流側(cè)，將再生能量回饋到電網(wǎng)中[3]。同時(shí)，已見到國(guó)外有四象限電壓型交－直－交變頻器及電網(wǎng)側(cè)脈沖整流器等的研制報(bào)道[4-9]。普遍存在的問題是這些裝置價(jià)格昂貴，再加上一些產(chǎn)品對(duì)電網(wǎng)的要求很高，不適合我國(guó)的國(guó)情。國(guó)內(nèi)在中小容量系統(tǒng)中大都采用能耗制動(dòng)方式[10-13]，即通過內(nèi)置或外加制動(dòng)電阻的方法將電能消耗在大功率電阻器中，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的四象限運(yùn)行，該方法雖然簡(jiǎn)單，但有如下嚴(yán)重缺點(diǎn)[14-18]:

(1)浪費(fèi)能量，降低了系統(tǒng)的效率。(2)電阻發(fā)熱嚴(yán)重，影響系統(tǒng)的其他部分正常工作。(3)簡(jiǎn)單的能耗制動(dòng)有時(shí)不能及時(shí)抑制快速制動(dòng)產(chǎn)生的泵升電壓，限制了制動(dòng)性能的提高(制動(dòng)力矩大，調(diào)速范圍寬，動(dòng)態(tài)性能好)。

上述缺點(diǎn)決定了能耗制動(dòng)方式只能用于幾十kW以下的中小容量系統(tǒng)。國(guó)內(nèi)關(guān)于能量回饋控制的研究正在進(jìn)行，但基本上都處于實(shí)驗(yàn)階段，目前已經(jīng)見到有關(guān)的文獻(xiàn)報(bào)道[14-18]，但尚未見這方面產(chǎn)品的報(bào)道。

能量回饋系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

按照所選用的功率開關(guān)器件的不同，能量回饋系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可分為半控器件型結(jié)構(gòu)和全控器件型結(jié)構(gòu)兩大類。

4.1 半控器件型(晶閘管型)結(jié)構(gòu)

由于晶閘管的耐壓、耐流、耐浪涌沖擊能力是全控型功率器件所無法比擬的，加之驅(qū)動(dòng)、保護(hù)電路簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉等原因，采用晶閘管構(gòu)成有源逆變電路在七、八十年代獲得人們普遍的研究，即使在現(xiàn)階段也仍有一定的實(shí)際意義。下面將要介紹幾種基于晶閘管的有源逆變電路的結(jié)構(gòu)、基本原理以及優(yōu)、缺點(diǎn)的對(duì)比。

(1)可控整流-可控有源逆變型

該方式是人們?cè)缙谘芯康囊环N方案。基本思路是在可控整流橋的基礎(chǔ)上再反并聯(lián)一套有源逆變裝置，當(dāng)電動(dòng)機(jī)處于電動(dòng)狀態(tài)時(shí)，整流橋T’1~T’6工作;而當(dāng)電動(dòng)機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)時(shí)，隨著直流回路電壓的升高，三相可控整流器被封鎖，三相可控有源逆變器T1~T6工作，將能量回饋到電網(wǎng)中，同時(shí)該方式有效的阻斷了環(huán)流的發(fā)生。其主回路結(jié)構(gòu)如圖2所示。

眾所周知，在晶閘管逆變電路中，為保證逆變器換流的可靠性，對(duì)逆變角β有一定的限制，即βmin=300，同時(shí)為滿足有源逆變的條件，避免直流環(huán)流，還應(yīng)使變頻器的最高直流側(cè)電壓Udmax小于逆變電壓Uβmin，即:

(1)

式中:E為電源相電壓有效值，△Um為允許的最高泵升電壓。由(1)式可知，αmin應(yīng)大于βmin。于是帶來了兩個(gè)問題:

1)較大的αmin將引起波形畸變干擾電網(wǎng)，并降低了電網(wǎng)的功率因數(shù)。

2)直流回路電壓降低將使常規(guī)380V交流電機(jī)得不到充分利用。

為此人們又提出了一種可行的解決辦法，就是將有源逆變器通過升壓變壓器與電網(wǎng)相連，整流電路改為不可控。顯然，波形和功率因數(shù)都可得到改善，升壓變壓器可以切斷上下橋臂產(chǎn)生的直流環(huán)流，同時(shí)為了限制交流環(huán)流以及滿足有源逆變條件在電路中設(shè)置了電抗器，但它又有如下缺點(diǎn):

1)增加的變壓器和環(huán)流電抗器使裝置的成本提高、體積增大。

2)因只要Uα< Uβ就會(huì)啟動(dòng)逆變裝置，使逆變橋頻繁工作，損耗增加;由于逆變電流較小，會(huì)使電流斷續(xù)而造成電網(wǎng)電流波形畸變，產(chǎn)生高次諧波，使功率因數(shù)降低。

雖然可以采用電壓、電流滯環(huán)控制方法來克服這一缺陷，但所有的控制均基于對(duì)逆變角β的控制，這就大大增加了β角的控制難度。特別是在發(fā)生誤觸發(fā)時(shí)，沒有有效的方法防止有源逆變器顛覆而產(chǎn)生的短路電流。

(2)可控整流/有源逆變復(fù)用型

Keiju.Matsui 等人提出了以下幾種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[18-19]，其基本思路是利用一套可控整流橋既完成整流，又實(shí)現(xiàn)有源逆變，這樣就可以減小裝置的體積，降低成本。

1)多脈寬調(diào)制(MPWM)方式

主電路結(jié)構(gòu)如圖3所示。采用一個(gè)電抗器和一個(gè)大功率晶體管作為能量暫存環(huán)節(jié)。α900(β

這種方案的優(yōu)點(diǎn)是巧妙地利用一個(gè)整流橋同時(shí)實(shí)現(xiàn)整流和有源逆變兩種功能，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積較小。缺點(diǎn)是它的輸出波形包含大量的低次奇次諧波，噪聲大，同時(shí)能量回饋過程間斷進(jìn)行，回饋效率低，能量損耗較大，功率因數(shù)低。

