第一篇：變頻調速能量回饋控制技術的現狀與發展趨勢解讀

變頻調速能量回饋控制技術的現狀與發展趨勢

摘 要:通用變頻器能量回饋PWM控制系統是一種采用有源逆變方式把電動機減速制動時產生的再生能量回饋電網的裝置。它可以克服通用變頻器傳統制動電阻方式低效、難以滿足快速制動和頻繁正反轉的不足，使通用變頻器可在四象限運行。本文首先回顧了變頻調速能量回饋控制技術的發展歷史及現狀。設計了一種基于智能功率模塊IPM的新型控制系統，并詳細介紹了主電路、控制電路、驅動和保護電路的設計思路。最后指出了能量回饋技術的發展趨勢。

關鍵詞:變頻調速技術 能量回饋 再生制動 PWM控制 智能功率模塊 檢測技術

引言

變頻調速技術涉及電子、電工、信息與控制等多個學科領域。采用變頻調速技術是節能降耗、改善控制性能、提高產品產量和質量的重要途徑，已在應用中取得了良好的應用效果和顯著的經濟效益[1]。但是，在對調速節能的一片贊譽中，人們往往忽視了進一步挖掘變頻調速系統節能潛力和提高效率的問題。事實上，從變頻器內部研究和設計的方面看，應用或尋求哪一種控制策略可以使變頻驅動電機的損耗最小而效率最高？怎樣才能使生產機械儲存的能量及時高效地回饋到電網？這正是提高效率的兩個重要途徑。第一個環節是通過變頻調速技術及其優化控制技術實現“按需供能”，即在滿足生產機械速度、轉矩和動態響應要求的前提下，盡量減少變頻裝置的輸入能量;第二個環節是將由生產機械中儲存的動能或勢能轉換而來的電能及時地、高效地“回收”到電網，即通過有源逆變裝置將再生能量回饋到交流電網，一方面是節能降耗，另一方面是實現電動機的精密制動，提高電動機的動態性能。本文討論的就是變頻調速系統節能控制的第二個環節－變頻調速能量回饋控制技術。在能源資源日趨緊張的今天，這項研究無疑具有十分重要的現實意義。

通用變頻器在應用中存在的問題

通用變頻器大都為電壓型交-直-交變頻器，基本結構如圖1所示。三相交流電首先通過二極管可控整流橋得到脈動直流電，再經電解電容濾波穩壓，最后經無源逆變輸出電壓、頻率可調的交流電給電動機供電。這類變頻器功率因數高、效率高、精度高、調速范圍寬，所以在工業中獲得廣泛應用。但是通用變頻器不能直接用于需要快速起、制動和頻繁正、反轉的調速系統，如高速電梯、礦用提升機、軋鋼機、大型龍門刨床、卷繞機構張力系統及機床主軸驅動系統等。因為這種系統要求電機四象限運行，當電機減速、制動或者帶位能性負載重物下放時，電機處于再生發電狀態。由于二極管可控整流器能量傳輸不可逆，產生的再生電能傳輸到直流側濾波電容上，產生泵升電壓。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器件、電解電容，甚至會破壞電機的絕緣，從而威脅系統安全工作，這就限制了通用變頻器的應用范圍[2]。

國內外能量回饋技術研究現狀

為了解決電動機處于再生發電狀態產生的再生能量，德國西門子公司已經推出了電機四象限運行的電壓型交-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外圍裝置，可并聯到變頻器的直流側，將再生能量回饋到電網中[3]。同時，已見到國外有四象限電壓型交－直－交變頻器及電網側脈沖整流器等的研制報道[4-9]。普遍存在的問題是這些裝置價格昂貴，再加上一些產品對電網的要求很高，不適合我國的國情。國內在中小容量系統中大都采用能耗制動方式[10-13]，即通過內置或外加制動電阻的方法將電能消耗在大功率電阻器中，實現電機的四象限運行，該方法雖然簡單，但有如下嚴重缺點[14-18]:

(1)浪費能量，降低了系統的效率。(2)電阻發熱嚴重，影響系統的其他部分正常工作。(3)簡單的能耗制動有時不能及時抑制快速制動產生的泵升電壓，限制了制動性能的提高(制動力矩大，調速范圍寬，動態性能好)。

上述缺點決定了能耗制動方式只能用于幾十kW以下的中小容量系統。國內關于能量回饋控制的研究正在進行，但基本上都處于實驗階段，目前已經見到有關的文獻報道[14-18]，但尚未見這方面產品的報道。

能量回饋系統的拓撲結構

按照所選用的功率開關器件的不同，能量回饋系統的拓撲結構可分為半控器件型結構和全控器件型結構兩大類。

4.1 半控器件型(晶閘管型)結構

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，加之驅動、保護電路簡單，價格低廉等原因，采用晶閘管構成有源逆變電路在七、八十年代獲得人們普遍的研究，即使在現階段也仍有一定的實際意義。下面將要介紹幾種基于晶閘管的有源逆變電路的結構、基本原理以及優、缺點的對比。

(1)可控整流-可控有源逆變型

該方式是人們早期研究的一種方案?；舅悸肥窃诳煽卣鳂虻幕A上再反并聯一套有源逆變裝置，當電動機處于電動狀態時，整流橋T’1~T’6工作;而當電動機處于發電狀態時，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，將能量回饋到電網中，同時該方式有效的阻斷了環流的發生。其主回路結構如圖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，對逆變角β有一定的限制，即βmin=300，同時為滿足有源逆變的條件，避免直流環流，還應使變頻器的最高直流側電壓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應大于βmin。于是帶來了兩個問題:

1)較大的αmin將引起波形畸變干擾電網，并降低了電網的功率因數。

2)直流回路電壓降低將使常規380V交流電機得不到充分利用。

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相連，整流電路改為不可控。顯然，波形和功率因數都可得到改善，升壓變壓器可以切斷上下橋臂產生的直流環流，同時為了限制交流環流以及滿足有源逆變條件在電路中設置了電抗器，但它又有如下缺點:

1)增加的變壓器和環流電抗器使裝置的成本提高、體積增大。

2)因只要Uα< Uβ就會啟動逆變裝置，使逆變橋頻繁工作，損耗增加;由于逆變電流較小，會使電流斷續而造成電網電流波形畸變，產生高次諧波，使功率因數降低。

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

(2)可控整流/有源逆變復用型

Keiju.Matsui 等人提出了以下幾種拓撲結構[18-19]，其基本思路是利用一套可控整流橋既完成整流，又實現有源逆變，這樣就可以減小裝置的體積，降低成本。

1)多脈寬調制(MPWM)方式

主電路結構如圖3所示。采用一個電抗器和一個大功率晶體管作為能量暫存環節。α900(β

這種方案的優點是巧妙地利用一個整流橋同時實現整流和有源逆變兩種功能，結構簡單，體積較小。缺點是它的輸出波形包含大量的低次奇次諧波，噪聲大，同時能量回饋過程間斷進行，回饋效率低，能量損耗較大，功率因數低。

為減少MPWM輸出波形包含的低次奇次諧波，進一步改善電路的結構，Keiju.Matsui等人提出了SPWM方式[20,21]。

2)正弦波脈寬調制(SPWM)方式

該方式控制電路僅采用一只晶體管來實現能量的回饋控制，使電路的結構更加簡單，且有效的抑制了低次諧波，但它需要晶閘管S1~S6的協調配合，同時該方案的開關損耗較大，能量回饋過程是間斷進行的。為了獲得連續的電流波形，Keiju.Matsui等人又提出了一種新的方案，即MCC方式。

3)可調的庫克(MCC)方式

該方案是在MPWM方式的基礎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，工作原理同MPWM一樣，先將再生能量儲存在電感中，待條件滿足后再將能量回饋到電網中。

該方案的優點是可以連續的回饋再生能量，保證了電流的連續性，從而使回饋的功率較高，開關損耗較小，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，易造成負載轉矩脈動、噪聲較大。

