现代交流调速技术的发展与现状

1 现代交流调速技术的发展

20 世纪60 年代中期,德国的A Schonung 等人率先提出了脉宽调制变

频的思想,他们把通信系统中的调制技术推广应用于变频调速中,为现

代交流调速技术的发展和实用化开辟了新的道路。从此,交流调速理

论及应用技术大致沿下述四个方面发展。

1. 1 电力电子器件的蓬勃发展

电力电子器件是现代交流调速装置的支柱,其发展直接决定和影响交

流调速技术的发展。迄今为止,电力电子器件的发展经历了分立换流

关断器件(第一代) →自关断器件(第二代) →功率集成电路PIC(第三代) →智能模块IPM(第四代) 四个阶段。20 世纪80 年代中期以前,变

频装置功率回路主要采用晶闸管元件。装置的效率、可靠性、成本、体积均无法与同容量的直流调速装置相比。20 世纪80 年代中期以后

用第二代电力电子器件GTR ( Giant Transistor) 、GTO ( Gate TurnOff thyistor) 、VDMOS - IGBT( Insulated Gate Bipolar Transis2tor) 等创造

的变频装置在性能与价格比上可以与直流调速装置相媲美。随着向

大电流、高电压、高频化、集成化、模块化方向继续发展,第三代电

力电子器件是20 世纪90 年代制造变频器的主流产品, 中、小功率的

变频调速装置( 1 —100kw) 主要是采用IGBT , 中、大功率的变频调

速装置(1000 —10000kw) 采用GTO 器件。20 世纪90 年代至今,电力

电子器件的发展进入了第四代。主要实用的第四代器件为: (1) 高压IGBT 器件, (2) IGCT( Insulated Gate ControlledTransistor) 器件, (3) IEGT ( Injection Enhanced Gate Transis2tor) 器件, (4)

SGCT(Symmetrical Gate Commutated Thyristor)器件。由于GTR、

GTO 器件本身存在的不可克服的缺陷,功率器件进入第三代以来, GTR 器件已被淘汰不再使用。进入第四代后,GTO 器件也将被逐步

淘汰。第四代电力电子器件模块化更为成熟。如智能化模块IPM、

专用功率器件模块ASPM 等。模块化功率器件将是21 世纪主宰器件。需要指出的是,以上所述的全控型开关功率器件主要应用于异步电动

机变频调速系统中,其原因众所周知。但是目前同步电动机变频调速

系统中仍采用晶闸管,其原因也是众所周知的。一代电力电子器件带

来一代变频调速装置,性价比一代高过一代。在人类社会进入信息化

时代后,电力电子技术连同电力传动控制与计算机技术一起仍是21 世

纪最重要的两大技术。

1. 2 脉宽调制(PWM) 技术

脉宽调制(PWM) 技术的发展和应用优化了变频装置的性能,变频调速系统采用PWM 技术不仅能够及时准确地实现变压变频控制要求,而

且更重要的意义是抑制逆变器输出电压或电流中的谐波分量,从而降

低或消除了变频调速时电机的转矩脉动,提高了电机的工作效率,扩大

了调速系统的调速范围。脉宽调制(PWM) 技术种类很多,并且正在不断发展之中。基本上可分为四类, 即等宽PWM 法、正弦PWM 法(SPWM) 、磁链追踪型PWM 法及电流跟踪型PWM 法。PWM 技术的应用克服了相控原理的所有弊端,使交流电动机定子得到了接近正弦波形的电压和电流,提高了电机的功率因数和输出功率。现代PWM 生成电路大多采用具有高度输出口HSO 的单片机(如80196) 及数字

信号处理器DSP(Digital Signal Processor) ,通过软件编程生成PWM。近年来,新型全数字化专用PWM 生成芯片HEF4752 、SL

E4520MA818 等达到实用化,并已实际应用。

1. 3 矢量变换控制技术及直接转矩控制技术

众所周知,直流电动机双闭环调速系统具有优良的静、动态调速特性,其根本原因在于作为控制对象的他励直流电动机电磁转矩能够容易而灵活地进行控制。而交流电动机是个多变量、非线性、强藕合的被控对象,作为变频系统的控制对象———它是否可以模仿直流电动机转矩控制规律而加以控制呢?

1975 年,德国学者F Blaschke 提出了矢量变换控制原理,成功地解决了交流电动机电磁转矩的有效控制,在定向于转子磁通的基础上,采用参数重构和状态重构的现代控制理论概念实现了交流电动机定子电流的励磁分量和转矩分量之间的解藕,实现了将交流电动机的控制过程

等效为直流电动机的控制过程,在理论上实现了重大突破,从而使得交

流调速的动态和静态性能完全可能同直流传动系统相媲美。

矢量控制的关键是静止坐标轴与旋转坐标轴系之间的坐标变换,而两

坐标轴系之间的变换的关键是要找到两坐标轴之间的夹角。目前,较

为成熟的矢量变换控制法有:转子磁场定向矢量变换控制,定子磁场定向矢量变换控制,滑差频率矢量控制。受矢量控制的启迪,近年来又派

生出诸如多变量解藕控制、变结构滑模控制等方法。

1985 年,德国鲁尔大学的M Depenbrock 教授通过对瞬时空间理论的

研究,提出了直接转矩控制理论[7 ] ,其原理是让电动机的磁链矢量沿

六边形运动。随后日本学者I Taka2hashi 提出了磁链轨迹的圆形方案。与矢量变换控制不同,直接转矩控制不须考虑如何将定子电流分解为

励磁电流分量和转矩电流分量,而是以转矩和磁通的独立跟踪自调整

并借助于转矩的Band - Band 控制来实现转矩和磁通直接控制。从理

论上看(在定子坐标系下分析交流电机的数学模型) ,直接转矩控制是

控制电机的磁链和转矩,而电机主要控制的是转矩,控制了转矩,也就

控制了速度。由于采用转矩直接控制,可使逆变器切换频率低,电机磁

场接近圆形,谐波小,损耗小,噪声及温升均比一般逆变器驱动的电机

小的多。

多年的实际应用表明,与矢量控制法相比直接转矩控制可获得更大的