淺析高性能大容量交流電機調速技術的現狀及展望

徐濤

摘 要：隨著我國經濟社會的不斷發展，人們對電能的需求也在不斷上升，這就對高性能大容量交流電機的調速技術提出了新的要求。文章首先對高性能大容量交流電機調速技術的發展現狀進行了分析與研究，再對PWM控制技術進行了探索，最后對我國高性能大容量交流電機調速技術的未來發展趨勢進行了展望。

關鍵詞：高性能；大容量交流電機；調速技術

引言

當前來講，人類所面臨的兩個重要發展問題便是能源消耗及環境污染。我國針對這種情況，提出了節能降耗的發展目標，其中的一項重要內容便是逐步發展高性能大容量交流電機調速技術，從而通過較低的能源消耗來支撐我國國民經濟的持續健康發展[1]。但是，我國的高性能大容量交流電機調速技術與國外相比，還存在一定的差距，特別是在對技術的研究與應用上面，還存在許多不足之處。所以，我國需要逐步重視強化對高性能大容量交流電機調速技術的研究與應用，從而實現國民經濟的飛速發展。

1 高性能大容量交流電機調速技術的發展現狀

1.1 傳統的大功率逆變電路

一般來講，傳統的大功率交流電機調速系統通常采用的變換器有以下幾種：首先是普通的交直交三相逆變器，其次是能夠實現降壓升壓的普通變頻器，再次是交交變頻器，最后是能夠實現變壓器耦合的多脈沖逆變器。我國對上面幾種大功率變換電路的研究較為成熟，但在如何實現大功率交流傳動時，卻還沒有取得實質性的突破。除此之外，由于傳統大功率逆變電路的構造復雜，所需的各類裝置較多，所以會在一定程度上影響到相應的控制可靠性，同時還有可能會污染電網，導致功率因數較低，無功損耗量加大等現象[2]。所以，我們需要增加相應的諧波治理裝置，這就會影響到設備的實際運行成本。一些專家開始注重新型高壓大功率逆變器的運用，特別是對電壓型多電平變換器拓撲的研究，得到了他們的廣泛關注。

1.2 新型的多電平電壓型逆變器

1.2.1 二極管鉗位的多電平逆變器

目前應用較為廣泛、出現時間較早的便是二極管鉗位式的多電平結構。這種結構主要是利用多個二極管來鉗位好相應的開關元件，從而使之輸出合適的M電平的相電壓。雖然二極管鉗位式的拓撲結構具備了多電平逆變器較多的共同特點，但與此同時，其自身也存在相應的不足之處[3]。這些不足之處主要體現在以下幾個方面：一是二極管鉗位在具體承受相應的電壓時，會出現承受電壓不均勻的情況。二是由于器件之間所需要的額定電流之間存在一定的差異，所以在按照最大的額定值進行電流設定時，容易產生開關元件容量上的浪費，從而導致了實際利用效率較低的現象出現。三是由于直流側電容在一個周期中的流入與流出電流可能存在差異，就會出現不同級的直流側電容電壓在實施有功傳遞時出現功率不均衡的情況。要想逐步改善其存在的不足之處，就需要在兩個相鄰鉗位的二極管兩端加上相應的鉗位電容來改進拓撲結構。除此之外，還可以將兩個相同的變換器通過背對背的使用形式來促進結構的改善。

1.2.2 電容鉗位的多電平逆變器

電容鉗位的多電平逆變器的工作原理與二極管鉗位電路存在諸多相似之處，這種逆變器雖然可以節省較多的二極管，但還需要引進較多的電容。這對于高壓大容量系統來說，會出現占地面積大，運行成本高，封裝困難等情況。引進電容可以增加合成電壓的可選性，使得在具體選擇開關的過程中，擁有了較大的靈活性[4]。我們可以在同一電平上實施符合實際情況的開關組合，從而保證電容電壓能夠維持一個均衡的狀態，進而更好實現系統的有功調節與變頻調速。