為減少M(fèi)PWM輸出波形包含的低次奇次諧波，進(jìn)一步改善電路的結(jié)構(gòu)，Keiju.Matsui等人提出了SPWM方式[20,21]。

2)正弦波脈寬調(diào)制(SPWM)方式

該方式控制電路僅采用一只晶體管來實(shí)現(xiàn)能量的回饋控制，使電路的結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單，且有效的抑制了低次諧波，但它需要晶閘管S1~S6的協(xié)調(diào)配合，同時(shí)該方案的開關(guān)損耗較大，能量回饋過程是間斷進(jìn)行的。為了獲得連續(xù)的電流波形，Keiju.Matsui等人又提出了一種新的方案，即MCC方式。

3)可調(diào)的庫(kù)克(MCC)方式

該方案是在MPWM方式的基礎(chǔ)上增加一只大型電容器，通過控制電容器的充放電來保證能量回饋過程的連續(xù)，工作原理同MPWM一樣，先將再生能量?jī)?chǔ)存在電感中，待條件滿足后再將能量回饋到電網(wǎng)中。

該方案的優(yōu)點(diǎn)是可以連續(xù)的回饋再生能量，保證了電流的連續(xù)性，從而使回饋的功率較高，開關(guān)損耗較小，但由于引人了大型電容器，使裝置體積增大，成本提高，同時(shí)該電路輸出電流波形包含較大的低次奇次諧波成分，易造成負(fù)載轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)、噪聲較大。

(3)滯環(huán)控制斬波-逆變回饋方式

上述幾種方案雖然都能實(shí)現(xiàn)能量回饋控制，但其缺點(diǎn)是顯而易見的，同時(shí)由于晶閘管存在強(qiáng)迫換流關(guān)斷的問題，導(dǎo)致對(duì)直流側(cè)電壓有限制，若直流側(cè)電壓過高，則有可能由于晶閘管換流關(guān)斷失敗而導(dǎo)致逆變顛覆，這就限制了它們的應(yīng)用。因此Dennis等人提出了一種基于晶閘管的新型回饋裝置[22]。其主電路結(jié)構(gòu)如圖4所示。主回路主要包括三部分:同步整流器SR、母線換相器BC、電流調(diào)節(jié)器CR。其基本思想是當(dāng)直流母線電壓達(dá)到一定值時(shí)啟動(dòng)該裝置，通過控制回饋電流的大小，將再生能量有效的回饋到電網(wǎng)中。為了避免整流與有源逆變?cè)谝稽c(diǎn)來回切換，回饋電流采用滯環(huán)控制方式。

該電路的工作原理如下:當(dāng)直流母線電壓達(dá)到一定值(如740V)時(shí)開通Q1，將能量回饋到電網(wǎng)，同步整流器SR以a=1800的固定相位角工作。隨著回饋電流的增加，當(dāng)電流傳感器檢測(cè)到電流超過設(shè)定值時(shí)關(guān)斷Q1，此時(shí)回饋電流開始下降，當(dāng)電流降到下限設(shè)定值時(shí)再開通Q1，如此循環(huán)往復(fù)。母線換相器BC的作用有二:一是為晶閘管的換相提供零電壓鉗位，以保證它們可靠地關(guān)斷;二是在緊急狀態(tài)時(shí)為能耗制動(dòng)提供回路。其中大功率晶體管Q2在每次晶閘管換相時(shí)都觸發(fā)導(dǎo)通一次，即每600相位角導(dǎo)通一次，為晶閘管提供零電壓鉗位，這樣就可以確保晶閘管可靠地?fù)Q相，并可以省去強(qiáng)迫換流電路[22]。

該方案采用電流滯環(huán)控制回饋電流，為一大類負(fù)載提供了一種切實(shí)可行的拓?fù)浞桨福哂幸欢ǖ耐ㄓ眯浴Ｆ涮攸c(diǎn)如下:

1)可廣泛應(yīng)用于PWM交流傳動(dòng)的能量回饋制動(dòng)場(chǎng)合，克服了晶閘管強(qiáng)迫換相對(duì)直流側(cè)電壓限制的缺點(diǎn)。

2)這種結(jié)構(gòu)不產(chǎn)生任何異常的高次諧波電流成分，同時(shí)它控制方便，不需要輔助關(guān)斷電路，是一種經(jīng)濟(jì)可行的方式。3)通過在回路中增加電阻R1和開關(guān)Q2，提供了能耗制動(dòng)的可選方式，可以實(shí)現(xiàn)緊急制動(dòng)。

基于晶閘管的再生能量回饋系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是:結(jié)構(gòu)和控制簡(jiǎn)單，成本較低，耐壓和耐浪涌電流的能力較強(qiáng)，在大容量的逆變裝置中具有一定的優(yōu)勢(shì)。但是其缺點(diǎn)是顯而易見的:它輸入功率因數(shù)低;輸入側(cè)有高次諧波存在，諧波損耗大;需要復(fù)雜的輔助關(guān)斷電路，從而使裝置成本增加，體積增大，可靠性降低，動(dòng)態(tài)響應(yīng)慢。故一般用于較大容量和對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能和快速性要求不太高的場(chǎng)合。

4.2 全控器件型結(jié)構(gòu)

全控型器件如GTR、MOSFET、IGBT或IPM具有開關(guān)頻率高、集成度高和動(dòng)態(tài)響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)。采用上述的全控型器件作為有源逆變的功率開關(guān)器件可以提高系統(tǒng)的效率，抑制諧波和機(jī)械噪聲，這使得基于全控型器件的能量回饋控制系統(tǒng)已經(jīng)成為研究的重點(diǎn)。目前國(guó)內(nèi)外流行的控制方式僅對(duì)電流回路進(jìn)行滯環(huán)控制[14-18]，雖然控制方式和控制電路比較簡(jiǎn)單，但系統(tǒng)的主要控制對(duì)象-回饋電流的控制精度難以保證，從而造成系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能和抗干擾性能較差，功能不夠完善。

作者設(shè)計(jì)了一種全新的控制方案[25-28]，該方案采用PWM控制方式有效地克服了傳統(tǒng)控制方式的缺陷，提高了系統(tǒng)的控制精度和動(dòng)態(tài)性能。如圖5所示。