(3)滯環控制斬波-逆變回饋方式

上述幾種方案雖然都能實現能量回饋控制，但其缺點是顯而易見的，同時由于晶閘管存在強迫換流關斷的問題，導致對直流側電壓有限制，若直流側電壓過高，則有可能由于晶閘管換流關斷失敗而導致逆變顛覆，這就限制了它們的應用。因此Dennis等人提出了一種基于晶閘管的新型回饋裝置[22]。其主電路結構如圖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、電流調節器CR。其基本思想是當直流母線電壓達到一定值時啟動該裝置，通過控制回饋電流的大小，將再生能量有效的回饋到電網中。為了避免整流與有源逆變在一點來回切換，回饋電流采用滯環控制方式。

該電路的工作原理如下:當直流母線電壓達到一定值(如740V)時開通Q1，將能量回饋到電網，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，當電流傳感器檢測到電流超過設定值時關斷Q1，此時回饋電流開始下降，當電流降到下限設定值時再開通Q1，如此循環往復。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斷;二是在緊急狀態時為能耗制動提供回路。其中大功率晶體管Q2在每次晶閘管換相時都觸發導通一次，即每600相位角導通一次，為晶閘管提供零電壓鉗位，這樣就可以確保晶閘管可靠地換相，并可以省去強迫換流電路[22]。

該方案采用電流滯環控制回饋電流，為一大類負載提供了一種切實可行的拓撲方案，具有一定的通用性。其特點如下:

1)可廣泛應用于PWM交流傳動的能量回饋制動場合，克服了晶閘管強迫換相對直流側電壓限制的缺點。

2)這種結構不產生任何異常的高次諧波電流成分，同時它控制方便，不需要輔助關斷電路，是一種經濟可行的方式。3)通過在回路中增加電阻R1和開關Q2，提供了能耗制動的可選方式，可以實現緊急制動。

基于晶閘管的再生能量回饋系統的優點是:結構和控制簡單，成本較低，耐壓和耐浪涌電流的能力較強，在大容量的逆變裝置中具有一定的優勢。但是其缺點是顯而易見的:它輸入功率因數低;輸入側有高次諧波存在，諧波損耗大;需要復雜的輔助關斷電路，從而使裝置成本增加，體積增大，可靠性降低，動態響應慢。故一般用于較大容量和對系統動態性能和快速性要求不太高的場合。

4.2 全控器件型結構

全控型器件如GTR、MOSFET、IGBT或IPM具有開關頻率高、集成度高和動態響應快等優點。采用上述的全控型器件作為有源逆變的功率開關器件可以提高系統的效率，抑制諧波和機械噪聲，這使得基于全控型器件的能量回饋控制系統已經成為研究的重點。目前國內外流行的控制方式僅對電流回路進行滯環控制[14-18]，雖然控制方式和控制電路比較簡單，但系統的主要控制對象-回饋電流的控制精度難以保證，從而造成系統的動態性能和抗干擾性能較差，功能不夠完善。

作者設計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控制方式的缺陷，提高了系統的控制精度和動態性能。如圖5所示。

回饋電流大小的控制是整個系統的核心環節。本系統創新之處是擯棄了傳統的滯環控制方式，采用了PID技術和PWM控制技術，利用電壓型PWM控制芯片SG3525A作為主控芯片進行閉環控制，綜合了滯環控制方式和PWM控制方式的優點，克服了采用滯環控制時回饋電流波形差、其高頻分量大、控制不精確的缺限，提高了系統的控制精度、動態性能和抗干擾性能。

控制系統包括同步信號獲取電路、電壓檢測與控制電路、電流檢測與控制電路、以及故障檢測、顯示與保護電路。其中，同步信號電路是有源逆變的基礎和關鍵，回饋電流的檢測與控制則是系統的控制核心和難點。

同步信號獲取電路采用同步變壓器降壓全波整流法獲取。實驗表明，該方法線路簡單，精度高，可以很好地滿足控制系統的要求。

電壓檢測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為弱電壓信號，該信號經變換后為回饋電流提供控制信號，以決定是否開啟逆變裝置進行能量回饋。

電流檢測及控制電路使回饋系統成為閉環控制系統。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。同時回饋電流的控制精度和紋波大小直接影響到系統的控制性能，因此對電流的實時檢測與控制是一個非常關鍵的環節。本系統采用霍爾電流傳感器對回饋電流進行檢測，霍爾電流傳感器的特點是體積小、響應速度快、準確度和線性度高，完全可以勝任電路的要求;采用PID調節器和SG3525A型PWM控制芯片進行脈寬調制，綜合了滯環控制方式和PWM控制方式的優點，使系統能快速、準確地控制回饋能量。實驗結果表明電流控制完全符合設計要求。

系統提供交/直流過壓、欠壓、過流、缺相、交直流快熔保護和IPM故障等齊全保護措施，以保證系統和電路的正常工作，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是本系統的又一特色。IPM內部集成了高速、低耗的IGBT芯片和優化的門極驅動及過流、短路、欠壓和過熱保護電路，它提高了系統的性能和可靠性，降低了系統成本，縮短了產品開發周期，是值得推廣的產品開發途徑。

能量回饋技術的新發展--雙PWM控制技術[23]

交-直-交電壓型變頻器的主電路輸入側一般是經三相不控橋式整流器向中間直流環節的濾波電容充電，然后通過PWM控制下的逆變器輸入到交流電動機上。雖然這樣的電路成本低、結構簡單、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低、網測諧波污染以及無法實現能量的再生利用等。消除對電網的諧波污染并提高功率因數，實現電機的四象限運行以構成變頻技術不可回避的問題。為此，PWM整流技術的研究，新型單位功率因數變流器的開發，在國內外引起廣泛的關注。傳統的制動方法是在中間直流環節電容兩端并聯電阻消耗能量，這既浪費了能量，又不可靠，而且制動慢;或者設置一套三相有源逆變系統，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重，電網污染重，功率因數低。而整流電路中采用自關斷器件進行PWM控制，可是電網側的輸入電流接近正弦波并且功率因數達到1，可以徹底解決對電網的污染問題。

由PWM整流器和PWM逆變器無需增加任何附加電路，就可實現系統的功率因數約等于1，消除網側諧波污染，能量雙向流動，方便電機四象限運行，同時對于各種調速場合，使電機很快達到速度要求，動態響應時間短。圖3位變頻器雙PWM控制結構，其中ia*、ib*、ic*是與電網電壓ea、eb、ec具有同頻同相位的電流信號，經PWM電流控制器與實際電流ia、、ib、ic比較生成6路PWM開關信號控制整流器中開關元件導通和關斷，是實際電流跟隨ia*、ib*、ic*、網側功率因數約等于1。雙PWM控制技術的工作原理:①當電機處于拖動狀態時，能量由交流電網經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;②當電機處于減速運行狀態時，由于負載慣性作用進入發電狀態，其再生能量經逆變器中開關元件和續流二極管向中間濾波電容充電，使中間直流電壓升高，此時整流器中開關元件在PWM控制下降能量饋如到交流電網，完成能量的雙向流動。同時由于PWM整流器閉環控制作用，使電網電流與電壓同頻同相位，提高了系統的功率因數，消除了網側諧波污染。

雙PWM控制技術打破了過去變頻器的統一結構，采用PWM整流器和PWM逆變器提高了系統功率因數，并且實現了電機的四象限運行，這給變頻器技術增添了新的生機，形成了高質量能量回饋技術的最新發展動態。

第二篇：畢業論文-變頻調速能量回饋控制技術的現狀與發展趨勢

變頻調速能量回饋控制技術的現狀與發展趨勢

摘 要: 通用變頻器能量回饋PWM控制系統是一種采用有源逆變方式把電動機減速制動時產生的再生能量回饋電網的裝置。它可以克服通用變頻器傳統制動電阻方式低效、難以滿足快速制動和頻繁正反轉的不足，使通用變頻器可在四象限運行。本文首先回顧了變頻調速能量回饋控制技術的發展歷史及現狀。設計了一種基于智能功率模塊IPM的新型控制系統，并詳細介紹了主電路、控制電路、驅動和保護電路的設計思路。最后指出了能量回饋技術的發展趨勢。

