变频技术落彝砰林赢犷犷西安交通大学电气工程学院王兆安杨万红一蔗燮燮里聋当立三一泌君摘要变频调速技术的发展主要体现在主电路的拓朴主电路应用的电力。,、、电子器件和控制方法等变频调速技术应用十分广泛是一项有重大效益的节能技术变频电路PWM:关键词交流调速、控制技术提供了科学依据炬计划资,,。一国内外交流调速技术的发展状况由于直流电机有良好的调速性能,交流调速技术涉及到电力、199年变8电子、信息与控制等多种。频调速装置被列人国家级火国家科委已大量投学科领域术、随着电力电子技因此,传统的需要自动控制技术和计算机技。先后引进了20条元器件。”,调速的场合都采用直流电动机,术的发展近代交流调速有了飞速的发展。生产线和装置的生产线在国早期的直流电动机调速系由于交流调速传家八五科技攻关计划中交流调速技术被列为重点科技攻关项目。“统为电动机一发电机系统供电后来发展为水银整流器供电,,动克服了直流电机的缺点(结构复杂、应用环境受限,、维护在九五计划中“”,60一70年代后逐渐发展,困难等)发挥了交流电机本、交流调速及相关技术国内也受到重视国内外交流调速发展的方式多种多样其有关技0个分支术可归纳为以下1·,。为晶闸管整流电路供电至今直流调速技术仍在广泛应用。身固有的优点(结构简单固耐用、坚经济可靠、动态响应但交流调速技术的发展给,好等)缺点。,并且很好地解决了交:传统的直流调速技术以极大的冲击正在逐渐取代直流调速。流电机原来调速性能不好的变频调速串级调速双馈调速·电气传动的交流化是客近代交流调速技术的发·观发展的必然趋势交流传动在与直流传动的对抗和竞争中,,·无换相电机交流步进拖动系统交流伺服系统高频化技术专用电源技术无功补偿和谐波抑制交流调速节能技术,,展与变频器技术的发展是分不开的、·。近年来交流调速中最已经逐渐占了上风,以往,··活跃发展最快的就是变频调采用直流传动的许多场合已·速变频调速是交流调速的基础和主干内容上世纪变压器的出现使改变电压变得很容,。被交流传动取代1979。。年以来,、,国内交流·调速发展较快由过去的分技术·易从而造就了一个庞大的电力行业。散、重复低水平的研究纳人,长期以来交流电的。,国家计划正在有步骤。“、有领其中变频调速是最有发展前途的一种交流调速方式频率一直是固定的变频技术的出现使频率变为可以充分利用的资源交流调速技术就是变频技术的一个最直接的。,导地进行开发研究于1988年组成了国家科委电力电子课题组,也是交流调速的基础和主干内容变频装置有交一直一交系统和交一交系统两大类交。。技术发展战略研究”为制定我国电力电子基础元器件和变频装置的发展规划应用场合34·一直一交系统在传统电压型《电子节能l)98年第4期.变频技术和电流型变频器的基础上正调整控制。这种系统结构简,、向着脉宽调制型变频,单,对电机参数变化不敏感,器和多重化技术方向发展而交一交变频器应用于低速大容量可逆系统有上升趋势。系统实现转矩磁通闭环控制可获得良好的调速性能而且是一种动态性能好的控制系统、PWM—类。,路和交一直一交变频电路两(l)交一交变频电路传统的交一交变频器即、周波变流器通常只用于某些大容量。变频器用于绕线式异步机上可有串级调速和双馈调。低频的交流传动场3一,二变频调速技术的发展状况变频调速技术的发展主要体现在如下几个方面、,合其输出最高频率仅为电源频率的1//12,速后者也称为超同步调速方式,。而且其控其定子由电网电源供电,,、制比较复杂输人电流中的谐波问题也比较突出,转子由变频器电源供电具有其它电机所没有的优点即在同步速度以上运行时不但可以运行在再生制动状态,,:主电。路的拓扑主电路中采用的电力电子器件控制方法等PWM,、近年来提出了一种基于矩阵变换思想的交一交变频,,。还可。变频调速技术的核心是控制技术变频器的主,器也称为矩阵式变流器起了人们越来越多的关注引以运行在电动运行状态这。与样,装置的容量不扩大。,而调电路拓扑和PWM控制的基其它方案相比它有许多本质的优越性流环节,,速的范围却扩大了变频器用于同步电动机并采用自控式即构成无换相器电机它是具。