回饋電流大小的控制是整個(gè)系統(tǒng)的核心環(huán)節(jié)。本系統(tǒng)創(chuàng)新之處是擯棄了傳統(tǒng)的滯環(huán)控制方式，采用了PID技術(shù)和PWM控制技術(shù)，利用電壓型PWM控制芯片SG3525A作為主控芯片進(jìn)行閉環(huán)控制，綜合了滯環(huán)控制方式和PWM控制方式的優(yōu)點(diǎn)，克服了采用滯環(huán)控制時(shí)回饋電流波形差、其高頻分量大、控制不精確的缺限，提高了系統(tǒng)的控制精度、動(dòng)態(tài)性能和抗干擾性能。

控制系統(tǒng)包括同步信號(hào)獲取電路、電壓檢測(cè)與控制電路、電流檢測(cè)與控制電路、以及故障檢測(cè)、顯示與保護(hù)電路。其中，同步信號(hào)電路是有源逆變的基礎(chǔ)和關(guān)鍵，回饋電流的檢測(cè)與控制則是系統(tǒng)的控制核心和難點(diǎn)。

同步信號(hào)獲取電路采用同步變壓器降壓全波整流法獲取。實(shí)驗(yàn)表明，該方法線路簡(jiǎn)單，精度高，可以很好地滿足控制系統(tǒng)的要求。

電壓檢測(cè)和控制電路采用高速高線性度光電耦合器TLP559將直流母線電壓線性地變?yōu)槿蹼妷盒盘?hào)，該信號(hào)經(jīng)變換后為回饋電流提供控制信號(hào)，以決定是否開啟逆變裝置進(jìn)行能量回饋。

電流檢測(cè)及控制電路使回饋系統(tǒng)成為閉環(huán)控制系統(tǒng)。能量回饋過程中，首先要保證回饋電流的大小要滿足回饋功率的要求。同時(shí)回饋電流的控制精度和紋波大小直接影響到系統(tǒng)的控制性能，因此對(duì)電流的實(shí)時(shí)檢測(cè)與控制是一個(gè)非常關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。本系統(tǒng)采用霍爾電流傳感器對(duì)回饋電流進(jìn)行檢測(cè)，霍爾電流傳感器的特點(diǎn)是體積小、響應(yīng)速度快、準(zhǔn)確度和線性度高，完全可以勝任電路的要求;采用PID調(diào)節(jié)器和SG3525A型PWM控制芯片進(jìn)行脈寬調(diào)制，綜合了滯環(huán)控制方式和PWM控制方式的優(yōu)點(diǎn)，使系統(tǒng)能快速、準(zhǔn)確地控制回饋能量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明電流控制完全符合設(shè)計(jì)要求。

系統(tǒng)提供交/直流過壓、欠壓、過流、缺相、交直流快熔保護(hù)和IPM故障等齊全保護(hù)措施，以保證系統(tǒng)和電路的正常工作，減小故障情況下的損失。

采用新型功率器件-智能功率模塊IPM是本系統(tǒng)的又一特色。IPM內(nèi)部集成了高速、低耗的IGBT芯片和優(yōu)化的門極驅(qū)動(dòng)及過流、短路、欠壓和過熱保護(hù)電路，它提高了系統(tǒng)的性能和可靠性，降低了系統(tǒng)成本，縮短了產(chǎn)品開發(fā)周期，是值得推廣的產(chǎn)品開發(fā)途徑。

能量回饋技術(shù)的新發(fā)展--雙PWM控制技術(shù)[23]

交-直-交電壓型變頻器的主電路輸入側(cè)一般是經(jīng)三相不控橋式整流器向中間直流環(huán)節(jié)的濾波電容充電，然后通過PWM控制下的逆變器輸入到交流電動(dòng)機(jī)上。雖然這樣的電路成本低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高，但是由于采用三相橋式不控整流器使得功率因數(shù)低、網(wǎng)測(cè)諧波污染以及無法實(shí)現(xiàn)能量的再生利用等。消除對(duì)電網(wǎng)的諧波污染并提高功率因數(shù)，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的四象限運(yùn)行以構(gòu)成變頻技術(shù)不可回避的問題。為此，PWM整流技術(shù)的研究，新型單位功率因數(shù)變流器的開發(fā)，在國(guó)內(nèi)外引起廣泛的關(guān)注。傳統(tǒng)的制動(dòng)方法是在中間直流環(huán)節(jié)電容兩端并聯(lián)電阻消耗能量，這既浪費(fèi)了能量，又不可靠，而且制動(dòng)慢;或者設(shè)置一套三相有源逆變系統(tǒng)，但增加了變壓器，加大了回饋裝置的體積，增加了成本而且逆變電流波形畸變嚴(yán)重，電網(wǎng)污染重，功率因數(shù)低。而整流電路中采用自關(guān)斷器件進(jìn)行PWM控制，可是電網(wǎng)側(cè)的輸入電流接近正弦波并且功率因數(shù)達(dá)到1，可以徹底解決對(duì)電網(wǎng)的污染問題。

由PWM整流器和PWM逆變器無需增加任何附加電路，就可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的功率因數(shù)約等于1，消除網(wǎng)側(cè)諧波污染，能量雙向流動(dòng)，方便電機(jī)四象限運(yùn)行，同時(shí)對(duì)于各種調(diào)速場(chǎng)合，使電機(jī)很快達(dá)到速度要求，動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間短。圖3位變頻器雙PWM控制結(jié)構(gòu)，其中ia*、ib*、ic*是與電網(wǎng)電壓ea、eb、ec具有同頻同相位的電流信號(hào)，經(jīng)PWM電流控制器與實(shí)際電流ia、、ib、ic比較生成6路PWM開關(guān)信號(hào)控制整流器中開關(guān)元件導(dǎo)通和關(guān)斷，是實(shí)際電流跟隨ia*、ib*、ic*、網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)約等于1。雙PWM控制技術(shù)的工作原理:①當(dāng)電機(jī)處于拖動(dòng)狀態(tài)時(shí)，能量由交流電網(wǎng)經(jīng)整流器中間濾波電容充電，逆變器在PWM控制下降能量傳送到電機(jī);②當(dāng)電機(jī)處于減速運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，由于負(fù)載慣性作用進(jìn)入發(fā)電狀態(tài)，其再生能量經(jīng)逆變器中開關(guān)元件和續(xù)流二極管向中間濾波電容充電，使中間直流電壓升高，此時(shí)整流器中開關(guān)元件在PWM控制下降能量饋如到交流電網(wǎng)，完成能量的雙向流動(dòng)。同時(shí)由于PWM整流器閉環(huán)控制作用，使電網(wǎng)電流與電壓同頻同相位，提高了系統(tǒng)的功率因數(shù)，消除了網(wǎng)側(cè)諧波污染。