關鍵詞:變頻調速技術 能量回饋 再生制動 PWM控制 智能功率模塊 檢測技術

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

變頻調速技術涉及電子、電工、信息與控制等多個學科領域。采用變頻調速技術是節能降耗、改善控制性能、提高產品產量和質量的重要途徑，已在應用中取得了良好的應用效果和顯著的經濟效益。但是，在對調速節能的一片贊譽中，人們往往忽視了進一步挖掘變頻調速系統節能潛力和提高效率的問題。事實上，從變頻器內部研究和設計的方面看，應用或尋求哪一種控制策略可以使變頻驅動電機的損耗最小而效率最高？怎樣才能使生產機械儲存的能量及時高效地回饋到電網？這正是提高效率的兩個重要途徑。第一個環節是通過變頻調速技術及其優化控制技術實現“按需供能”，即在滿足生產機械速度、轉矩和動態響應要求的前提下，盡量減少變頻裝置的輸入能量;第二個環節是將由生產機械中儲存的動能或勢能轉換而來的電能及時地、高效地“回收”到電網，即通過有源逆變裝置將再生能量回饋到交流電網，一方面是節能降耗，另一方面是實現電動機的精密制動，提高電動機的動態性能。本文討論的就是變頻調速系統節能控制的第二個環節－變頻調速能量回饋控制技術。在能源資源日趨緊張的今天，這項研究無疑具有十分重要的現實意義。通用變頻器在應用中存在的問題

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直流電，再經電解電容濾波穩壓，最后經無源逆變輸出電壓、頻率可調的交流電給電動機供電。這類變頻器功率因數高、效率高、精度高、調速范圍寬，所以在工業中獲得廣泛應用。但是通用變頻器不能直接用于需要快速起、制動和頻繁正、反轉的調速系統，如高速電梯、礦用提升機、軋鋼機、大型龍門刨床、卷繞機構張力系統及機床主軸驅動系統等。因為這種系統要求電機四象限運行，當電機減速、制動或者帶位能性負載重物下放時，電機處于再生發電狀態。由于二極管不控整流器能量傳輸不可逆，產生的再生電能傳輸到直流側濾波電容上，產生泵升電壓。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器件、電解電容，甚至會破壞電機的絕緣，從而威脅系統安全工作，這就限制了通用變頻器的應用范圍。國內外能量回饋技術研究現狀

為了解決電動機處于再生發電狀態產生的再生能量，德國西門子公司已經推出了電機四象限運行的電壓型交-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外圍裝置，可并聯到變頻器的直流側，將再生能量回饋到電網中。同時，已見到國外有四象限電壓型交－直－交變頻器及電網側脈沖整流器等的研制報道。普遍存在的問題是這些裝置價格昂貴，再加上一些產品對電網的要求很高，不適合我國的國情。國內在中小容量系統中大都采用能耗制動方式，即通過內置或外加制動電阻的方法將電能消耗在大功率電阻器中，實現電機的四象限運行，該方法雖然簡單，但有如下嚴重缺點:

(1)浪費能量，降低了系統的效率。(2)電阻發熱嚴重，影響系統的其他部分正常工作。(3)簡單的能耗制動有時不能及時抑制快速制動產生的泵升電壓，限制了制動性能的提高(制動力矩大，調速范圍寬，動態性能好)。

上述缺點決定了能耗制動方式只能用于幾十kW以下的中小容量系統。國內關于能量回饋控制的研究正在進行，但基本上都處于實驗階段，目前已經見到有關的文獻報道，但尚未見這方面產品的報道。能量回饋系統的拓撲結構

按照所選用的功率開關器件的不同，能量回饋系統的拓撲結構可分為半控器件型結構和全控器件型結構兩大類。

4.1 半控器件型(晶閘管型)結構

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，加之驅動、保護電路簡單，價格低廉等原因，采用晶閘管構成有源逆變電路在七、八十年代獲得人們普遍的研究，即使在現階段也仍有一定的實際意義。下面將要介紹幾種

基于晶閘管的有源逆變電路的結構、基本原理以及優、缺點的對比。

(1)可控整流-可控有源逆變型

該方式是人們早期研究的一種方案。基本思路是在可控整流橋的基礎上再反并聯一套有源逆變裝置，當電動機處于電動狀態時，整流橋T’1~T’6工作;而當電動機處于發電狀態時，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，將能量回饋到電網中，同時該方式有效的阻斷了環流的發生。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，對逆變角β有一定的限制，即βmin=300，同時為滿足有源逆變的條件，避免直流環流，還應使變頻器的最高直流側電壓Udmax小于逆變電壓Uβmin，于是帶來了兩個問題:

1)較大的αmin將引起波形畸變干擾電網，并降低了電網的功率因數。

2)直流回路電壓降低將使常規380V交流電機得不到充分利用。

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相連，整流電路改為不可控。顯然，波形和功率因數都可得到改善，升壓變壓器可以切斷上下橋臂產生的直流環流，同時為了限制交流環流以及滿足有源逆變條件在電路中設置了電抗器，但它又有如下缺點:

1)增加的變壓器和環流電抗器使裝置的成本提高、體積增大。

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

(2)可控整流/有源逆變復用型

Keiju.Matsui 等人提出了以下幾種拓撲結構，其基本思路是利用一套可控整流橋既完成整流，又實現有源逆變，這樣就可以減小裝置的體積，降低成本。1)多脈寬調制(MPWM)方式

采用一個電抗器和一個大功率晶體管作為能量暫存環節。α<900時，晶閘管S1~S6工作在整流狀態，Tr和Th不工作，電抗器L‘起續流作用;逆變時，α>900(β<900)，一旦交流線電壓降為零，先開通大功率晶體管Tr，將能量暫時存在電感L中，當電流達到Tr的整定值時，關閉Tr，同時開通Th，由于電感L的續流作用，能量就通過晶閘管T?~T? 流回電網，周而復始，就可以將再生能量回饋電網。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。這種方案的優點是巧妙地利用一個整流橋同時實現整流和有源逆變兩種功能，結構簡單，體積較小。缺點是它的輸出波形包含大量的低次奇次諧波，噪聲大，同時能量回饋過程間斷進行，回饋效率低，能量損耗較大，功率因數低。為減少MPWM輸出波形包含的低次奇次諧波，進一步改善電路的結構，Keiju.Matsui等人提出了SPWM方式。

2)正弦波脈寬調制(SPWM)方式

該方式控制電路僅采用一只晶體管來實現能量的回饋控制，使電路的結構更加簡單，且有效的抑制了低次諧波，但它需要晶閘管S1~S6的協調配合，同時該方案的開關損耗較大，能量回饋過程是間斷進行的。為了獲得連續的電流波形，Keiju.Matsui等人又提出了一種新的方案，即MCC方式。

3)可調的庫克(MCC)方式

該方案是在MPWM方式的基礎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，工作原理同MPWM一樣，先將再生能量儲存在電感中，待條件滿足后再將能量回饋到電網中。該方案的優點是可以連續的回饋再生能量，保證了電流的連續性，從而使回饋的功率較高，開關損耗較小，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，易造成負載轉矩脈動、噪聲較大。

(3)滯環控制斬波-逆變回饋方式

上述幾種方案雖然都能實現能量回饋控制，但其缺點是顯而易見的，同時由于晶閘管存在強迫換流關斷的問題，導致對直流側電壓有限制，若直流側電壓過高，則有可能由于晶閘管換流關斷失敗而導致逆變顛覆，這就限制了它們的應用。因此Dennis等人提出了一種基于晶閘管的新型回饋裝置。其主電路結構如圖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、電流調節器CR。其基本思想是當直流母線電壓達到一定值時啟動該裝置，通過控制回饋電流的大小，將再生能量有效的回饋到電網中。為了避免整流與有源逆變在一點來回切換，回饋電流采用滯環控制方式。該電路的工作原理如下:當直流母線電壓達到一定值(如740V)時開通Q1，將能量回饋到電網，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，當電流傳感器檢測到電流超過設定值時關斷Q1，此時回饋電流開始下降，當電流降到下限設定值時再開通Q1，如此循環往復。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斷;二是在緊急狀態時為能耗制動提供回路。其中大功率晶體管Q2在每次晶閘管換相時都觸發導通一次，即每600相位角導通一次，為晶閘管提供零電壓鉗位，這樣就可以確保晶閘管可靠地換相，并可以省去強迫換流電路。該方案采用電流滯環控制回饋電流，為一大類負載提供了一種切實可行的拓撲方案，具有一定的通用性。其特點如下:

