淺談交流調速傳動的現狀和發展

閆玉光

摘要：交流電動機固有的優點是：結構簡單，造價低，堅固耐用，事故率低，容易維護；但它的最大缺點在于調速困難，簡單調速方案的性能指標不佳，這只能夠依靠交流調速理論的突破和調速裝置的完善來解決。本文論述了交流調速傳動的現狀和發展

關鍵詞：交流傳動；半導體；電動機

交流傳動系統之所以發展得如此迅速，和一些關鍵性技術的突破性進展有關。它們是功率半導體器件（包括半控型和全控型）的制造技術、基于電力電子電路的電力變換技術、交流電動機控制技術以及微型計算機和大規模集成電路為基礎的全數字化控制技術。為了進一步提高交流傳動系統的性能，國內外有關研究工作正圍繞以下幾個方面展開：

1 采用新型功率半導體器件和脈寬調制（PWM）技術

功率半導體器件的不斷進步，尤其是新型可關斷器件，如BJT（雙極型晶體管）、MOSFET（金屬氧化硅場效應管）、IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）的實用化，使得開關高頻化的PWM技術成為可能。目前功率半導體器件正向高壓、大功率、高頻化、集成化和智能化方向發展。典型的電力電子變頻裝置有電壓型交-直-交變頻器、電流型交-直-交變頻器和交-交變頻器三種。電流型交-直-交變頻器的中間直流環節采用大電感作儲能元件，無功功率將由大電感來緩沖，它的一個突出優點是當電動機處于制動（發電）狀態時，只需改變網側可控整流器的輸出電壓極性即可使回饋到直流側的再生電能方便地回饋到交流電網，構成的調速系統具有四象限運行能力，可用于頻繁加減速等對動態性能有要求的單機應用場合，在大容量風機、泵類節能調速中也有應用。電壓型交-直-交變頻器的中間直流環節采用大電容作儲能元件，無功功率將由大電容來緩沖。對于負載電動機而言，電壓型變頻器相當于一個交流電壓源，在不超過容量限度的情況下，可以驅動多臺電動機并聯運行。電壓型PWM變頻器在中小功率電力傳動系統中占有主導地位。但電壓型變頻器的缺點在于電動機處于制動（發電）狀態時，回饋到直流側的再生電能難以回饋給交流電網，要實現這部分能量的回饋，網側不能采用不可控的二極管整流器或一般的可控整流器，必須采用可逆變流器，如采用兩套可控整流器反并聯、采用PWM 控制方式的自換相變流器（“斬控式整流器”或 “PWM整流器”）。網側變流器采用PWM控制的變頻器稱為“雙PWM控制變頻器”，這種再生能量回饋式高性能變頻器具有直流輸出電壓連續可調，輸入電流（網側電流）波形基本為正弦，功率因數保持為1并且能量可以雙向流動的特點，代表一個新的技術發展動向，但成本問題限制了它的發展速度。通常的交-交變頻器都有輸入諧波電流大、輸入功率因數低的缺點，只能用于低速（低頻）大容量調速傳動。為此，矩陣式交-交變頻器應運而生。矩陣式交-交變頻器功率密度大，而且沒中間直流環節，省去了笨重而昂貴的儲能元件，為實現輸入功率因數為1、輸入電流為正弦和四象限運行開辟了新的途徑。

隨著電壓型PWM變頻器在高性能的交流傳動系統中應用日趨廣泛，PWM技術的研究越來越深入。PWM利用功率半導體器件的高頻開通和關斷，把直流電壓變成按一定寬度規律變化的電壓脈沖序列，以實現變頻、變壓并有效地控制和消除諧波。PWM技術可分為三大類：正弦PWM、優化PWM及隨機PWM。正弦PWM包括以電壓、電流和磁通的正弦為目標的各種PWM方案。正弦PWM一般隨著功率器件開關頻率的提高會得到很好的性能，因此在中小功率交流傳動系統中被廣泛采用。但對于大容量的電力變換裝置來說，太高的開關頻率會導致大的開關損耗，而且大功率器件如GTO的開關頻率目前還不能做得很高，在這種情況下，優化PWM技術正好符合裝置的需要。特定諧波消除法（Selected Harmonic Elimination PWM——SHE PWM）、效率最優PWM和轉矩脈動最小PWM都屬于優化PWM技術的范疇。普通PWM變頻器的輸出電流中往往含有較大的和功率器件開關頻率相關的諧波成分，諧波電流引起的脈動轉矩作用在電動機上，會使電動機定子產生振動而發出電磁噪聲，其強度和頻率范圍取決于脈動轉矩的大小和交變頻率。如果電磁噪聲處于人耳的敏感頻率范圍，將會使人的聽覺受到損害。一些幅度較大的中頻諧波電流還容易引起電動機的機械共振，導致系統的穩定性降低。為了解決以上問題，一種方法是提高功率器件的開關頻率，但這種方法會使得開關損耗增加；另一種方法就是隨機地改變功率器件的導通位置和開關頻率，使變頻器輸出電壓的諧波成分均勻地分布在較寬的頻帶范圍內，從而抑制某些幅值較大的諧波成分，以達到抑制電磁噪聲和機械共振的目的，這就是隨機PWM 技術。

