摘要：詳細介紹了目前變頻調(diào)速領域研究的熱點問題，分析了最新技術發(fā)展對變頻調(diào)速系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)化所帶來的影響，并對變頻調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展前景進行了預測。

　　關鍵詞：變頻調(diào)速系統(tǒng) PWM 數(shù)字控制

　　1 前言

　　當前全球經(jīng)濟發(fā)展過程中，有兩條顯著的相互交織的主線：能源和環(huán)境。能源的緊張不僅制約了相當多發(fā)展中國家的經(jīng)濟增長，也為許多發(fā)達國家?guī)�來了相當大的問題。能源集中的地方也往往成為全世界所關注的熱點地區(qū)。而能源的開發(fā)與利用又對環(huán)境的保護有著重大影響。全球變暖、酸雨等一系列環(huán)境災難都與能源的開發(fā)與利用有關。

　　能源工業(yè)作為國民經(jīng)濟的基礎，對于社會、經(jīng)濟的發(fā)展和人民生活水平的提高都極為重要。在高速增長的經(jīng)濟環(huán)境下，中國能源工業(yè)面臨經(jīng)濟增長與環(huán)境保護的雙重壓力。有資料表明，受資金、技術、能源價格的影響，中國能源利用效率比發(fā)達國家低很多。90年代中國高耗能產(chǎn)品的耗能量一般比發(fā)達國家高12%-55%左右，90%以上的能源在開采、加工轉換、儲運和終端利用過程中損失和浪費。如果進行單位GNP能耗（噸標準煤/千美元）的國家比較（90年代中期），中國分別是瑞士、意大利、日本、法國、德國、英國、美國、加拿大的14.4倍、11.3倍、10.6倍、8.8倍、8.3倍、7.2倍、4.6倍、和4.2倍。1995年，中國火電廠煤耗為412克標準煤/kWh，是國際先進水平的1.27倍。

　　由此可見，對能源的有效利用在我國已經(jīng)非常迫切。作為能源消耗大戶之一的電機在節(jié)能方面是大有潛力可挖的。我國電機的總裝機容量已達4億千瓦，年耗電量達6000億千瓦時，約占工業(yè)耗電量的80%。我國各類在用電機中，80%以上為0.55-220kW以下的中小型異步電動機。我國在用電機拖動系統(tǒng)的總體裝備水平僅相當于發(fā)達國家50年代水平。因此，在國家十五計劃中，電機系統(tǒng)節(jié)能方面的投入將高達500億元左右，所以變頻調(diào)速系統(tǒng)在我國將有非常巨大的市場需求。

　　目前，國內(nèi)變頻調(diào)速系統(tǒng)的研究非�；钴S，但是在產(chǎn)業(yè)化方面還不是很理想，市場的大部分還是被國外公司所占據(jù)。因此，為了加快國內(nèi)變頻調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展，就需要對國際變頻調(diào)速技術的發(fā)展趨勢和國內(nèi)的市場需求有一個全面的了解。

　　2 全數(shù)字化控制系統(tǒng)

　　隨著計算機技術的發(fā)展，無論是生產(chǎn)還是生活當中，人民對數(shù)字化信息的依賴程度越來越高。如果說計算機是大腦，網(wǎng)絡是神經(jīng)，那么電機傳動系統(tǒng)就是骨骼和肌肉。它們之間的完美結合才是現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)發(fā)展方向。為了使交流調(diào)速系統(tǒng)與信息系統(tǒng)緊密結合，同時也為了提高交流調(diào)速系統(tǒng)自身的性能，必須使交流調(diào)速系統(tǒng)實現(xiàn)全數(shù)字化控制。

　　單片機已經(jīng)在交流調(diào)速系統(tǒng)中得到了廣泛地應用。例如由Intel公司1983年開發(fā)生產(chǎn)的MCS - 96系列是目前性能較高的單片機系列之一，適用于高速、高精度的工業(yè)控制。其高檔型：8×196KB、8×196KC、8×196MC等在通用開環(huán)交流調(diào)速系統(tǒng)中的應用較多。