1)可廣泛應用于PWM交流傳動的能量回饋制動場合，克服了晶閘管強迫換相對直流側電壓限制的缺點。

2)這種結構不產生任何異常的高次諧波電流成分，同時它控制方便，不需要輔助關斷電路，是一種經濟可行的方式。

3)通過在回路中增加電阻R1和開關Q2，提供了能耗制動的可選方式，可以實現緊急制動。基于晶閘管的再生能量回饋系統的優點是:結構和控制簡單，成本較低，耐壓和耐浪涌電流的能力較強，在大容量的逆變裝置中具有一定的優勢。但是其缺點是顯而易見的:它輸入功率因數低;輸入側有高次諧波存在，諧波損耗大;需要復雜的輔助關斷電

路，從而使裝置成本增加，體積增大，可靠性降低，動態響應慢。故一般用于較大容量和對系統動態性能和快速性要求不太高的場合。

4.2 全控器件型結構

全控型器件如GTR、MOSFET、IGBT或IPM具有開關頻率高、集成度高和動態響應快等優點。采用上述的全控型器件作為有源逆變的功率開關器件可以提高系統的效率，抑制諧波和機械噪聲，這使得基于全控型器件的能量回饋控制系統已經成為研究的重點。目前國內外流行的控制方式僅對電流回路進行滯環控制，雖然控制方式和控制電路比較簡單，但系統的主要控制對象-回饋電流的控制精度難以保證，從而造成系統的動態性能和抗干擾性能較差，功能不夠完善?；仞侂娏鞔笮〉目刂剖钦麄€系統的核心環節。本系統創新之處是擯棄了傳統的滯環控制方式，采用了PID技術和PWM控制技術，利用電壓型PWM控制芯片SG3525A作為主控芯片進行閉環控制，綜合了滯環控制方式和PWM控制方式的優點，克服了采用滯環控制時回饋電流波形差、其高頻分量大、控制不精確的缺限，提高了系統的控制精度、動態性能和抗干擾性能。

控制系統包括同步信號獲取電路、電壓檢測與控制電路、電流檢測與控制電路、以及故障檢測、顯示與保護電路。其中，同步信號電路是有源逆變的基礎和關鍵，回饋電流的檢測與控制則是系統的控制核心和難點。

同步信號獲取電路采用同步變壓器降壓全波整流法獲取。實驗表明，該方法線路簡單，精度高，可以很好地滿足控制系統的要求。

電壓檢測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為弱電壓信號，該信號經變換后為回饋電流提供控制信號，以決定是否開啟逆變裝置進行能量回饋。

電流檢測及控制電路使回饋系統成為閉環控制系統。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。同時回饋電流的控制精度和紋波大小直接影響到系統的控制性能，因此對電流的實時檢測與控制是一個非常關鍵的環節。本系統采用霍爾電流傳感器對回饋電流進行檢測，霍爾電流傳感器的特點是體積小、響應速度快、準確度和線性度高，完全可以勝任電路的要求;采用PID調節器和SG3525A型PWM控制芯片進行脈寬調制，綜合了滯環控制方式和PWM控制方式的優點，使系統能快速、準確地控制回饋能量。實驗結果表明電流控制完全符合設計要求。系統提供交/直流過壓、欠壓、過流、缺相、交直流快熔保護和IPM故障等齊全保護措施，以保證系統和電路的正常工作，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是本系統的又一特色。IPM內部集成了高速、低耗的IGBT芯片和優化的門極驅動及過流、短路、欠壓和過熱保護電路，它提高了系統的性能和可靠性，降低了系統成本，縮短了產品開發周期，是值得推廣的產品開發途徑。能量回饋技術的新發展--雙PWM控制技術

交-直-交電壓型變頻器的主電路輸入側一般是經三相不控橋式整流器向中間直流環節的濾波電容充電，然后通過PWM控制下的逆變器輸入到交流電動機上。雖然這樣的電路成本低、結構簡單、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低、網測諧波污染以及無法實現能量的再生利用等。消除對電網的諧波污染并提高功率因數，實現電機的四象限運行以構成變頻技術不可回避的問題。為此，PWM整流技術的研究，新型單位功率因數變流器的開發，在國內外引起廣泛的關注。傳統的制動方法是在中間直流環節電容兩端并聯電阻消耗能量，這既浪費了能量，又不可靠，而且制動慢;或者設置一套三相有源逆變系統，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重，電網污染重，功率因數低。而整流電路中采用自關斷器件進行PWM控制，可是電網側的輸入電流接近正弦波并且功率因數達到1，可以徹底解決對電網的污染問題。

由PWM整流器和PWM逆變器無需增加任何附加電路，就可實現系統的功率因數約等于1，消除網側諧波污染，能量雙向流動，方便電機四象限運行，同時對于各種調速場合，使電機很快達到速度要求，動態響應時間短。位變頻器雙PWM控制結構，其中ia*、ib*、ic*是與電網電壓ea、eb、ec具有同頻同相位的電流信號，經PWM電流控制器與實際電流ia、、ib、ic比較生成6路PWM開關信號控制整流器中開關元件導通和關斷，是實際電流跟隨ia*、ib*、ic*、網側功率因數約等于1。雙PWM控制技術的工作原理:①當電機處于拖動狀態時，能量由交流電網經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;②當電機處于減速運行狀態時，由于負載慣性作用進入發電狀態，其再生能量經逆變器中開關元件和續流二極管向中間濾波電容充電，使中間直流電壓升高，此時整流器中開關元件在PWM控制下降能量饋如到交流電網，完成能量的雙向流動。同時由于PWM整流器閉環控制作用，使電網電流與電壓同頻同相位，提高了系統的功率因數，消除了網側諧波污染。

雙PWM控制技術打破了過去變頻器的統一結構，采用PWM整流器和PWM逆變器提高了系統功率因數，并且實現了電機的四象限運行，這給變頻器技術增添了新的生機，形成了高質量能量回饋技術的最新發展動態。