雙PWM控制技術(shù)打破了過去變頻器的統(tǒng)一結(jié)構(gòu)，采用PWM整流器和PWM逆變器提高了系統(tǒng)功率因數(shù)，并且實(shí)現(xiàn)了電機(jī)的四象限運(yùn)行，這給變頻器技術(shù)增添了新的生機(jī)，形成了高質(zhì)量能量回饋技術(shù)的最新發(fā)展動(dòng)態(tài)。

第四篇：變頻調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀與前景展望

變頻調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀與前景展望

清華大學(xué)電機(jī)系冬雷李永東

[摘要］了解近十年來國(guó)外通用變頻器的技術(shù)發(fā)展對(duì)于深入了解交流傳動(dòng)與控制技術(shù)的發(fā)展走向以及如何站在高起點(diǎn)上結(jié)合我國(guó)國(guó)情開發(fā)我國(guó)自己的產(chǎn)品都具有十分積極的意義。

[關(guān)鍵詞] 通用變頻 電力電子 IGBT IPM PWM DTC

1.前言

交流傳動(dòng)與控制技術(shù)是目前發(fā)展最為迅速的技術(shù)之一，這是和冉力電子器件制造技術(shù)、變流技術(shù)控制技術(shù)以及微型計(jì)算機(jī)和大規(guī)模集成電路的飛速發(fā)展密切相關(guān)。

通用變頻器作為早個(gè)商品開始在國(guó)內(nèi)上市，是近十年的事，銷售額逐年增加，于今全年有超過數(shù)十億元（RMB）的市場(chǎng)。其中．各種進(jìn)口品牌居多，功率小至百瓦大至數(shù)千千瓦；功能簡(jiǎn)易或復(fù)雜；精度低或高；響應(yīng)慢或快：有PG（測(cè)速機(jī)）或無PG;有噪音或無噪音等等。

對(duì)于許多用戶來說,這十年中經(jīng)歷了多次更新，現(xiàn)所使用的變頻器大都屬于目前最為先進(jìn)的機(jī)型如果從應(yīng)用的角度來說，我們的水準(zhǔn)與發(fā)達(dá)國(guó)家沒有什么兩樣。作為國(guó)內(nèi)制造商,通過這十年來對(duì)國(guó)外的先進(jìn)技術(shù)進(jìn)行銷化，也正在積極地進(jìn)行國(guó)產(chǎn)變頻器的自主開發(fā)．努力追趕世界發(fā)達(dá)國(guó)家的水平。

回顧近十年來國(guó)外通用變頻器技術(shù)的發(fā)展對(duì)于深入了解交流傳動(dòng)與控制技術(shù)的走向，以及如何站在高起點(diǎn)上結(jié)合我國(guó)國(guó)情開發(fā)我國(guó)自己的產(chǎn)品應(yīng)該說具有十分積極的意義.2.關(guān)于功率器件

變頻技術(shù)是建立在電力電子技術(shù)基礎(chǔ)之上的。在低壓交流電動(dòng)機(jī)的傳動(dòng)控制中，應(yīng)用最多的功率器件有GTO、GTR、IGBT以及智能模塊IPM(Intelligent Power Module），后面二種集GTR的低飽和電壓特性和MOSFET的高頻開關(guān)特性于一體是目前通用變頻器中最廣泛使用的主流功率器件。IGBT集射電壓Vce可＜3V,頻率可達(dá)到20KHZ,內(nèi)含的集射極間超高速二極管Trr可達(dá)150ns,1992年前后開始在通用變頻器中得到廣泛應(yīng)用。其發(fā)展的方向是損耗更低,開關(guān)速度更快、電壓更高,容量更大(3.3KV、1200A), 目前，采用溝道型柵極技術(shù)、非穿通技術(shù)等方法大幅度降低了集電極一發(fā)射極之間的飽和電壓[VCE（sat)]的第四代IGBT也已問世。

第四代IGBT的應(yīng)用使變頻器的性能有了很大的提高。其一是ICBT開關(guān)器件發(fā)熱減少，將曾占主回路發(fā)熱50－70％的器件發(fā)熱降低了30％。其二是高載波控制，使輸出電流波形有明顯改善；其三是開關(guān)頻率提高，使之超過人耳的感受范圍，即實(shí)現(xiàn)了電機(jī)運(yùn)行的靜青化；其四是驅(qū)動(dòng)功率減少，體積趨于更小。

而IPM的投入應(yīng)用比IGBT約晚二年，由于IPM包含了1GBT芯片及外圍的驅(qū)動(dòng)和保護(hù)電路.甚至還有的把光耦也集成于一體，因此是種更為好用的集成型功率器件，目前，在模塊額定由流10－600A范圍內(nèi)，通用變頻器均有采用IPM的趨問，其優(yōu)點(diǎn)是：

（l）開關(guān)速度快，驅(qū)動(dòng)電流小，控制驅(qū)動(dòng)更為簡(jiǎn)單。

〔2)內(nèi)含電流傳感器，可以高效迅速地檢測(cè)出過電流和短路電流，能對(duì)功率芯片給予足夠的保護(hù)，故障率大大降低。

（3)由于在器件內(nèi)部電源電路和驅(qū)動(dòng)電路的配線設(shè)計(jì)上做到優(yōu)化，所以浪涌電壓，門極振蕩，噪聲引起的干擾等問題能有效得到控制。