2應用矢量控制技術、直接轉矩控制技術及現代控制理論

交流傳動系統中的交流電動機是一個多變量、非線性、強耦合、時變的被控對象，VVVF控制是從電動機穩態方程出發研究其控制特性，動態控制效果很不理想。20世紀70年代初提出用矢量變換的方法來研究交流電動機的動態控制過程，不但要控制各變量的幅值，同時還要控制其相位，以實現交流電動機磁通和轉矩的解耦，促使了高性能交流傳動系統逐步走向實用化。目前高動態性能的矢量控制變頻器已經成功地應用在軋機主傳動、電力機車牽引系統和數控機床中。此外，為了解決系統復雜性和控制精度之間的矛盾，又提出了一些新的控制方法，如直接轉矩控制、電壓定向控制等。尤其隨著微處理器控制技術的發展，現代控制理論中的各種控制方法也得到應用，如二次型性能指標的最優控制和雙位模擬調節器控制可提高系統的動態性能，滑模（Sliding mode）變結構控制可增強系統的魯棒性，狀態觀測器和卡爾曼濾波器可以獲得無法實測的狀態信息，自適應控制則能全面地提高系統的性能。另外，智能控制技術如模糊控制、神經元網絡控制等也開始應用于交流調速傳動系統中，以提高控制的精度和魯棒性。

3廣泛應用微電子技術

隨著微電子技術的發展，數字式控制處理芯片的運算能力和可靠性得到很大提高，這使得全數字化控制系統取代以前的模擬器件控制系統成為可能。目前適于交流傳動系統的微處理器有單片機、數字信號處理器（Digital Signal Processor--DSP）、專用集成電路（Application Specific Integrated Circuit--ASIC）等。其中，高性能的計算機結構形式采用超高速緩沖儲存器、多總線結構、流水線結構和多處理器結構等。核心控制算法的實時完成、功率器件驅動信號的產生以及系統的監控、保護功能都可以通過微處理器實現，為交流傳動系統的控制提供很大的靈活性，且控制器的硬件電路標準化程度高，成本低，使得微處理器組成全數字化控制系統達到了較高的性能價格比。

4開發新型電動機和無機械傳感器技術

交流傳動系統的發展對電動機本體也提出了更高的要求。電動機設計和建模有了新的研究內容，如三維渦流場的計算、考慮轉子運動及外部變頻供電系統方程的聯解、電動機阻尼繞組的合理設計及籠條的故障檢測等。為了更詳細地分析電動機內部過程，如繞組短路或轉子斷條等問題，多回路理論應運而生。隨著20世紀80年代永磁材料特別是釹鐵硼永磁的發展， 永磁同步電動機（Permanent-MagnetSynchronous Motor--PMSM）的研究逐漸熱門和深入，由于這類電動機無需勵磁電流，運行效率、功率因數和功率密度都很高，因而在交流傳動系統中獲得了日益廣泛的應用。此外，開關變磁阻理論使開關磁阻電動機（Switched Reluctance Motor--SRM）迅速發展，開關磁阻電動機與反應式步進電動機相類似，在加了轉子位置閉環檢測后可以有效地解決失步問題，可方便地起動、調速或點控，其優良的轉矩特性特別適合于要求高靜態轉矩的應用場合。在高性能的交流調速傳動系統中，轉子速度（位置）閉環控制往往是必需的。為了實現轉速（位置）反饋控制，須用光電編碼器或旋轉變壓器等與電動機同軸安裝的機械速度（位置）傳感器來實現轉子速度和位置的檢測。但機械式的傳感器有安裝、電纜連接和維護等問題，降低了系統的可靠性。對此，許多學者開展了無速度（位置）傳感器控制技術的研究，即利用檢測到的電動機出線端電量（如電機電壓、電流），估測出轉子的速度、位置，還可以觀測到電動機內部的磁通、轉矩等，進而構成無速度（位置）傳感器高性能交流傳動系統。該技術無需在電動機轉子和機座上安裝機械式的傳感器，具有降低成本和維護費用、不受使用環境限制等優點，將成為今后交流電氣傳動技術發展的必然趨勢。