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變頻調速系統的發(fā)展現狀與前景展望論文
摘要：詳細介紹了目前變頻調速領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)問(wèn)題，分析了最新技術(shù)發(fā)展對變頻調速系統產(chǎn)業(yè)化所帶來(lái)的影響，并對變頻調速系統的發(fā)展前景進(jìn)行了預測。
關(guān)鍵詞：變頻調速系統 PWM 數字控制
1 前言
當前全球經(jīng)濟發(fā)展過(guò)程中，有兩條顯著(zhù)的相互交織的主線(xiàn)：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(cháng)，也為許多發(fā)達國家帶來(lái)了相當大的問(wèn)題。能源集中的地方也往往成為全世界所關(guān)注的熱點(diǎn)地區。而能源的開(kāi)發(fā)與利用又對環(huán)境的保護有著(zhù)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(kāi)發(fā)與利用有關(guān)。
能源工業(yè)作為國民經(jīng)濟的基礎，對于社會(huì )、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(cháng)的經(jīng)濟環(huán)境下，中國能源工業(yè)面臨經(jīng)濟增長(cháng)與環(huán)境保護的雙重壓力。有資料表明，受資金、技術(shù)、能源價(jià)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(kāi)采、加工轉換、儲運和終端利用過(guò)程中損失和浪費。如果進(jìn)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(chǎng)煤耗為412克標準煤/kWh，是國際先進(jìn)水平的1.27倍。
由此可見(jiàn)，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(hù)之一的電機在節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(shí)，約占工業(yè)耗電量的80%。我國各類(lèi)在用電機中，80%以上為0.55-220kW以下的中小型異步電動(dòng)機。我國在用電機拖動(dòng)系統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，電機系統節能方面的投入將高達500億元左右，所以變頻調速系統在我國將有非常巨大的市場(chǎng)需求。
目前，國內變頻調速系統的研究非�；钴S，但是在產(chǎn)業(yè)化方面還不是很理想，市場(chǎng)的大部分還是被國外公司所占據。因此，為了加快國內變頻調速系統的發(fā)展，就需要對國際變頻調速技術(shù)的發(fā)展趨勢和國內的市場(chǎng)需求有一個(gè)全面的了解。
2 全數字化控制系統
隨著(zhù)計算機技術(shù)的發(fā)展，無(wú)論是生產(chǎn)還是生活當中，人民對數字化信息的依賴(lài)程度越來(lái)越高。如果說(shuō)計算機是大腦，網(wǎng)絡(luò )是神經(jīng)，那么電機傳動(dòng)系統就是骨骼和肌肉。它們之間的完美結合才是現代產(chǎn)業(yè)發(fā)展方向。為了使交流調速系統與信息系統緊密結合，同時(shí)也為了提高交流調速系統自身的性能，必須使交流調速系統實(shí)現全數字化控制。
單片機已經(jīng)在交流調速系統中得到了廣泛地應用。例如由Intel公司1983年開(kāi)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(kāi)環(huán)交流調速系統中的應用較多。
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(guān)測器、自適應控制、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )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芯片在全數字化的高性能交流調速系統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(jià)格比成為了全數字化交流調速系統的首選。最近TI公司推出的MCS320F240X系列產(chǎn)品更將價(jià)格降低到了單片機的水平。
在交流調速的全數字化的過(guò)程當中，各種總線(xiàn)也扮演了相當重要的角色。STD總線(xiàn)、工業(yè)PC總線(xiàn)、現場(chǎng)總線(xiàn)以及CAN總線(xiàn)等在交流調速系統的自動(dòng)化應用領(lǐng)域起到了重要的作用。
3 PWM技術(shù)
PWM控制是交流調速系統的控制核心，任何控制算法的最終實(shí)現幾乎都是以各種PWM控制方式完成的。目前已經(jīng)提出并得到實(shí)際應用的PWM控制方案就不下十幾種，關(guān)于PWM控制技術(shù)的文章在很多著(zhù)名的電力電力國際會(huì )議上，如PESC，IECON，EPE年會(huì )上已形成專(zhuān)題。尤其是微處理器應用于PWM技術(shù)并使之數字化以后，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(dòng)最少，再到消除噪音等，PWM控制技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了一個(gè)不斷創(chuàng )新和不斷完善的過(guò)程。到目前為止，還有新的方案不斷提出，進(jìn)一步證明這項技術(shù)的研究方興未艾。
其中，空間矢量PWM技術(shù)以其電壓利用率高、控制算法簡(jiǎn)單、電流諧波小等特點(diǎn)在交流調速系統中得到了越來(lái)越多的應用。