（4）保護(hù)功能較為豐富，如電流保護(hù)、電壓保護(hù)、溫度保護(hù)一應(yīng)俱全，隨著技術(shù)的進(jìn)步，保護(hù)功能將進(jìn)一步日臻完善。

（5｝IPM的售價(jià)已逐漸接近IGBT．而計(jì)人采用IPM后的開關(guān)電源容量、驅(qū)動(dòng)功率容量的減小和器件的節(jié)省以及綜合性能提高等因素后在許多場(chǎng)合其性價(jià)比已高過IGBT，有很好的經(jīng)濟(jì)性。為此IPM除了在工業(yè)變頻器中被大量采用之后，經(jīng)濟(jì)型的IPM在近年內(nèi)也開始在一些民用品如家用空調(diào)變頻器，冰箱變頻器、洗衣機(jī)變頻器中得到應(yīng)用。IPM也在向更高的水平發(fā)展，日本三菱電機(jī)最近開發(fā)的專用智能模塊ASIPM將不需要外接光耦，通過內(nèi)部自舉電路可單電源供電并采用了低電感的封裝技術(shù)，在實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)小型化，專用化，高性能，低成本方面又推進(jìn)了一步。

3.關(guān)于控制方式

早期通用變頻器如東芝TOSVERT－130系列、FUJI FVRG5／P5系列，SANKEN SVF系列等大多數(shù)為開環(huán)恒壓比（V／F=常數(shù)）的控制方式．其優(yōu)點(diǎn)是控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本較低，缺點(diǎn)是系統(tǒng)性能不高，比較適合應(yīng)用在風(fēng)機(jī)、水泵調(diào)這場(chǎng)合。具體來說，其控制曲線會(huì)隨著負(fù)載的變化而變化；轉(zhuǎn)矩響應(yīng)慢，電視轉(zhuǎn)矩利用率不高，低速時(shí)因定子電阻和逆變器死區(qū)效應(yīng)的存在而性能下降穩(wěn)定性變差等。對(duì)變頻器U／F控制系統(tǒng)的改造主要經(jīng)歷了三個(gè)階段；

第一階段：

1.八十年代初日本學(xué)者提出了基本磁通軌跡的電壓空間矢量（或稱磁通軌跡法）。該方法以三

相波形的整體生成效果為前提，以逼近電機(jī)氣隙的理想圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)軌跡為目的，一次生成二相調(diào)制波形。這種方法被稱為電壓空間矢量控制。典型機(jī)種如1989年前后進(jìn)入中國(guó)市場(chǎng)的FUJI（富士）FRN5OOOG5/P5、SANKEN（三墾）MF系列等。

②引人頻率補(bǔ)償控制，以消除速度控制的穩(wěn)態(tài)誤差

③基于電機(jī)的穩(wěn)態(tài)模型，用直流電流信號(hào)重建相電流，如西門子MicroMaster系列,由此估算出磁鏈幅值，并通過反饋控制來消除低速時(shí)定子電阻對(duì)性能的影響。

④將輸出電壓、電流進(jìn)行閉環(huán)控制，以提高動(dòng)態(tài)負(fù)載下的電壓控制精度和穩(wěn)定度，同時(shí)也一定程度上求得電流波形的改善。這種控制方法的另一個(gè)好處是對(duì)再生引起的過電壓、過電流抑制較為明顯，從而可以實(shí)現(xiàn)快速的加減速。

之后，1991年由富士電機(jī)推出大家熟知的FVR與 FRNG7／P7系列的設(shè)計(jì)中，不同程度融入了②3．④項(xiàng)技術(shù)，因此很具有代表性。三菱日立，東芝也都有類似的產(chǎn)品。然而，在上述四種方法中，由于未引入轉(zhuǎn)矩的調(diào)節(jié)，系統(tǒng)性能沒有得到根本性的改善.第二階段：

矢量控制。也稱磁場(chǎng)定向控制。它是七十年代初由西德 F.Blasschke等人首先提出，以直流電動(dòng)機(jī)和交流電動(dòng)機(jī)比較的方法分析闡述了這一原理，由此開創(chuàng)了交流電動(dòng)機(jī)等效直流電動(dòng)機(jī)控制的先河。它使人們看到交流電動(dòng)機(jī)盡管控制復(fù)雜，但同樣可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩、磁場(chǎng)獨(dú)立控制的內(nèi)在本質(zhì)。

矢量控制的基本點(diǎn)是控制轉(zhuǎn)子磁鏈，以轉(zhuǎn)子磁通定向，然后分解定子電流，使之成為轉(zhuǎn)矩和磁場(chǎng)兩個(gè)分量，經(jīng)過坐標(biāo)變換實(shí)現(xiàn)正交或解耦控制。但是，由于轉(zhuǎn)子磁鏈難以準(zhǔn)確觀測(cè)，以及矢量變換的復(fù)雜性，使得實(shí)際控制效果往往難以達(dá)到理論分析的效果，這是矢量控制技術(shù)在實(shí)踐上的不足。此外．它必須直接或間接地得到轉(zhuǎn)子磁鏈在空間上的位置才能實(shí)現(xiàn)定子電流解耦控制，在這種矢量控制系統(tǒng)中需要配留轉(zhuǎn)子位置或速度傳感器，這顯然給許多應(yīng)用場(chǎng)合帶來不便。僅管如此，矢量控制技術(shù)仍然在努力融入通用型變頻器中，1992年開始，德國(guó)西門子開發(fā)了6SE70通用型系列，通過FC、VC、SC板可以分別實(shí)現(xiàn)頻率控制、矢量控制、伺服控制。1994年將該系列擴(kuò)展至315KW以上。目前，6SE70系列除了200KW以下價(jià)格較高，在200KW以上有很高的性價(jià)比。

第三階段：

1985年德國(guó)魯爾大學(xué)Depenbrock教授首先提出直接轉(zhuǎn)矩控制理論（Direct Torque

Control簡(jiǎn)稱DTC）。直接轉(zhuǎn)矩控制與矢量控制不同，它不是通過控制電流、磁鏈等量來間接控制轉(zhuǎn)矩，而是把轉(zhuǎn)矩直接作為被控量來控制。