本原理很早就已经提出但是受电力电子器件发展水平的制约,例如:省去中间直,直接变压变频装置,在80年代以前一直未。体积减小。重量减轻,;由于只有位置检测器的同步电动机由变频器电源供电的电机系能实现直到进人80年代随,有一次功率变换因而控制效着全控型电力电子器件的出现和迅速发展,,率高等而其根本的改进则在于克服了周波变流器输出频率低的固有弊病。统型,是机电一体化的一个典PWM变频器。才得以实现并在不断的实践交流调速的控制技术也中迅速发展和提高所采用的器件也在不断地更新换代直到目前为止,,,这种变换器拓扑结构在理论上具有很大的优越性和很好的发展前景,,发展很快9711年西门子提。。出的矢量变换控制是一种新的控制思想和控制理论其基其主电路拓扑PWM。、但在具体实现时由于需用过多的双向全控制器件而且电路及控制较为复杂到达实用化还有一段距离。,采用的器件,、控制方式本思想是把交流电机模拟成直流电机进行控制它又分为磁场定向磷通检测式矢量控。等均已取得了长足的进步1采用的电力电子器件,目前,在中、小容量的变等作为路,(2)交一直一交变频电交一直一交变频电路又分为电压型和电流型两种这种变频电路先把交流整流为直流再把直流逆变为频率可变的交流电压型变频器在工业中应用最为广泛、,,制和滑差频率式矢量控制前者调速精度高但需准确检测磁通。,,频器中多采用IGBT主电路的功率器件几年前广后者只用测速电机控,,泛使用的BJ丁现已呈现出被IGBT制系统简单但调速精度不如前者两者均属高性能矢量控制交流调速系统1985。。取代的趋势。大容量的变频器中主要采用GTO和SCR。,,也有采用。。年提出的真接转矩IGBT的报道今后新器件。目前市,控制换,,其特点是不需坐标变,MCT等将会得到应用2场上出售的中小功率变频器绝大多数都是电压型变频器,将检测出来的定子电压和,主电路结构电流信号进行运算得出磁通量和转矩按变频器的主电路结构可以将其分为交一交变频电少数电流型变频器主要用于分别实现直接的自功率较大的交流调速传动感(电子节能)l”s年第4、期·35变频技术应加热用中频电源等场合其器件多采用SCR、理想的变频电路应具有输出电压输出电流为正弦1,,功率因数为—,也较大同时还需增设充放电回路,。级时传统的硬开关方式已无,。使设备可靠性降低。,寿法应用高频开关变频电路的主要发展途径是采用谐振型。命缩短近年来人们纷纷寻找,去掉该电容或大幅度减小该电容器容量的方法已提出了或软开关变频电路。PWM控,能量损耗小。,制的变频器在兆瓦级大功率范围的应用可以大幅度节能。可实现再生制动等特点目前多种方案P。如整流部分采用:交一直一交变频电路中交一直部分即整流部分多为二极管不控整流或晶闸管相控整流,,WM控制且开关频率足够,具有重大意义但是传统的大型变流装置往往由于功率因高时大幅度减小电容量的方法引人有源滤波器或无源滤波器的方法等。数和谐波电流的因素需要装设大功率的无功功率补偿器或有源滤波器使整个系统的复杂性提高。,,无法实现功率因数为,1,且输人电流中谐波含量也很这些方案的关键在于如何确定滤波器元件的参数以及如何尽可能减小滤波器的容量理论分析和实验研究均表明采用40%,,,,高。因此这类变频电路有采另外,出于开关用双PWM变流电路的趋损耗的考虑大功率变频器中器件的开关频率极为有限往往不超过几百赫兹在此开关频率下,,,势所谓的双断器件构成PWM控制,。PWM变流即整。流部分也采用电力电子自关,PWM整流电路的应用,。并对其进行有助于减小滤波器容量PWM整流相比,与不为改善PWM波形,、使交流输人电流,滤波器减小谐波分量现。可以通过增加,波形为正弦1,且功率因数为容量可缩小至不到原来的变频器的稳定性与传统。直流侧电平等级的方法来实以此思想为基础。这种变流电路也称单位功。提出了率因数整流器或高功率因数整流器尽管这样构成的变频器由于多采用一组自关断器,,的电压型变频器相同目前,三电平中点籍位式(NPC)变流电路这类直流环节无贮能元件的立案尚处于实验阶段,实验装这种三电平逆变器每相电压可以是三种电平相应的三相合成电压可以在复平面上占据19个不同的位置。