第三篇：變頻調速能量回饋控制技術的現狀與發展趨勢_職教論文

摘 要:通用變頻器能量回饋PWM控制系統是一種采用有源逆變方式把電動機減速制動時產生的再生能量回饋電網的裝置。它可以克服通用變頻器傳統制動電阻方式低效、難以滿足快速制動和頻繁正反轉的不足，使通用變頻器可在四象限運行。本文首先回顧了變頻調速能量回饋控制技術的發展歷史及現狀。設計了一種基于智能功率模塊IPM的新型控制系統，并詳細介紹了主電路、控制電路、驅動和保護電路的設計思路。最后指出了能量回饋技術的發展趨勢。關鍵詞:變頻調速技術 能量回饋 再生制動 PWM控制 智能功率模塊 檢測技術 1 引言 變頻調速技術涉及電子、電工、信息與控制等多個學科領域。采用變頻調速技術是節能降耗、改善控制性能、提高產品產量和質量的重要途徑，已在應用中取得了良好的應用效果和顯著的經濟效益[1]。但是，在對調速節能的一片贊譽中，人們往往忽視了進一步挖掘變頻調速系統節能潛力和提高效率的問題。事實上，從變頻器內部研究和設計的方面看，應用或尋求哪一種控制策略可以使變頻驅動電機的損耗最小而效率最高？怎樣才能使生產機械儲存的能量及時高效地回饋到電網？這正是提高效率的兩個重要途徑。第一個環節是通過變頻調速技術及其優化控制技術實現“按需供能”，即在滿足生產機械速度、轉矩和動態響應要求的前提下，盡量減少變頻裝置的輸入能量;第二個環節是將由生產機械中儲存的動能或勢能轉換而來的電能及時地、高效地“回收”到電網，即通過有源逆變裝置將再生能量回饋到交流電網，一方面是節能降耗，另一方面是實現電動機的精密制動，提高電動機的動態性能。本文討論的就是變頻調速系統節能控制的第二個環節－變頻調速能量回饋控制技術。在能源資源日趨緊張的今天，這項研究無疑具有十分重要的現實意義。2 通用變頻器在應用中存在的問題 通用變頻器大都為電壓型交-直-交變頻器，基本結構如圖1所示。三相交流電首先通過二極管可控整流橋得到脈動直流電，再經電解電容濾波穩壓，最后經無源逆變輸出電壓、頻率可調的交流電給電動機供電。這類變頻器功率因數高、效率高、精度高、調速范圍寬，所以在工業中獲得廣泛應用。但是通用變頻器不能直接用于需要快速起、制動和頻繁正、反轉的調速系統，如高速電梯、礦用提升機、軋鋼機、大型龍門刨床、卷繞機構張力系統及機床主軸驅動系統等。因為這種系統要求電機四象限運行，當電機減速、制動或者帶位能性負載重物下放時，電機處于再生發電狀態。由于二極管可控整流器能量傳輸不可逆，產生的再生電能傳輸到直流側濾波電容上，產生泵升電壓。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器件、電解電容，甚至會破壞電機的絕緣，從而威脅系統安全工作，這就限制了通用變頻器的應用范圍[2]。3 國內外能量回饋技術研究現狀 為了解決電動機處于再生發電狀態產生的再生能量，德國西門子公司已經推出了電機四象限運行的電壓型交-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外圍裝置，可并聯到變頻器的直流側，將再生能量回饋到電網中[3]。同時，已見到國外有四象限電壓型交－直－交變頻器及電網側脈沖整流器等的研制報道[4-9]。普遍存在的問題是這些裝置價格昂貴，再加上一些產品對電網的要求很高，不適合我國的國情。國內在中小容量系統中大都采用能耗制動方式[10-13]，即通過內置或外加制動電阻的方法將電能消耗在大功率電阻器中，實現電機的四象限運行，該方法雖然簡單，但有如下嚴重缺點[14-18]: [!--empirenews.page--](1)浪費能量，降低了系統的效率。(2)電阻發熱嚴重，影響系統的其他部分正常工作。(3)簡單的能耗制動有時不能及時抑制快速制動產生的泵升電壓，限制了制動性能的提高(制動力矩大，調速范圍寬，動態性能好)。上述缺點決定了能耗制動方式只能用于幾十kW以下的中小容量系統。國內關于能量回饋控制的研究正在進行，但基本上都處于實驗階段，目前已經見到有關的文獻報道[14-18]，但尚未見這方面產品的報道。4 能量回饋系統的拓撲結構 按照所選用的功率開關器件的不同，能量回饋系統的拓撲結構可分為半控器件型結構和全控器件型結構兩大類。4.1 半控器件型(晶閘管型)結構 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，加之驅動、保護電路簡單，價格低廉等原因，采用晶閘管構成有源逆變電路在七、八十年代獲得人們普遍的研究，即使在現階段也仍有一定的實際意義。下面將要介紹幾種基于晶閘管的有源逆變電路的結構、基本原理以及優、缺點的對比。(1)可控整流-可控有源逆變型 該方式是人們早期研究的一種方案。基本思路是在可控整流橋的基礎上再反并聯一套有源逆變裝置，當電動機處于電動狀態時，整流橋T’1~T’6工作;而當電動機處于發電狀態時，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，將能量回饋到電網中，同時該方式有效的阻斷了環流的發生。其主回路結構如圖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，對逆變角β有一定的限制，即βmin=300，同時為滿足有源逆變的條件，避免直流環流，還應使變頻器的最高直流側電壓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應大于βmin。于是帶來了兩個問題: 1)較大的αmin將引起波形畸變干擾電網，并降低了電網的功率因數。2)直流回路電壓降低將使常規380V交流電機得不到充分利用。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相連，整流電路改為不可控。顯然，波形和功率因數都可得到改善，升壓變壓器可以切斷上下橋臂產生的直流環流，同時為了限制交流環流以及滿足有源逆變條件在電路中設置了電抗器，但它又有如下缺點: 1)增加的變壓器和環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、電流滯環控制方法來克服這一缺陷，但所有的控制均基于對逆變角β的控制，這就大大增加了β角的控制難度。特別是在發生誤觸發時，沒有有效的方法防止有源逆變器顛覆而產生的短路電流。(2)可控整流/有源逆變復用型 Keiju.Matsui 等人提出了以下幾種拓撲結構[18-19]，其基本思路是利用一套可控整流橋既完成整流，又實現有源逆變，這樣就可以減小裝置的體積，降低成本。[!--empirenews.page--]1)多脈寬調制(MPWM)方式 主電路結構如圖3所示。采用一個電抗器和一個大功率晶體管作為能量暫存環節。α900(β這種方案的優點是巧妙地利用一個整流橋同時實現整流和有源逆變兩種功能，結構簡單，體積較小。缺點是它的輸出波形包含大量的低次奇次諧波，噪聲大，同時能量回饋過程間斷進行，回饋效率低，能量損耗較大，功率因數低。為減少MPWM輸出波形包含的低次奇次諧波，進一步改善電路的結構，Keiju.Matsui等人提出了SPWM方式[20,21]。2)正弦波脈寬調制(SPWM)方式 該方式控制電路僅采用一只晶體管來實現能量的回饋控制，使電路的結構更加簡單，且有效的抑制了低次諧波，但它需要晶閘管S1~S6的協調配合，同時該方案的開關損耗較大，能量回饋過程是間斷進行的。為了獲得連續的電流波形，Keiju.Matsui等人又提出了一種新的方案，即MCC方式。3)可調的庫克(MCC)方式 該方案是在MPWM方式的基礎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，工作原理同MPWM一樣，先將再生能量儲存在電感中，待條件滿足后再將能量回饋到電網中。該方案的優點是可以連續的回饋再生能量，保證了電流的連續性，從而使回饋的功率較高，開關損耗較小，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，易造成負載轉矩脈動、噪聲較大。(3)滯環控制斬波-逆變回饋方式 上述幾種方案雖然都能實現能量回饋控制，但其缺點是顯而易見的，同時由于晶閘管存在強迫換流關斷的問題，導致對直流側電壓有限制，若直流側電壓過高，則有可能由于晶閘管換流關斷失敗而導致逆變顛覆，這就限制了它們的應用。因此Dennis等人提出了一種基于晶閘管的新型回饋裝置[22]。其主電路結構如圖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、電流調節器CR。其基本思想是當直流母線電壓達到一定值時啟動該裝置，通過控制回饋電流的大小，將再生能量有效的回饋到電網中。為了避免整流與有源逆變在一點來回切換，回饋電流采用滯環控制方式。該電路的工作原理如下:當直流母線電壓達到一定值(如740V)時開通Q1，將能量回饋到電網，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，當電流傳感器檢測到電流超過設定值時關斷Q1，此時回饋電流開始下降，當電流降到下限設定值時再開通Q1，如此循環往復。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斷;二是在緊急狀態時為能耗制動提供回路。其中大功率晶體管Q2在每次晶閘管換相時都觸發導通一次，即每600相位角導通一次，為晶閘管提供零電壓鉗位，這樣就可以確保晶閘管可靠地換相，并可以省去強迫換流電路[22]。[!--empirenews.page--]該方案采用電流滯環控制回饋電流，為一大類負載提供了一種切實可行的拓撲方案，具有一定的通用性。其特點如下: 1)可廣泛應用于PWM交流傳動的能量回饋制動場合，克服了晶閘管強迫換相對直流側電壓限制的缺點。