轉(zhuǎn)矩控制的優(yōu)越性在于：轉(zhuǎn)矩控制是控制定子磁鏈，在本質(zhì)上并不需要轉(zhuǎn)速信息；控制上對(duì)除定子電阻外的所有電機(jī)參數(shù)變化魯棒性良好；所引入的定子磁鍵觀測(cè)器能很容易估算出同步速度信息。因而能方便地實(shí)現(xiàn)無速度傳感器化。這種控制方法被應(yīng)用于通用變頻器的設(shè)計(jì)之中，是很自然的事，這種控制被稱為無速度傳感器直接轉(zhuǎn)矩控制。然而，這種控制依賴于精確的電機(jī)數(shù)學(xué)模型和對(duì)電機(jī)參數(shù)的自動(dòng)識(shí)別（Identification向你ID),通過ID運(yùn)行自動(dòng)確立電機(jī)實(shí)際的定子阻抗互感、飽和因素、電動(dòng)機(jī)慣量等重要參數(shù)，然后根據(jù)精確的電動(dòng)機(jī)模型估算出電動(dòng)機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)矩、定子碰鏈和轉(zhuǎn)子速度，并由磁鏈和轉(zhuǎn)矩的Band－Band控制產(chǎn)生PWM信號(hào)對(duì)逆變器的開關(guān)狀態(tài)進(jìn)行控制。這種系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)很快的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)速度和很高的速度、轉(zhuǎn)矩控制精度。

1995年ABB公司首先推出的ACS600直接轉(zhuǎn)矩控制系列，已達(dá)到<2ms的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)速度在帶PG時(shí)的靜態(tài)速度精度達(dá)土O.01%，在不帶PG的情況下即使受到輸入電壓的變化或負(fù)載突變的影響，向樣可以達(dá)到正負(fù)0.1％的速度控制精度。其他公司也以直接轉(zhuǎn)矩控制為努力目標(biāo)，如安川VS－676H5高性能無速度傳感器矢量控制系列，雖與直接轉(zhuǎn)矩控制還有差別，但它也已做到了100ms的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)和正負(fù)0.2%（無PG）,正負(fù)0.01％（帶 PG）的速度控制精度，轉(zhuǎn)矩控制精度在正負(fù)3％左右。其他公司如日本富士電機(jī)推出的FRN 5000G9／P9以及最新的FRN5000Gll／P11系列出采取了類似無速度傳感器控制的設(shè)計(jì)，性能有了進(jìn)一步提高，然而變頻器的價(jià)格并不比以前的機(jī)型昂貴多少。

控制技術(shù)的發(fā)展完全得益于微處理機(jī)技術(shù)的發(fā)展，自從1991年INTEL公司推出8X196MC系列以來，專門用于電動(dòng)機(jī)控制的芯片在品種、速度、功能、性價(jià)比等方面都有很大的發(fā)展。如日本三菱電機(jī)開發(fā)用于電動(dòng)機(jī)控制的M37705、M7906單片機(jī)和美國(guó)德州儀器的TMS320C240DSP等都是頗具代表性的產(chǎn)品。

4.關(guān)于PWM技術(shù)

PWM控制技術(shù)一直是變頻技術(shù)的核心技術(shù)之一。1964年A.Schonung和H.stemmler首先在<>評(píng)論上提出把這項(xiàng)通訊技術(shù)應(yīng)用到交流傳動(dòng)中，從此為交流傳動(dòng)的推廣應(yīng)用開辟了新的局面。

從最初采用模擬電路完成三角調(diào)制波和參考止弦波比較，產(chǎn)生止弦脈寬調(diào)制SPWM信號(hào)以控制功率器件的開關(guān)開始，到目前采用全數(shù)字化方案，完成優(yōu)化的實(shí)時(shí)在線的PWM信號(hào)輸出，可以說直到目前為止，PWM在各種應(yīng)用場(chǎng)合仍占主導(dǎo)地位,并一直是人們研究的熱點(diǎn)。

由于PWM可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)變頻變壓反抑制諧波的特點(diǎn)，由此在交流傳動(dòng)乃至其它能量變換系

統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。PWM控制技術(shù)大致可以分為三類，正弦PWM（包括電壓，電流或磁通的正弦為目標(biāo)的各種PWM方案，多重PWM也應(yīng)歸于此類），優(yōu)化PWM及隨機(jī)PWM。正弦PWM已為人們所熟知，而旨在改善輸出電壓、電流波形，降低電源系統(tǒng)諧波的多重PWM技術(shù)在大功率變頻器中有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)（如 ABB ACS1000系列和美國(guó)ROBICON公司的完美無諧波系列等）；而優(yōu)化PWM所追求的則是實(shí)現(xiàn)電流諧波畸變率（THD）最小，電壓利用率最高，效率最優(yōu)，及轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)最小以及其它特定優(yōu)化目標(biāo)。

在70年代開始至80年代初，由于當(dāng)時(shí)大功率晶體管主要為雙極性達(dá)林頓三極管，載波頻率一般最高不超過5KHZ，電機(jī)繞組的電磁噪音及諧波引起的振動(dòng)引起人們的關(guān)注。為求得改善，隨機(jī)PwM方法應(yīng)運(yùn)而生。其原理是隨機(jī)改變開關(guān)頻率使電機(jī)電磁噪音近似為限帶白噪聲（在線性頻率坐標(biāo)系中，各頻率能量分布是均勻的），盡管噪音的總分貝數(shù)未變，但以固定開關(guān)頻率為特征的有色噪音強(qiáng)度大大削弱。正因?yàn)槿绱耍词乖贗GBT已被廣泛應(yīng)用的今天，對(duì)于載波頻率必須限制在較低頻率的場(chǎng)合，隨機(jī)PWM仍然有其特殊的價(jià)值（DTC控制即為一例）；另一方面則告訴人們消除機(jī)械和電磁噪音的最佳方法不是盲目地提高工作頻率，因?yàn)殡S機(jī)PWM技術(shù)提供了一個(gè)分析、解決問題的全新思路。