,件而使成本提高,而且控制。置的功率也较小究课题。,扩大功率范也复杂一些、但这是一种无公在围并使其实用化是今后的研,害接近理想的变频电路限运行变频器中。,电需要能量向电网回馈的四象此外,目前在小功率家电、,机磁链圆形轨迹可以用更多数量的电压矢量更准确地逼近,这种双设备中尤其是具有双向节能潜力的暖风空调等系统中。PWM变频电路显示了较大这样得到的电流谐波分量,的优越性随着电力电子器件,变频调速也逐渐引起重视,无疑会减少尤其是在调制度(调制信号的幅值与载波的幅值之比)较大的时候另外同一桥臂开关器件相互串联适。,的价格进一步下降这种结构电力电子技术中的高频会得到越来越多的认可,,。最化趋势在变频调速技术中也得到了充分的体现提高电力电子器件的开关频率有利于改善波形,,近基于这种结构的兆瓦级变。频器已应用于轧钢厂取代了传统周波变流器在电压型,合于承受高电压如果再采用高电压大容量的GTO,。减小滤波电抗,、电器件,PWM变频电,容及变压器的体积节省原材料。即可将变流器直接接在较高电压的交流电网上。路中其直流侧通常笋并联一个较大容量的滤波电容起滤波和无功功率交换的作用一般电解电容器的寿命较普通电容器的短36·,但是高频化也导致两点:,这种装置、不利的后果一是器件的开关使变流器效率降。在目前的电力机车(其整流部分为单项桥式整流)轧机主,、。损耗增加,低;二是电磁干扰问题突出传动上具有良好的应用前景可以取代功率因数低而且所占的体积8当开关频率提高到接近兆赫谐波污《电子节能l)9年第4期.变频技术染严重的周波变频器。直流电压的比值)较低0866,为控制技术变频器中逆变器部分所采用的技术在过去的,。②谐波注人(HIPWM)方式PWM在正弦波,,几十年中得到了深人研究获得了长足的进展在传统的自然采样法、中加人一定比例的三次谐波,—,,更为连续便于减小噪音通常的做法是按1:,。其3的比例周期性地改变载波频率但是如此大的频率变化必定大大增加开关频率故这种方法似内应用器。,。调制信号便呈现出鞍形而且乎仅限于在很小的功率范围如开关电源等,规则采样法,、低次,幅值明显降低于是在调制信号的幅值不超过载波幅值的情况下可以使基波幅值超过三角波幅值在三相无中线系。,而不谐波消去法等方法的基础上新方法,适用于大功率的PWM逆变人们不断引人新概念开发出同时新判据和新准则,⑤滞环比较电流跟踪型PWM也不断出现因而内容繁多。,统中由于三次谐波电流无通路三个线电压和线电流中均不含三次谐波,,,控制这是一种带反控制方式即每相,,文献数量也很多在此仅就与PWM馈的PWM交流传动有关的综述。技术。采用这种调制电流反馈回来与电流给定值经滞环比较器比较得出相应及值得注意的若干问题作一(1)PWMPWM方法直流电压利用率可得到较大的提高。桥臂功率器件的开关状态使得实际电流跟踪给定电流的变化这种PWM方法实现方。,控制方法的。③空间矢量调制(SVM)SVM①正弦波与三角波比较方法。方法是1988年提出来,它是一种传统,与以上方法不同的是,便动态性能好,。但这种方法;的PWM方法以其简单性而SVM跳出用正弦波作为调制,:也存在一些缺点开关频率不颇为流行它实际上就是用一组经过调制的幅值相等宽度不等的脉冲信号代替调制信号,、信号的常规思路从电机的角度出发以直接控制电机磁链的圆形磁通轨迹为目的法也称为磁通轨迹法,固定造成较为严重的噪音,控制上缺乏整体性每相之间失去应有的联系等。。该方用开关量取代模拟量以实。它不仅型,⑥三角波比较电流跟踪P现功率的高效变换与控制方法。在控制上与SPMW得到异WM控制将上一种,:其调制准则是调制后的曲同工之妙也更为方便,而且更为直观,,PWM方式中的滞环控制换信号频率除含有调制信号频率频率很高的载波及其倍频附近的谐波分量外几乎不含其它的谐波的低次谐波,,、物理意义更为清晰。