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變頻調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀與前景展望論文
摘要：詳細(xì)介紹了目前變頻調(diào)速領(lǐng)域研究的熱點問題，分析了最新技術(shù)發(fā)展對變頻調(diào)速系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)化所帶來的影響，并對變頻調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展前景進行了預(yù)測。
關(guān)鍵詞：變頻調(diào)速系統(tǒng) PWM 數(shù)字控制
1 前言
當(dāng)前全球經(jīng)濟發(fā)展過程中，有兩條顯著的相互交織的主線：能源和環(huán)境。能源的緊張不僅制約了相當(dāng)多發(fā)展中國家的經(jīng)濟增長，也為許多發(fā)達(dá)國家?guī)砹讼喈?dāng)大的問題。能源集中的地方也往往成為全世界所關(guān)注的熱點地區(qū)。而能源的開發(fā)與利用又對環(huán)境的保護有著重大影響。全球變暖、酸雨等一系列環(huán)境災(zāi)難都與能源的開發(fā)與利用有關(guān)。
能源工業(yè)作為國民經(jīng)濟的基礎(chǔ)，對于社會、經(jīng)濟的發(fā)展和人民生活水平的提高都極為重要。在高速增長的經(jīng)濟環(huán)境下，中國能源工業(yè)面臨經(jīng)濟增長與環(huán)境保護的雙重壓力。有資料表明，受資金、技術(shù)、能源價格的影響，中國能源利用效率比發(fā)達(dá)國家低很多。90年代中國高耗能產(chǎn)品的耗能量一般比發(fā)達(dá)國家高12%-55%左右，90%以上的能源在開采、加工轉(zhuǎn)換、儲運和終端利用過程中損失和浪費。如果進行單位GNP能耗（噸標(biāo)準(zhǔn)煤/千美元）的國家比較（90年代中期），中國分別是瑞士、意大利、日本、法國、德國、英國、美國、加拿大的14.4倍、11.3倍、10.6倍、8.8倍、8.3倍、7.2倍、4.6倍、和4.2倍。1995年，中國火電廠煤耗為412克標(biāo)準(zhǔn)煤/kWh，是國際先進水平的1.27倍。
由此可見，對能源的有效利用在我國已經(jīng)非常迫切。作為能源消耗大戶之一的電機在節(jié)能方面是大有潛力可挖的。我國電機的總裝機容量已達(dá)4億千瓦，年耗電量達(dá)6000億千瓦時，約占工業(yè)耗電量的80%。我國各類在用電機中，80%以上為0.55-220kW以下的中小型異步電動機。我國在用電機拖動系統(tǒng)的總體裝備水平僅相當(dāng)于發(fā)達(dá)國家50年代水平。因此，在國家十五計劃中，電機系統(tǒng)節(jié)能方面的投入將高達(dá)500億元左右，所以變頻調(diào)速系統(tǒng)在我國將有非常巨大的市場需求。
目前，國內(nèi)變頻調(diào)速系統(tǒng)的研究非常活躍，但是在產(chǎn)業(yè)化方面還不是很理想，市場的大部分還是被國外公司所占據(jù)。因此，為了加快國內(nèi)變頻調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展，就需要對國際變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展趨勢和國內(nèi)的市場需求有一個全面的了解。
2 全數(shù)字化控制系統(tǒng)
隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，無論是生產(chǎn)還是生活當(dāng)中，人民對數(shù)字化信息的依賴程度越來越高。如果說計算機是大腦，網(wǎng)絡(luò)是神經(jīng)，那么電機傳動系統(tǒng)就是骨骼和肌肉。它們之間的完美結(jié)合才是現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)發(fā)展方向。為了使交流調(diào)速系統(tǒng)與信息系統(tǒng)緊密結(jié)合，同時也為了提高交流調(diào)速系統(tǒng)自身的性能，必須使交流調(diào)速系統(tǒng)實現(xiàn)全數(shù)字化控制。
單片機已經(jīng)在交流調(diào)速系統(tǒng)中得到了廣泛地應(yīng)用。例如由Intel公司1983年開發(fā)生產(chǎn)的MCS - 96系列是目前性能較高的單片機系列之一，適用于高速、高精度的工業(yè)控制。其高檔型：8×196KB、8×196KC、8×196MC等在通用開環(huán)交流調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用較多。
由于交流電機控制理論不斷發(fā)展，控制策略和控制算法也日益復(fù)雜。擴展卡爾曼濾波、FFT、狀態(tài)觀測器、自適應(yīng)控制、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等等均應(yīng)用到了各種交流電機的矢量控制或直接轉(zhuǎn)矩控制當(dāng)中。因此，DSP芯片在全數(shù)字化的高性能交流調(diào)速系統(tǒng)中找到施展身手的舞臺。如TI公司的MCS320F240等DSP芯片，以其較高的性能價格比成為了全數(shù)字化交流調(diào)速系統(tǒng)的首選。最近TI公司推出的MCS320F240X系列產(chǎn)品更將價格降低到了單片機的水平。