4 高壓大容量交流調速系統
在小功率交流調速方面，由于國外產(chǎn)品的規模效應，使得國內廠(chǎng)家在價(jià)格上、工藝上和技術(shù)上均無(wú)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，高壓大功率交流調速系統無(wú)法進(jìn)行大規模的批量生產(chǎn)，而國外的勞動(dòng)力成本，特別是具有一定專(zhuān)業(yè)知識的勞動(dòng)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）雙饋交流變頻調速系統。
�。�1）多電平電壓型逆變器
日本長(cháng)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(chēng)中點(diǎn)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(kāi)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(wèn)題大大減輕，因為開(kāi)關(guān)元件一次動(dòng)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(kāi)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(kāi)關(guān)動(dòng)作、開(kāi)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)的單元逆變橋數目同等增加即可。其優(yōu)點(diǎn)為：
1. 不存在電壓均衡問(wèn)題。無(wú)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(wú)箝位二極管或電容的限制，可實(shí)現更多電平，上更高電壓，實(shí)現更低諧波；
5. 控制方法相對簡(jiǎn)單，可分別對每一級進(jìn)行PWM控制，然后進(jìn)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?yè)P機傳動(dòng)方面有很大的需求。晶閘管的最大優(yōu)點(diǎn)就是開(kāi)關(guān)功率大（可達5000V/5000A），適合于大容量交流電機調速系統。同時(shí)，大功率晶閘管的生產(chǎn)和技術(shù)功能技術(shù)相當成熟，通過(guò)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(diǎn)：調速范圍小，當電源為50Hz時(shí)，最大輸出頻率不超過(guò)20Hz；另一方面，功率因數低、諧波污染大，因此需要同時(shí)進(jìn)行無(wú)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(lái)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(zhuān)門(mén)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(dòng)的能力。
5 高性能交流調速系統
V/f恒定、速度開(kāi)環(huán)控制的通用變頻調速系統和滑差頻率速度閉環(huán)控制系統，基本上解決了異步電機平滑調速的問(wèn)題。然而，當生產(chǎn)機械對調速系統的動(dòng)靜態(tài)性能提出更高要求時(shí)，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(tài)等效電路和穩態(tài)轉矩公式出發(fā)推導出穩態(tài)值控制，完全不考慮過(guò)渡過(guò)程，系統在穩定性、起動(dòng)及低速時(shí)轉矩動(dòng)態(tài)響應等方面的性能尚不能令人滿(mǎn)意。
考慮到異步電機是一個(gè)多變量、強耦合、非線(xiàn)性的時(shí)變參數系統，很難直接通過(guò)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(kāi)來(lái)，進(jìn)行分別控制。這樣，通過(guò)坐標變換重建的電動(dòng)機模型就可等效為一臺直流電動(dòng)機，從而可象直流電動(dòng)機那樣進(jìn)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(jiǎn)單地通過(guò)檢測電機定子電壓和電流，借助瞬時(shí)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(shí)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(lǐng)域有待研究：
�。�1）磁通的準確估計或觀(guān)測
�。�2）無(wú)速度傳感器的控制方法
�。�3）電機參數的在線(xiàn)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
6 展望
在交流調速的研究與制造過(guò)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(shù)熟練工人，對人員的素質(zhì)有一定要求。而國外相關(guān)產(chǎn)業(yè)的人工成本相對較高，在近十年內，交流調速的制造業(yè)有可能向發(fā)展中國家轉移。對中國來(lái)說(shuō)，這也是一個(gè)機遇，如果我們抓住這個(gè)機會(huì )，再利用本身的市場(chǎng)有利條件，有可能在我國形成交流調速系統的制造業(yè)中心，使我國工業(yè)上一個(gè)新的臺階。需要注意的是發(fā)達國家在高技術(shù)領(lǐng)域是不會(huì )輕易放棄的，他們非常注意核心技術(shù)及軟件的保護和保密，為此，必須加大該領(lǐng)域的科研與開(kāi)發(fā)的力度。
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