2)這種結構不產生任何異常的高次諧波電流成分，同時它控制方便，不需要輔助關斷電路，是一種經濟可行的方式。3)通過在回路中增加電阻R1和開關Q2，提供了能耗制動的可選方式，可以實現緊急制動?；诰чl管的再生能量回饋系統的優點是:結構和控制簡單，成本較低，耐壓和耐浪涌電流的能力較強，在大容量的逆變裝置中具有一定的優勢。但是其缺點是顯而易見的:它輸入功率因數低;輸入側有高次諧波存在，諧波損耗大;需要復雜的輔助關斷電路，從而使裝置成本增加，體積增大，可靠性降低，動態響應慢。故一般用于較大容量和對系統動態性能和快速性要求不太高的場合。4.2 全控器件型結構 全控型器件如GTR、MOSFET、IGBT或IPM具有開關頻率高、集成度高和動態響應快等優點。采用上述的全控型器件作為有源逆變的功率開關器件可以提高系統的效率，抑制諧波和機械噪聲，這使得基于全控型器件的能量回饋控制系統已經成為研究的重點。目前國內外流行的控制方式僅對電流回路進行滯環控制[14-18]，雖然控制方式和控制電路比較簡單，但系統的主要控制對象-回饋電流的控制精度難以保證，從而造成系統的動態性能和抗干擾性能較差，功能不夠完善。作者設計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控制方式的缺陷，提高了系統的控制精度和動態性能。如圖5所示。回饋電流大小的控制是整個系統的核心環節。本系統創新之處是擯棄了傳統的滯環控制方式，采用了PID技術和PWM控制技術，利用電壓型PWM控制芯片SG3525A作為主控芯片進行閉環控制，綜合了滯環控制方式和PWM控制方式的優點，克服了采用滯環控制時回饋電流波形差、其高頻分量大、控制不精確的缺限，提高了系統的控制精度、動態性能和抗干擾性能?？刂葡到y包括同步信號獲取電路、電壓檢測與控制電路、電流檢測與控制電路、以及故障檢測、顯示與保護電路。其中，同步信號電路是有源逆變的基礎和關鍵，回饋電流的檢測與控制則是系統的控制核心和難點。同步信號獲取電路采用同步變壓器降壓全波整流法獲取。實驗表明，該方法線路簡單，精度高，可以很好地滿足控制系統的要求。電壓檢測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為弱電壓信號，該信號經變換后為回饋電流提供控制信號，以決定是否開啟逆變裝置進行能量回饋。電流檢測及控制電路使回饋系統成為閉環控制系統。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。同時回饋電流的控制精度和紋波大小直接影響到系統的控制性能，因此對電流的實時檢測與控制是一個非常關鍵的環節。本系統采用霍爾電流傳感器對回饋電流進行檢測，霍爾電流傳感器的特點是體積小、響應速度快、準確度和線性度高，完全可以勝任電路的要求;采用PID調節器和SG3525A型PWM控制芯片進行脈寬調制，綜合了滯環控制方式和PWM控制方式的優點，使系統能快速、準確地控制回饋能量。實驗結果表明電流控制完全符合設計要求。[!--empirenews.page--]系統提供交/直流過壓、欠壓、過流、缺相、交直流快熔保護和IPM故障等齊全保護措施，以保證系統和電路的正常工作，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是本系統的又一特色。IPM內部集成了高速、低耗的IGBT芯片和優化的門極驅動及過流、短路、欠壓和過熱保護電路，它提高了系統的性能和可靠性，降低了系統成本，縮短了產品開發周期，是值得推廣的產品開發途徑。5 能量回饋技術的新發展--雙PWM控制技術[23] 交-直-交電壓型變頻器的主電路輸入側一般是經三相不控橋式整流器向中間直流環節的濾波電容充電，然后通過PWM控制下的逆變器輸入到交流電動機上。雖然這樣的電路成本低、結構簡單、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低、網測諧波污染以及無法實現能量的再生利用等。消除對電網的諧波污染并提高功率因數，實現電機的四象限運行以構成變頻技術不可回避的問題。為此，PWM整流技術的研究，新型單位功率因數變流器的開發，在國內外引起廣泛的關注。傳統的制動方法是在中間直流環節電容兩端并聯電阻消耗能量，這既浪費了能量，又不可靠，而且制動慢;或者設置一套三相有源逆變系統，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重，電網污染重，功率因數低。而整流電路中采用自關斷器件進行PWM控制，可是電網側的輸入電流接近正弦波并且功率因數達到1，可以徹底解決對電網的污染問題。由PWM整流器和PWM逆變器無需增加任何附加電路，就可實現系統的功率因數約等于1，消除網側諧波污染，能量雙向流動，方便電機四象限運行，同時對于各種調速場合，使電機很快達到速度要求，動態響應時間短。圖3位變頻器雙PWM控制結構，其中ia*、ib*、ic*是與電網電壓ea、eb、ec具有同頻同相位的電流信號，經PWM電流控制器與實際電流ia、、ib、ic比較生成6路PWM開關信號控制整流器中開關元件導通和關斷，是實際電流跟隨ia*、ib*、ic*、網側功率因數約等于1。雙PWM控制技術的工作原理:①當電機處于拖動狀態時，能量由交流電網經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;②當電機處于減速運行狀態時，由于負載慣性作用進入發電狀態，其再生能量經逆變器中開關元件和續流二極管向中間濾波電容充電，使中間直流電壓升高，此時整流器中開關元件在PWM控制下降能量饋如到交流電網，完成能量的雙向流動。同時由于PWM整流器閉環控制作用，使電網電流與電壓同頻同相位，提高了系統的功率因數，消除了網側諧波污染。雙PWM控制技術打破了過去變頻器的統一結構，采用PWM整流器和PWM逆變器提高了系統功率因數，并且實現了電機的四象限運行，這給變頻器技術增添了新的生機，形成了高質量能量回饋技術的最新發展動態。

第四篇：變頻調速系統的發展現狀與前景展望

變頻調速系統的發展現狀與前景展望

清華大學電機系冬雷李永東

[摘要］了解近十年來國外通用變頻器的技術發展對于深入了解交流傳動與控制技術的發展走向以及如何站在高起點上結合我國國情開發我國自己的產品都具有十分積極的意義。

[關鍵詞] 通用變頻 電力電子 IGBT IPM PWM DTC

1.前言

交流傳動與控制技術是目前發展最為迅速的技術之一，這是和冉力電子器件制造技術、變流技術控制技術以及微型計算機和大規模集成電路的飛速發展密切相關。

通用變頻器作為早個商品開始在國內上市，是近十年的事，銷售額逐年增加，于今全年有超過數十億元（RMB）的市場。其中．各種進口品牌居多，功率小至百瓦大至數千千瓦；功能簡易或復雜；精度低或高；響應慢或快：有PG（測速機）或無PG;有噪音或無噪音等等。

對于許多用戶來說,這十年中經歷了多次更新，現所使用的變頻器大都屬于目前最為先進的機型如果從應用的角度來說，我們的水準與發達國家沒有什么兩樣。作為國內制造商,通過這十年來對國外的先進技術進行銷化，也正在積極地進行國產變頻器的自主開發．努力追趕世界發達國家的水平。

回顧近十年來國外通用變頻器技術的發展對于深入了解交流傳動與控制技術的走向，以及如何站在高起點上結合我國國情開發我國自己的產品應該說具有十分積極的意義.2.關于功率器件

變頻技術是建立在電力電子技術基礎之上的。在低壓交流電動機的傳動控制中，應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,頻率可達到20KHZ,內含的集射極間超高速二極管Trr可達150ns,1992年前后開始在通用變頻器中得到廣泛應用。其發展的方向是損耗更低,開關速度更快、電壓更高,容量更大(3.3KV、1200A), 目前，采用溝道型柵極技術、非穿通技術等方法大幅度降低了集電極一發射極之間的飽和電壓[VCE（sat)]的第四代IGBT也已問世。