1.2.3 電壓自平衡式的多電平變頻器拓撲

電壓自平衡式的多電平變頻器拓撲不需要通過附加電路，便可以有效抑制直流側電容的電壓偏移現象，這從理論上實現了多電平結構的實用性。中點電壓的控制是高壓大容量多電平電路中的一個技術難點，就像是三電平及以上電平數的拓撲結構，如果沒有有效控制好中點電壓的話，就會使這種結構在大容量的電能變換中，缺乏實用性[5]。針對這些情況，當拓撲結構的電壓大于三電平時，我們就需要對相關直流電源進行隔離處理，與此同時，還可以通過附加電路結構的方式來保證中點電壓的平衡。這些措施的運用，可以使拓撲結構自身擁有調節電壓平衡的功能，從而在應對各種類型的逆變器控制結構及負載現狀時，都可以實現對中點電壓的有效控制。

2 PWM控制技術

高性能大容量交流電機調速技術的發展，也促進了PWM控制技術的創新。傳統的PWM控制技術主要運用在對兩電平逆變器的門極控制上面，它的原理是比較載波和調制波，進而得出二者之間相應的交點。另外，還可以通過微機計算的方式來獲得門極觸發脈沖控制的具體信號。隨著近幾年我國PWM控制技術的發展，它可以有效按照相應的諧波含量、諧波畸變率及轉矩脈動等目標函數來優化PWM的控制波形。就像是電壓的實際利用率升高時，便可以通過有效減少開關次數來達到特定的優化目標。但隨著電平數量的不斷增加，進而也加大了開關模式的相應計算量，而且所需的內存也會出現增加現象。因為開關模式的實際冗余選擇性比較大，因此合理選擇好具體矢量，便可以達到有效消除共模電壓的目的。與此同時，對于二極管鉗位式的多電平逆變器來說，便可以逐步減少或者是消除直流側電容電壓的不平衡性。

3 高性能大容量交流電機調速技術的展望

隨著我國在研制功率器件及拓撲結構上面所取得的突破，也使得高性能大容量交流電機調速技術呈現蓬勃發展的態勢。一般來講，我國傳統的大功率逆變電路具有性能差、體積較大的特點，同時還容易對相應的電網產生過多的諧波，所以在實際應用過程中越來越受到現實條件的制約。但是，新型多電平逆變器具備了較好的動態性能，可以有效減少在實際工作中，電網及電機上所產生的諧波，再加上高壓性能等特點，因此得到了社會各界的充分肯定。當我們將PWM控制技術運用多電平逆變器中時，可以提出一些相應的改進方案，從而促進了高性能大容量逆變器的廣泛應用。當前我國主要是運用低壓、小容量調速的電動機調速技術，要想運用高壓、高效的變頻調速設備，就需要依靠進口。雖然我國與其他國家相比，在技術應用方面還存在相應的差距，但我國具有自身的資源優勢，可以通過有效借鑒國外的先進發展經驗來促進調速技術的研究與應用。

4 結束語

總而言之，隨著我國節能降耗措施的提出，低碳經濟的逐步發展，使得我國發展與應用高性能大容量交流電機調速技術的條件已然成熟。我們需要逐步加大對調速技術的研究力度，才能實現經濟效益與社會效益的和諧統一。

參考文獻

[1]吳鏡峰.對高性能交流電動機調速系統發展現狀的探討[J].河北工業大學成人教育學院學報，2012，4：8-11.

[2]李永東.高性能大容量交流電機調速技術的現狀及展望[J].電工技術學報，2013，2：1-10.

[3]李永東，李敏.高性能大容量交流電機調速技術-現狀及展望[A].中國電工技術學會.中國電工技術學會電力電子學會五屆三次理事會議暨學術報告會論文集[C].中國電工技術學會，2011：12.

[4]李永東.高性能大容量交流電機調速節能技術—現狀及展望[A].中國電工技術學會.第九屆全國電技術節能學術會議論文集[C].中國電工技術學會，2011：9.

[5]李永東，李敏.大容量交流電動機調速技術現狀及展望[J].電氣時代，2011，10：2-5.