实现起来成态,Pl控制然后再用三角波更重要的是采调制得到相应的器件开关状用SVM方法可减小电机的就成为三角波比较电流跟。,特别是接近基波由于频率很高的,谐波损耗且其直流电压利用率也可得到提高采用传统的。踪型PWM控制此时开关频;率一定且因电机反电势只相PWM,谐波可以方便地滤除因而调制信号也就很容易再经功率放大后被重新复现在正弦波与三角波比较产生SPWM信号的调制方法中一旦正弦波幅值超过了三角波的幅值,,,④随机载波信号,当于闭环中的一个扰动能够被,,PWM方法时Pl调节器中的积分部分克。谐波的频谱较为集中这对抑制变频器的噪音极为不利随机载波PWM正是基于此种。。服因而这种方式能够克服上一种方式中开关频率不固定。、电流误差可能失控的缺点但是这种方式电流控制仍有静差,考虑提出来的该方法通过周期性地改变载波频率使得谐波频谱中幅度较大的谐波分量得以分散,,低次谐波就开始增加因此这种SPWM方式一般允许工电流响应也不如上一种快这种方式与上一种方式均属电流跟踪型PWM控制。。作的最大调制度为l,此时直频谱变疏,从而流电压利用率(输出线电压与使谐波沿频谱的频率轴分布⑦磁场定向电流控制(电子节能)198年第4期37变频技术方式性能交流传动中常用的方法它通过对励磁电流和转矩电流的闭环调节得到定子电流或电压指令然后再用前面任何一种前馈(2)PWM。—,。这是一种在高,IGBT等高速器件的应用,P异·变频空调纺织、步调制显示出越来越明显的优点。、·造纸、印刷化、工机械的中小电机调速③开关器件的关断延时电力电子器件的存贮效应变频调速技术是一项具有重大节能效益的技术在我国电能的使用中,。方式实现使得逆变器的驱动电路常常需要加上一个互锁延时保护仅风机、、水对变频器的控制PWM泵所用的电能就达总电能的30%以上。技术中的几个电路以防止同一相上下两个桥臂的管子直通在设置的延时时间(亦称死区时间)内输,,现在的风机水泵、关键问题①提高直流电压利用率的新技术,。大都用风门阀门调节风量,。如采用变频调速技术则可能节能观的。为提高直流电压但人电平完全取决于负载特性。,30%,有的场合甚至可,的利用率采用了一些提高直流电压利用率的新技术是,,即取决于负载电流的方向死区时间会使得逆变器输出电压在相位幅值上发生畸变而且这种畸变在低速轻载时表、,,节能50%以上,这是十分可。因此可以说变频调速若采用过调制(调制度大技术则获得的波形中。技术就是一项节能技术采用这项技术对我国能源资源的合理利用对于环境保护都有十分重大的意义。,于1)会含有较多的谐波新的技术可以大大减小这种波形畸现得愈加明显严重时可能影响到系统的稳定性。为此在,,,同时由于,,变。高性能的交流传动系统中需②同步调制与异步调制要对死区时间进行补偿。可以节省大量的电能因此,且已变频调速技术也是一项经济效益十分显著的技术虽然技术改造需要投人一定的资金本。,异步调制得到的输出电压波形无周期性,提出了一些补偿方案具体方。具有连续频案不再详述、。谱,载波比(载波频率与调制,三变频调速技术的应用变频调速技术的应用十,,但大约一年左右即可收回成此外,信号频率的比值)较低时输出波形将包含低次谐波会引起电机低次转矩脉动,。由于变频调速系统,分广泛凡是需要电动机,需有很好的控制性能、所以,对。同步调制要调速传动的场合都是变频。提高产品质量改善工作和生活环境也都有很大的意义。。波形对称度好无低次谐波分量调速技术的用武之地变频调速的主要应用领域可以列举但单一载波比的同步调制。采用先进的变频调速技术是发展的一个趋势由于变频调速在调速性能节能等方面的巨大优越性、、,、只能适应很窄的调速范围,,为如下:得到宽调速范围需进行分段同步调制这又势必导致跳跃点处频谱突变引起较大的动态电流尖峰并伴随严重的噪,,·风机水泵轧钢机·这一技术必、·将在我国石油化工、治金、机·提升机电梯电力机车、械、交通运输家用电器等各音事实上当载波足够大时显甚至可以忽略,。,,·无轨电车行业获得越来越广泛的应用。异步调制的缺点已经很不明。工矿电机车·因此随着电动汽车/对丁38·《电子节能l)98年第4期