第四代IGBT的應用使變頻器的性能有了很大的提高。其一是ICBT開關器件發熱減少，將曾占主回路發熱50－70％的器件發熱降低了30％。其二是高載波控制，使輸出電流波形有明顯改善；其三是開關頻率提高，使之超過人耳的感受范圍，即實現了電機運行的靜青化；其四是驅動功率減少，體積趨于更小。

而IPM的投入應用比IGBT約晚二年，由于IPM包含了1GBT芯片及外圍的驅動和保護電路.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，通用變頻器均有采用IPM的趨問，其優點是：

（l）開關速度快，驅動電流小，控制驅動更為簡單。

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

（3)由于在器件內部電源電路和驅動電路的配線設計上做到優化，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）保護功能較為豐富，如電流保護、電壓保護、溫度保護一應俱全，隨著技術的進步，保護功能將進一步日臻完善。

（5｝IPM的售價已逐漸接近IGBT．而計人采用IPM后的開關電源容量、驅動功率容量的減小和器件的節省以及綜合性能提高等因素后在許多場合其性價比已高過IGBT，有很好的經濟性。為此IPM除了在工業變頻器中被大量采用之后，經濟型的IPM在近年內也開始在一些民用品如家用空調變頻器，冰箱變頻器、洗衣機變頻器中得到應用。IPM也在向更高的水平發展，日本三菱電機最近開發的專用智能模塊ASIPM將不需要外接光耦，通過內部自舉電路可單電源供電并采用了低電感的封裝技術，在實現系統小型化，專用化，高性能，低成本方面又推進了一步。

3.關于控制方式

早期通用變頻器如東芝TOSVERT－130系列、FUJI FVRG5／P5系列，SANKEN SVF系列等大多數為開環恒壓比（V／F=常數）的控制方式．其優點是控制結構簡單、成本較低，缺點是系統性能不高，比較適合應用在風機、水泵調這場合。具體來說，其控制曲線會隨著負載的變化而變化；轉矩響應慢，電視轉矩利用率不高，低速時因定子電阻和逆變器死區效應的存在而性能下降穩定性變差等。對變頻器U／F控制系統的改造主要經歷了三個階段；

第一階段：

1.八十年代初日本學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，以逼近電機氣隙的理想圓形旋轉磁場軌跡為目的，一次生成二相調制波形。這種方法被稱為電壓空間矢量控制。典型機種如1989年前后進入中國市場的FUJI（富士）FRN5OOOG5/P5、SANKEN（三墾）MF系列等。

②引人頻率補償控制，以消除速度控制的穩態誤差

③基于電機的穩態模型，用直流電流信號重建相電流，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定子電阻對性能的影響。

④將輸出電壓、電流進行閉環控制，以提高動態負載下的電壓控制精度和穩定度，同時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好處是對再生引起的過電壓、過電流抑制較為明顯，從而可以實現快速的加減速。

之后，1991年由富士電機推出大家熟知的FVR與 FRNG7／P7系列的設計中，不同程度融入了②3．④項技術，因此很具有代表性。三菱日立，東芝也都有類似的產品。然而，在上述四種方法中，由于未引入轉矩的調節，系統性能沒有得到根本性的改善.第二階段：

矢量控制。也稱磁場定向控制。它是七十年代初由西德 F.Blasschke等人首先提出，以直流電動機和交流電動機比較的方法分析闡述了這一原理，由此開創了交流電動機等效直流電動機控制的先河。它使人們看到交流電動機盡管控制復雜，但同樣可以實現轉矩、磁場獨立控制的內在本質。

矢量控制的基本點是控制轉子磁鏈，以轉子磁通定向，然后分解定子電流，使之成為轉矩和磁場兩個分量，經過坐標變換實現正交或解耦控制。但是，由于轉子磁鏈難以準確觀測，以及矢量變換的復雜性，使得實際控制效果往往難以達到理論分析的效果，這是矢量控制技術在實踐上的不足。此外．它必須直接或間接地得到轉子磁鏈在空間上的位置才能實現定子電流解耦控制，在這種矢量控制系統中需要配留轉子位置或速度傳感器，這顯然給許多應用場合帶來不便。僅管如此，矢量控制技術仍然在努力融入通用型變頻器中，1992年開始，德國西門子開發了6SE70通用型系列，通過FC、VC、SC板可以分別實現頻率控制、矢量控制、伺服控制。1994年將該系列擴展至315KW以上。目前，6SE70系列除了200KW以下價格較高，在200KW以上有很高的性價比。

第三階段：

1985年德國魯爾大學Depenbrock教授首先提出直接轉矩控制理論（Direct Torque

Control簡稱DTC）。直接轉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矩，而是把轉矩直接作為被控量來控制。

轉矩控制的優越性在于：轉矩控制是控制定子磁鏈，在本質上并不需要轉速信息；控制上對除定子電阻外的所有電機參數變化魯棒性良好；所引入的定子磁鍵觀測器能很容易估算出同步速度信息。因而能方便地實現無速度傳感器化。這種控制方法被應用于通用變頻器的設計之中，是很自然的事，這種控制被稱為無速度傳感器直接轉矩控制。然而，這種控制依賴于精確的電機數學模型和對電機參數的自動識別（Identification向你ID),通過ID運行自動確立電機實際的定子阻抗互感、飽和因素、電動機慣量等重要參數，然后根據精確的電動機模型估算出電動機的實際轉矩、定子碰鏈和轉子速度，并由磁鏈和轉矩的Band－Band控制產生PWM信號對逆變器的開關狀態進行控制。這種系統可以實現很快的轉矩響應速度和很高的速度、轉矩控制精度。

1995年ABB公司首先推出的ACS600直接轉矩控制系列，已達到<2ms的轉矩響應速度在帶PG時的靜態速度精度達土O.01%，在不帶PG的情況下即使受到輸入電壓的變化或負載突變的影響，向樣可以達到正負0.1％的速度控制精度。其他公司也以直接轉矩控制為努力目標，如安川VS－676H5高性能無速度傳感器矢量控制系列，雖與直接轉矩控制還有差別，但它也已做到了100ms的轉矩響應和正負0.2%（無PG）,正負0.01％（帶 PG）的速度控制精度，轉矩控制精度在正負3％左右。其他公司如日本富士電機推出的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計，性能有了進一步提高，然而變頻器的價格并不比以前的機型昂貴多少。

控制技術的發展完全得益于微處理機技術的發展，自從1991年INTEL公司推出8X196MC系列以來，專門用于電動機控制的芯片在品種、速度、功能、性價比等方面都有很大的發展。如日本三菱電機開發用于電動機控制的M37705、M7906單片機和美國德州儀器的TMS320C240DSP等都是頗具代表性的產品。

4.關于PWM技術

PWM控制技術一直是變頻技術的核心技術之一。1964年A.Schonung和H.stemmler首先在<>評論上提出把這項通訊技術應用到交流傳動中，從此為交流傳動的推廣應用開辟了新的局面。

從最初采用模擬電路完成三角調制波和參考止弦波比較，產生止弦脈寬調制SPWM信號以控制功率器件的開關開始，到目前采用全數字化方案，完成優化的實時在線的PWM信號輸出，可以說直到目前為止，PWM在各種應用場合仍占主導地位,并一直是人們研究的熱點。

由于PWM可以同時實現變頻變壓反抑制諧波的特點，由此在交流傳動乃至其它能量變換系

統中得到廣泛應用。PWM控制技術大致可以分為三類，正弦PWM（包括電壓，電流或磁通的正弦為目標的各種PWM方案，多重PWM也應歸于此類），優化PWM及隨機PWM。正弦PWM已為人們所熟知，而旨在改善輸出電壓、電流波形，降低電源系統諧波的多重PWM技術在大功率變頻器中有其獨特的優勢（如 ABB ACS1000系列和美國ROBICON公司的完美無諧波系列等）；而優化PWM所追求的則是實現電流諧波畸變率（THD）最小，電壓利用率最高，效率最優，及轉矩脈動最小以及其它特定優化目標。

