交流调速论文

交流调速技术概述与发展方向

摘要：从电力电子技术、微处理器技术和现代电机控制理论等相关技术的角度阐述了交流调速技术的发展情况与动向, 介绍了先进控制理论在运动控制中的应用, 展现出交流调速技术更为广阔的前景。并简要说明了交流调速节能技术的应用以及变频技术在交流调速系统中的应用和高电压、大容量交流同步电动机的调速方法。

关键词：交流调速；节能；变频；大容量

一、交流调速技术概述

随着生产技术的不断发展，直流拖动的薄弱环节逐步显现出来。由于换向器的存在，使直流电动机的维护工作量加大，单机容量、最高转速以及使用环境都受到限制。人们转向结构简单、运行可靠、便于维护和价格低廉的异步电动机，但异步电动机的调速性能难以满足生产要求。于是，从20世纪30年代开始，人们就致力于交流调速技术的研究，然而进展缓慢。在相当长时期内，在变速传动领域，直流调速一直以其优良的性能领先于交流调速。60年代以后，特别是70年代以来，电力电子技术和控制技术的飞速发展，使得交流调速性能可以与直流调速相媲美、相竞争。目前，交流调速逐步代替直流调速的时代已经到来。

1、电力电子器件的代换

20世纪50年代末出现了晶闸管，由晶闸管构成的静止变频电源输出方波或阶梯波的交变电压，取代旋转变频机组实现了变频调速，然而晶闸管属于半控型器件，可以控制导通，但不能由门极控制关断。因此，由普通晶闸管组成的逆变器用于交流调速必须附加强迫换向电路。70 年代后期，用第二代电力电子器件G TR，门极可关断晶闸管（GTO）、功率MOS场效应管为代表的全控型器件先后问世，并迅速发展，通过对这些器件门极（基极、栅极）的控制，既能控制导通又能控制关断，又称自关断器件。它不再需要强迫换向电路，使得逆变器构成简单，结构紧凑。此外，这些器件的开关速度普遍高于晶闸管，可用于开关速度较高的电路。在80年代后期，以绝缘栅双极晶体管（IGBT）为代表的复合型器件异军突起。IGBT 兼有MOSFET 和GTR的优点，它把MOSFET 的驱动功率小、开关速度快的优点和GTR通态压降小、载流能力大的优点集于一身，性能十分优越，目前是用于中

小功率范围最为流行的器件。与IG2BT相对应，MOS控制晶体管（MCT）则综合了晶闸管的高电压、大电流特性和MOSFET 的快速开关特性，是极有发展前景的大功率、高频功率开关器件。电力电子器件正在向大功率、高频化和智能化发展。

80 年代以后进入第三代，出现的功率集成电路，集功率开关器件、驱动电路、保护电路、接口电路于一体。90 年代至今进入第四代。实用的第四代器件有：高压IGBT 器件、IGCT 器件、IEGT器件和SGCT 器件等。已用于交流调速的智能功率模块（intelligent power module，IPM）采用IGBT作为功率开关，含有驱动电路及过载、短路、超温和欠电压保护电路，实现了信号处理、故障诊断和自我保护等多种智能功能，既减小了体积，减轻了质量，又提高了可靠性，使用维护也更加方便。模块化功率器件将成为主宰器件。

现代的电力电子变换装置中，PWM 变压变频技术是主要使用的变换器控制技术，常用的PWM 控制技术有：

1）基于正弦波对三角波脉宽调制的SPWM 控制；

2）基于消除指定次数谐波的HEPWM控制；

3）基于电流环跟踪的CHPWM控制；

4）电压空间矢量控制SVPWM 控制。

在以上的4种PWM变换器中，前两种是以输出电压接近正弦波为控制目标的，第3种以输出正弦波电流为控制目标，第4种则以被控电机的算法简单，与直接的正弦脉宽调制（sPwM ）技术相比，svPwM 在输出电压或电机线圈的电流都将产生更少的谐波，提高了对电压源逆变器直流供电电源的利用率。因此目前应用最广。

2、矢量控制技术

由于交流电动机是多变量、强耦合的非线性系统，与直流电动机相比，转矩控制要困难得多。20世纪70年代初提出的矢量控制理论解决了交流电动机的转矩控制问题，应用坐标变换将三相系统等效为两相系统，再经过按转子磁场定向的旋转变换，实现了定子电流励磁分量与转矩分量之间的解耦，从而达到对交流电动机的磁链和电流分别控制的目的。这样就可以将一台三相异步电动机等效为直流电动机来控制，获得了与直流调速系统同样优良的静、动态性能，开创了交流调速与直流调速相竞争的时代。

2.1 矢量控制新技术

磁通的快速控制：在直接磁场定向矢量控制异步电动机变频调速系统中，利用磁链预测值进行磁通快速控制的方法。参数辨识和调节器自整定：基于模型参考自适应算法的一惯性系统及二惯性系统转动惯量参数的辨识方法。非线性自抗扰控制器：在异步电动机系统的动态方程中，用自抗扰控制器取代经典PID控制器进行控制。矩阵式变换器：一种适用于矩阵式变换器驱动异步电动机调速系统的组合控制策略，同时实现了矩阵式变换器的空间矢量调制和异步电动机的直接磁场定向矢量控制。

2.2 矢量控制技术的发展

采用高速电动机控制专用DSP、嵌入式实时软件操作系统，开发更实用的转子磁场定向方法和精确的磁通观测器，使变频器获得高起动转矩、高过载能力，将是未来矢量控制技术的重要发展方向。无速度传感器的交流异步电动机驱动系统和永磁电动机驱动系统控制也是开发热点之一。永磁电动机驱动系统由于它的高效、高功率因数、高可靠性而得到越来越多的关注。无刷电动机的无位置传感器控制和正弦波电流控制，在应用方面已趋成熟。开关磁阻电动机在许多领域应用也取得了很多进展。

3、直接转矩控制技术的现状与展望

直接转矩控制是20世纪80年代中期提出的又一转矩控制方法，是继矢量控制技术之后发展起来的又一种高性能的交流变频调速技术。1985年由德国鲁尔大学的M.Depenbrock教授首次提出，接着1987年把它推广到弱磁调速范围。不同于矢量控制技术，直接转矩控制有着自己的特点。它在很大程度上解决了矢量控制中计算复杂、特性易受电动机参数变化的影响、实际性能难以达到理论分析结果的一些重大问题。其思路是把电机与逆变器看作一个整体，采用空间电压矢量分析方法在定子坐标系进行磁链、转矩计算，通过磁链跟踪型PWM逆变器的开关状态，实现直接控制转矩。因此，无需对定子电流进行解耦，免去了矢量控制的复杂计算，控制结构简单，便于实现全数字化。直接转矩控制技术一诞生，就以自己新颖的控制思想、简洁明了的系统结构、优良的静动态性能受到普遍的注意和得到迅速的发展。

3.1 直接转矩控制新技术