5.展望

通用變頻器的發(fā)展是世界高速經(jīng)濟(jì)發(fā)展的產(chǎn)物。其發(fā)展的趨勢(shì)大致為：

5.l主控一體化

日本三菱公司將功率芯片和控制電路集成在一快芯片上的DIPIPM（即雙列直插式封裝）的研制已經(jīng)完成并推向市場(chǎng)。一種使逆變功率和控制電路達(dá)到一體化，智能化和高性能化的HVIC（高耐壓IC）SOC（System on Chip）的概念已被用戶接受，首先滿足了家電市場(chǎng)低成本、小型化、高可靠性和易使用等的要求。因此葉以展望，隨著功率做大，此產(chǎn)品在市場(chǎng)上極具競(jìng)爭(zhēng)力。

5.2 小型化

用日本富士（FUJI）電機(jī)的三添勝先生的話說，變頻器的小型化就是向發(fā)熱挑戰(zhàn)。這就是說變頻器的小型化除了出自支撐部件的實(shí)裝技術(shù)和系統(tǒng)設(shè)計(jì)的大規(guī)模集成化，功率器件發(fā)熱的改善和冷卻技術(shù)的發(fā)展已成為小型化的重要原因。ABB公司將小型變頻器定型為Comp－ACTM他向全球發(fā)布的全新概念是，小功率變頻器應(yīng)當(dāng)象接觸器、軟起動(dòng)器等電器元件一樣使用簡(jiǎn)單，安裝方便，安全可靠。

5.3低電磁噪音化

今后的變頻器都要求在抗干擾和抑制高次諧波方面符合EMC國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，主要做法足在變頻器輸入側(cè)加交流電抗器或有源功率因數(shù)校正（Active Power Factor Correction． APFC）電路，改善輸入電流波形降低電網(wǎng)諧波以及逆變橋采取電流過零的開關(guān)技術(shù)。而控制電源用的開關(guān)電源將推崇半諧振方式，這種開關(guān)控制方式在30－50MhZ時(shí)的噪聲可降低15－20dB。

5.4專用化

通用變頻器中出現(xiàn)專用型家族是近年來的事。其目的是更好發(fā)揮變頻器的獨(dú)特功能并盡可能地方便用戶。如用于起重稅負(fù)載的 ARB ACC系列，用廣交流電梯的 Siemens MICO340系列和FUJI FRN5000G11UD系列，其他還有用于恒壓供水、上作機(jī)械主軸傳動(dòng)、電源再生、紡織、機(jī)車牽引等專用系列。

5.5系統(tǒng)化

作為發(fā)展趨勢(shì)，通用變頻器從模擬式、數(shù)字式、智能化、多功能向集中型發(fā)展。最近，日本安川由機(jī)提出了以變頻器，伺服裝置，控制器及通訊裝置為中心的”D&M&C”概念，并制定了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)。目的是為用戶提供最佳的系統(tǒng)。因此可以預(yù)見在今后．變頻器的高速響應(yīng)件和高性能什將是基本條件。

第五篇：變頻調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀與前景展望

變頻調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀與前景展望

摘要：詳細(xì)介紹了目前變頻調(diào)速領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)問題，分析了最新技術(shù)發(fā)展對(duì)變頻調(diào)速系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)化所帶來的影響，并對(duì)變頻調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展前景進(jìn)行了預(yù)測(cè)。

關(guān)鍵詞：變頻調(diào)速系統(tǒng)；現(xiàn)狀；展望

一、在小功率交流調(diào)速方面，由于國(guó)外產(chǎn)品的規(guī)模效應(yīng)，使得國(guó)內(nèi)廠家在價(jià)格上、工藝上和技術(shù)上均無法與之抗衡。而在高壓大功率方面，國(guó)外公司又為我們留下了趕超的空間。首先，國(guó)外的電網(wǎng)電壓等級(jí)一般為3000V，而我國(guó)的電網(wǎng)電壓等級(jí)為6000V和10000V；其次，高壓大功率交流調(diào)速系統(tǒng)無法進(jìn)行大規(guī)模的批量生產(chǎn)，而國(guó)外的勞動(dòng)力成本，特別是具有一定專業(yè)知識(shí)的勞動(dòng)力成本較高。

目前，研究較多的大功率逆變電路有：

? 多電平電壓型逆變器

? 變壓器耦合的多脈沖逆變器

? 交交變頻器

? 雙饋交流變頻調(diào)速系統(tǒng)

（1）多電平電壓型逆變器

日本長(zhǎng)岡科技大學(xué)的A.Nabae等人于1980年在IAS年會(huì)上首次提出三電平逆變器，又稱中點(diǎn)箝位式（Neutral Point Clamped）逆變器。它的出現(xiàn)為高壓大容量電壓型逆變器的研制開辟了一條新思路。

多電平電壓型逆變器與普通雙電平逆變器相比具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1.更適合大容量、高電壓的場(chǎng)合。

2.可產(chǎn)生M層梯形輸出電壓，對(duì)階梯波再作調(diào)制可以得到很好近似的正弦波，理論上提高電平數(shù)可接近純正弦波型、諧波含量很小。

3.電磁干擾（EMI）問題大大減輕，因?yàn)殚_關(guān)元件一次動(dòng)作的dv/dt通常只有傳統(tǒng)雙電平的1/（M-1）。

4.效率高，消除同樣諧波，雙電平采用PWM控制法開關(guān)頻率高、損耗大，而多電平逆變器可用較低頻率進(jìn)行開關(guān)動(dòng)作、開關(guān)頻率低、損耗小，效率提高。