在70年代開始至80年代初，由于當時大功率晶體管主要為雙極性達林頓三極管，載波頻率一般最高不超過5KHZ，電機繞組的電磁噪音及諧波引起的振動引起人們的關注。為求得改善，隨機PwM方法應運而生。其原理是隨機改變開關頻率使電機電磁噪音近似為限帶白噪聲（在線性頻率坐標系中，各頻率能量分布是均勻的），盡管噪音的總分貝數未變，但以固定開關頻率為特征的有色噪音強度大大削弱。正因為如此，即使在IGBT已被廣泛應用的今天，對于載波頻率必須限制在較低頻率的場合，隨機PWM仍然有其特殊的價值（DTC控制即為一例）；另一方面則告訴人們消除機械和電磁噪音的最佳方法不是盲目地提高工作頻率，因為隨機PWM技術提供了一個分析、解決問題的全新思路。

5.展望

通用變頻器的發展是世界高速經濟發展的產物。其發展的趨勢大致為：

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）的研制已經完成并推向市場。一種使逆變功率和控制電路達到一體化，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，此產品在市場上極具競爭力。

5.2 小型化

用日本富士（FUJI）電機的三添勝先生的話說，變頻器的小型化就是向發熱挑戰。這就是說變頻器的小型化除了出自支撐部件的實裝技術和系統設計的大規模集成化，功率器件發熱的改善和冷卻技術的發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他向全球發布的全新概念是，小功率變頻器應當象接觸器、軟起動器等電器元件一樣使用簡單，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國際標準，主要做法足在變頻器輸入側加交流電抗器或有源功率因數校正（Active Power Factor Correction． APFC）電路，改善輸入電流波形降低電網諧波以及逆變橋采取電流過零的開關技術。而控制電源用的開關電源將推崇半諧振方式，這種開關控制方式在30－50MhZ時的噪聲可降低15－20dB。

5.4專用化

通用變頻器中出現專用型家族是近年來的事。其目的是更好發揮變頻器的獨特功能并盡可能地方便用戶。如用于起重稅負載的 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、上作機械主軸傳動、電源再生、紡織、機車牽引等專用系列。

5.5系統化

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

第五篇：變頻調速系統的發展現狀與前景展望

變頻調速系統的發展現狀與前景展望

摘要：詳細介紹了目前變頻調速領域研究的熱點問題，分析了最新技術發展對變頻調速系統產業化所帶來的影響，并對變頻調速系統的發展前景進行了預測。

關鍵詞：變頻調速系統；現狀；展望

一、在小功率交流調速方面，由于國外產品的規模效應，使得國內廠家在價格上、工藝上和技術上均無法與之抗衡。而在高壓大功率方面，國外公司又為我們留下了趕超的空間。首先，國外的電網電壓等級一般為3000V，而我國的電網電壓等級為6000V和10000V；其次，高壓大功率交流調速系統無法進行大規模的批量生產，而國外的勞動力成本，特別是具有一定專業知識的勞動力成本較高。

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

? 雙饋交流變頻調速系統

（1）多電平電壓型逆變器

日本長岡科技大學的A.Nabae等人于1980年在IAS年會上首次提出三電平逆變器，又稱中點箝位式（Neutral Point Clamped）逆變器。它的出現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點：

1.更適合大容量、高電壓的場合。

2.可產生M層梯形輸出電壓，對階梯波再作調制可以得到很好近似的正弦波，理論上提高電平數可接近純正弦波型、諧波含量很小。

3.電磁干擾（EMI）問題大大減輕，因為開關元件一次動作的dv/dt通常只有傳統雙電平的1/（M-1）。

4.效率高，消除同樣諧波，雙電平采用PWM控制法開關頻率高、損耗大，而多電平逆變器可用較低頻率進行開關動作、開關頻率低、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的單元逆變橋數目同等增加即可。其優點為：

1.不存在電壓均衡問題。無需箝位二極管或電容，適于調速控制；

2.模塊化程度好，維修方便；

3.對相同電平數而言，所需器件數目最少；

4.無箝位二極管或電容的限制，可實現更多電平，上更高電壓，實現更低諧波；

5.控制方法相對簡單，可分別對每一級進行PWM控制，然后進行波形重組。

當然，這種結構的不足之處在于需要很多隔離的直流電源，應用受到一定限制。

（3）交交變頻器

交交變頻器采用晶閘管作為主功率器件，在軋機和礦井卷揚機傳動方面有很大的需求。晶閘管的最大優點就是開關功率大（可達5000V/5000A），適合于大容量交流電機調速系統。同時，大功率晶閘管的生產和技術功能技術相當成熟，通過與現代交流電機控制理論的數字化結合，將具有較強的競爭力。但是交交變頻器也存在一些固有缺點：調速范圍小，當電源為50Hz時，最大輸出頻率不超過20Hz；另一方面，功率因數低、諧波污染大，因此需要同時進行無功補償和諧波治理。

（4）雙饋交流變頻調速系統

雙饋交流變頻調速系統的變頻器功率小、功率因數可調、系統可靠性較高，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容量的25%，因此可以大大降低系統的成本。但是，雙饋交流變頻調速系統中的電機需要專門設計，不能使用普通的異步電機；而且受變頻器容量和調速范圍的限制，不具備軟起動的能力。

二、高性能交流調速系統

V/f恒定、速度開環控制的通用變頻調速系統和滑差頻率速度閉環控制系統，基本上解決了異步電機平滑調速的問題。然而，當生產機械對調速系統的動靜態性能提出更高要求時，上述系統還是比直流調速系統略遜一籌。原因在于，其系統控制的規律是從異步電機穩態等效電路和穩態轉矩公式出發推導出穩態值控制，完全不考慮過渡過程，系統在穩定性、起動及低速時轉矩動態響應等方面的性能尚不能令人滿意。

考慮到異步電機是一個多變量、強耦合、非線性的時變參數系統，很難直接通過外加信號準確控制電磁轉矩，但若以轉子磁通這一旋轉的空間矢量為參考坐標，利用從靜止坐標系到旋轉坐標系之間的變換，則可以把定子電流中勵磁電流分量與轉矩電流分量變成標量獨立開來，進行分別控制。這樣，通過坐標變換重建的電動機模型就可等效為一臺直流電動機，從而可象直流電動機那樣進行快速的轉矩和磁通控制即矢量控制。

和矢量控制不同，直接轉矩控制屏棄了解耦的思想，取消了旋轉坐標變換，簡單地通過檢測電機定子電壓和電流，借助瞬時空間矢量理論計算電機的磁鏈和轉矩，并根據與給定值比較所得差值，實現磁鏈和轉矩的直接控制。

盡管矢量控制與直接轉矩控制使交流調速系統的性能有了較大的提高，但是還有許多領域有待研究：

（1）磁通的準確估計或觀測

（2）無速度傳感器的控制方法

（3）電機參數的在線辨識

（4）極低轉速包括零速下的電機控制

（5）電壓重構與死區補償策略

（6）多電平逆變器的高性能控制策略

三、展望

在交流調速的研究與制造過程中，硬件的設計與組裝占了相當大的比重。電機制造以及調速裝置的制造需要大批的技術熟練工人，對

人員的素質有一定要求。而國外相關產業的人工成本相對較高，在近十年內，交流調速的制造業有可能向發展中國家轉移。對中國來說，這也是一個機遇，如果我們抓住這個機會，再利用本身的市場有利條件，有可能在我國形成交流調速系統的制造業中心，使我國工業上一個新的臺階。需要注意的是發達國家在高技術領域是不會輕易放棄的，他們非常注意核心技術及軟件的保護和保密，為此，必須加大該領域的科研與開發的力度。

參考文獻：

[1]王樹.變頻調速系統設計與應用.機械工業出版社,2005

[2]丁斗章.變頻調速技術與系統應用.機械工業出版社,2005

[3]周志敏、周紀海、紀愛華.變頻調速系統設計與維護.中國電力出版社，2007