　　由于交流電機控制理論不斷發(fā)展，控制策略和控制算法也日益復雜。擴展卡爾曼濾波、FFT、狀態(tài)觀測器、自適應控制、人工神經(jīng)網(wǎng)絡等等均應用到了各種交流電機的矢量控制或直接轉矩控制當中。因此，DSP芯片在全數(shù)字化的高性能交流調(diào)速系統(tǒng)中找到施展身手的舞臺。如TI公司的MCS320F240等DSP芯片，以其較高的性能價格比成為了全數(shù)字化交流調(diào)速系統(tǒng)的首選。最近TI公司推出的MCS320F240X系列產(chǎn)品更將價格降低到了單片機的水平。

　　在交流調(diào)速的全數(shù)字化的過程當中，各種總線也扮演了相當重要的角色。STD總線、工業(yè)PC總線、現(xiàn)場總線以及CAN總線等在交流調(diào)速系統(tǒng)的自動化應用領域起到了重要的作用。

　　3 PWM技術

　　PWM控制是交流調(diào)速系統(tǒng)的控制核心，任何控制算法的最終實現(xiàn)幾乎都是以各種PWM控制方式完成的。目前已經(jīng)提出并得到實際應用的PWM控制方案就不下十幾種，關于PWM控制技術的文章在很多著名的電力電力國際會議上，如PESC，IECON，EPE年會上已形成專題。尤其是微處理器應用于PWM技術并使之數(shù)字化以后，花樣是不斷翻新，從最初追求電壓波形的正弦，到電流波形的正弦，再到磁通的正弦；從效率最優(yōu)，轉矩脈動最少，再到消除噪音等，PWM控制技術的發(fā)展經(jīng)歷了一個不斷創(chuàng)新和不斷完善的過程。到目前為止，還有新的方案不斷提出，進一步證明這項技術的研究方興未艾。

　　其中，空間矢量PWM技術以其電壓利用率高、控制算法簡單、電流諧波小等特點在交流調(diào)速系統(tǒng)中得到了越來越多的應用。

　　4 高壓大容量交流調(diào)速系統(tǒng)

　　在小功率交流調(diào)速方面，由于國外產(chǎn)品的規(guī)模效應，使得國內(nèi)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(wǎng)電壓等級一般為3000V，而我國的電網(wǎng)電壓等級為6000V和10000V；其次，高壓大功率交流調(diào)速系統(tǒng)無法進行大規(guī)模的批量生產(chǎn)，而國外的勞動力成本，特別是具有一定專業(yè)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：

　　（1）多電平電壓型逆變器

　�。�2）變壓器耦合的多脈沖逆變器

　�。�3）交交變頻器

　�。�4）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(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：

　　1. 更適合大容量、高電壓的場合。

　　2.可產(chǎn)生M層梯形輸出電壓，對階梯波再作調(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，因為開關元件一次動作的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(lián)的單元逆變橋數(shù)目同等增加即可。其優(yōu)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(diào)速控制；

　　2. 模塊化程度好，維修方便；

　　3. 對相同電平數(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，可實現(xiàn)更多電平，上更高電壓，實現(xiàn)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(yōu)點就是開關功率大（可達5000V/5000A），適合于大容量交流電機調(diào)速系統(tǒng)。同時，大功率晶閘管的生產(chǎn)和技術功能技術相當成熟，通過與現(xiàn)代交流電機控制理論的數(shù)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(diào)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(shù)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(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(diào)速范圍的限制，不具備軟起動的能力。

　　5 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平滑調(diào)速的問題。然而，當生產(chǎn)機械對調(diào)速系統(tǒng)的動靜態(tài)性能提出更高要求時，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)律是從異步電機穩(wěn)態(tài)等效電路和穩(wěn)態(tài)轉矩公式出發(fā)推導出穩(wěn)態(tài)值控制，完全不考慮過渡過程，系統(tǒng)在穩(wěn)定性、起動及低速時轉矩動態(tài)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(shù)系統(tǒng)，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(jù)與給定值比較所得差值，實現(xiàn)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(diào)速系統(tǒng)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(shù)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(qū)補償策略

　�。�6）多電平逆變器的高性能控制策略

　　6 展望

　　在交流調(diào)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(diào)速裝置的制造需要大批的技術熟練工人，對人員的素質(zhì)有一定要求。而國外相關產(chǎn)業(yè)的人工成本相對較高，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(diào)速系統(tǒng)的制造業(yè)中心，使我國工業(yè)上一個新的臺階。需要注意的是發(fā)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(fā)的力度。

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