（2）變壓器耦合的多脈沖逆變器

變壓器耦合的多脈沖逆變器的三電平電路中，要獲得更多電平只須將每相所串聯(lián)的單元逆變橋數(shù)目同等增加即可。其優(yōu)點(diǎn)為：

1.不存在電壓均衡問題。無需箝位二極管或電容，適于調(diào)速控制；

2.模塊化程度好，維修方便；

3.對(duì)相同電平數(shù)而言，所需器件數(shù)目最少；

4.無箝位二極管或電容的限制，可實(shí)現(xiàn)更多電平，上更高電壓，實(shí)現(xiàn)更低諧波；

5.控制方法相對(duì)簡(jiǎn)單，可分別對(duì)每一級(jí)進(jìn)行PWM控制，然后進(jìn)行波形重組。

當(dāng)然，這種結(jié)構(gòu)的不足之處在于需要很多隔離的直流電源，應(yīng)用受到一定限制。

（3）交交變頻器

交交變頻器采用晶閘管作為主功率器件，在軋機(jī)和礦井卷?yè)P(yáng)機(jī)傳動(dòng)方面有很大的需求。晶閘管的最大優(yōu)點(diǎn)就是開關(guān)功率大（可達(dá)5000V/5000A），適合于大容量交流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)。同時(shí)，大功率晶閘管的生產(chǎn)和技術(shù)功能技術(shù)相當(dāng)成熟，通過與現(xiàn)代交流電機(jī)控制理論的數(shù)字化結(jié)合，將具有較強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。但是交交變頻器也存在一些固有缺點(diǎn)：調(diào)速范圍小，當(dāng)電源為50Hz時(shí)，最大輸出頻率不超過20Hz；另一方面，功率因數(shù)低、諧波污染大，因此需要同時(shí)進(jìn)行無功補(bǔ)償和諧波治理。

（4）雙饋交流變頻調(diào)速系統(tǒng)

雙饋交流變頻調(diào)速系統(tǒng)的變頻器功率小、功率因數(shù)可調(diào)、系統(tǒng)可靠性較高，因此近來受到了許多研究人員的重視。由于變頻器的功率只占電機(jī)容量的25%，因此可以大大降低系統(tǒng)的成本。但是，雙饋交流變頻調(diào)速系統(tǒng)中的電機(jī)需要專門設(shè)計(jì)，不能使用普通的異步電機(jī)；而且受變頻器容量和調(diào)速范圍的限制，不具備軟起動(dòng)的能力。

二、高性能交流調(diào)速系統(tǒng)

V/f恒定、速度開環(huán)控制的通用變頻調(diào)速系統(tǒng)和滑差頻率速度閉環(huán)控制系統(tǒng)，基本上解決了異步電機(jī)平滑調(diào)速的問題。然而，當(dāng)生產(chǎn)機(jī)械對(duì)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)靜態(tài)性能提出更高要求時(shí)，上述系統(tǒng)還是比直流調(diào)速系統(tǒng)略遜一籌。原因在于，其系統(tǒng)控制的規(guī)律是從異步電機(jī)穩(wěn)態(tài)等效電路和穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)矩公式出發(fā)推導(dǎo)出穩(wěn)態(tài)值控制，完全不考慮過渡過程，系統(tǒng)在穩(wěn)定性、起動(dòng)及低速時(shí)轉(zhuǎn)矩動(dòng)態(tài)響應(yīng)等方面的性能尚不能令人滿意。

考慮到異步電機(jī)是一個(gè)多變量、強(qiáng)耦合、非線性的時(shí)變參數(shù)系統(tǒng)，很難直接通過外加信號(hào)準(zhǔn)確控制電磁轉(zhuǎn)矩，但若以轉(zhuǎn)子磁通這一旋轉(zhuǎn)的空間矢量為參考坐標(biāo)，利用從靜止坐標(biāo)系到旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系之間的變換，則可以把定子電流中勵(lì)磁電流分量與轉(zhuǎn)矩電流分量變成標(biāo)量獨(dú)立開來，進(jìn)行分別控制。這樣，通過坐標(biāo)變換重建的電動(dòng)機(jī)模型就可等效為一臺(tái)直流電動(dòng)機(jī)，從而可象直流電動(dòng)機(jī)那樣進(jìn)行快速的轉(zhuǎn)矩和磁通控制即矢量控制。

和矢量控制不同，直接轉(zhuǎn)矩控制屏棄了解耦的思想，取消了旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換，簡(jiǎn)單地通過檢測(cè)電機(jī)定子電壓和電流，借助瞬時(shí)空間矢量理論計(jì)算電機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩，并根據(jù)與給定值比較所得差值，實(shí)現(xiàn)磁鏈和轉(zhuǎn)矩的直接控制。

盡管矢量控制與直接轉(zhuǎn)矩控制使交流調(diào)速系統(tǒng)的性能有了較大的提高，但是還有許多領(lǐng)域有待研究：

（1）磁通的準(zhǔn)確估計(jì)或觀測(cè)

（2）無速度傳感器的控制方法

（3）電機(jī)參數(shù)的在線辨識(shí)

（4）極低轉(zhuǎn)速包括零速下的電機(jī)控制

（5）電壓重構(gòu)與死區(qū)補(bǔ)償策略

（6）多電平逆變器的高性能控制策略

三、展望

在交流調(diào)速的研究與制造過程中，硬件的設(shè)計(jì)與組裝占了相當(dāng)大的比重。電機(jī)制造以及調(diào)速裝置的制造需要大批的技術(shù)熟練工人，對(duì)

人員的素質(zhì)有一定要求。而國(guó)外相關(guān)產(chǎn)業(yè)的人工成本相對(duì)較高，在近十年內(nèi)，交流調(diào)速的制造業(yè)有可能向發(fā)展中國(guó)家轉(zhuǎn)移。對(duì)中國(guó)來說，這也是一個(gè)機(jī)遇，如果我們抓住這個(gè)機(jī)會(huì)，再利用本身的市場(chǎng)有利條件，有可能在我國(guó)形成交流調(diào)速系統(tǒng)的制造業(yè)中心，使我國(guó)工業(yè)上一個(gè)新的臺(tái)階。需要注意的是發(fā)達(dá)國(guó)家在高技術(shù)領(lǐng)域是不會(huì)輕易放棄的，他們非常注意核心技術(shù)及軟件的保護(hù)和保密，為此，必須加大該領(lǐng)域的科研與開發(fā)的力度。

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