在交流調(diào)速的全數(shù)字化的過程當(dāng)中，各種總線也扮演了相當(dāng)重要的角色。STD總線、工業(yè)PC總線、現(xiàn)場總線以及CAN總線等在交流調(diào)速系統(tǒng)的自動化應(yīng)用領(lǐng)域起到了重要的作用。
3 PWM技術(shù)
PWM控制是交流調(diào)速系統(tǒng)的控制核心，任何控制算法的最終實現(xiàn)幾乎都是以各種PWM控制方式完成的。目前已經(jīng)提出并得到實際應(yīng)用的PWM控制方案就不下十幾種，關(guān)于PWM控制技術(shù)的文章在很多著名的電力電力國際會議上，如PESC，IECON，EPE年會上已形成專題。尤其是微處理器應(yīng)用于PWM技術(shù)并使之?dāng)?shù)字化以后，花樣是不斷翻新，從最初追求電壓波形的正弦，到電流波形的正弦，再到磁通的正弦；從效率最優(yōu)，轉(zhuǎn)矩脈動最少，再到消除噪音等，PWM控制技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了一個不斷創(chuàng)新和不斷完善的過程。到目前為止，還有新的方案不斷提出，進一步證明這項技術(shù)的研究方興未艾。
其中，空間矢量PWM技術(shù)以其電壓利用率高、控制算法簡單、電流諧波小等特點在交流調(diào)速系統(tǒng)中得到了越來越多的應(yīng)用。
4 高壓大容量交流調(diào)速系統(tǒng)
在小功率交流調(diào)速方面，由于國外產(chǎn)品的規(guī)模效應(yīng)，使得國內(nèi)廠家在價格上、工藝上和技術(shù)上均無法與之抗衡。而在高壓大功率方面，國外公司又為我們留下了趕超的空間。首先，國外的電網(wǎng)電壓等級一般為3000V，而我國的電網(wǎng)電壓等級為6000V和10000V；其次，高壓大功率交流調(diào)速系統(tǒng)無法進行大規(guī)模的批量生產(chǎn)，而國外的勞動力成本，特別是具有一定專業(yè)知識的勞動力成本較高。
目前，研究較多的大功率逆變電路有：
（1）多電平電壓型逆變器
（2）變壓器耦合的多脈沖逆變器
（3）交交變頻器
（4）雙饋交流變頻調(diào)速系統(tǒng)。
（1）多電平電壓型逆變器
日本長岡科技大學(xué)的A.Nabae等人于1980年在IAS年會上首次提出三電平逆變器，又稱中點箝位式（Neutral Point Clamped）逆變器。它的出現(xiàn)為高壓大容量電壓型逆變器的研制開辟了一條新思路。
多電平電壓型逆變器與普通雙電平逆變器相比具有以下優(yōu)點：
1. 更適合大容量、高電壓的場合。
2.可產(chǎn)生M層梯形輸出電壓，對階梯波再作調(diào)制可以得到很好近似的正弦波，理論上提高電平數(shù)可接近純正弦波型、諧波含量很小。
3.電磁干擾（EMI）問題大大減輕，因為開關(guān)元件一次動作的dv/dt通常只有傳統(tǒng)雙電平的1/（M-1）。
4. 效率高，消除同樣諧波，雙電平采用PWM控制法開關(guān)頻率高、損耗大，而多電平逆變器可用較低頻率進行開關(guān)動作、開關(guān)頻率低、損耗小，效率提高。
（2）變壓器耦合的多脈沖逆變器
變壓器耦合的多脈沖逆變器的三電平電路中，要獲得更多電平只須將每相所串聯(lián)的單元逆變橋數(shù)目同等增加即可。其優(yōu)點為：
1. 不存在電壓均衡問題。無需箝位二極管或電容，適于調(diào)速控制；
2. 模塊化程度好，維修方便；
3. 對相同電平數(shù)而言，所需器件數(shù)目最少；
4. 無箝位二極管或電容的限制，可實現(xiàn)更多電平，上更高電壓，實現(xiàn)更低諧波；
5. 控制方法相對簡單，可分別對每一級進行PWM控制，然后進行波形重組。
當(dāng)然，這種結(jié)構(gòu)的不足之處在于需要很多隔離的直流電源，應(yīng)用受到一定限制。
（3）交交變頻器
交交變頻器采用晶閘管作為主功率器件，在軋機和礦井卷揚機傳動方面有很大的需求。晶閘管的最大優(yōu)點就是開關(guān)功率大（可達(dá)5000V/5000A），適合于大容量交流電機調(diào)速系統(tǒng)。同時，大功率晶閘管的生產(chǎn)和技術(shù)功能技術(shù)相當(dāng)成熟，通過與現(xiàn)代交流電機控制理論的數(shù)字化結(jié)合，將具有較強的競爭力。但是交交變頻器也存在一些固有缺點：調(diào)速范圍小，當(dāng)電源為50Hz時，最大輸出頻率不超過20Hz；另一方面，功率因數(shù)低、諧波污染大，因此需要同時進行無功補償和諧波治理。
（4）雙饋交流變頻調(diào)速系統(tǒng)
雙饋交流變頻調(diào)速系統(tǒng)的變頻器功率小、功率因數(shù)可調(diào)、系統(tǒng)可靠性較高，因此近來受到了許多研究人員的重視。由于變頻器的功率只占電機容量的25%，因此可以大大降低系統(tǒng)的成本。但是，雙饋交流變頻調(diào)速系統(tǒng)中的電機需要專門設(shè)計，不能使用普通的異步電機；而且受變頻器容量和調(diào)速范圍的限制，不具備軟起動的能力。
5 高性能交流調(diào)速系統(tǒng)
V/f恒定、速度開環(huán)控制的通用變頻調(diào)速系統(tǒng)和滑差頻率速度閉環(huán)控制系統(tǒng)，基本上解決了異步電機平滑調(diào)速的問題。然而，當(dāng)生產(chǎn)機械對調(diào)速系統(tǒng)的動靜態(tài)性能提出更高要求時，上述系統(tǒng)還是比直流調(diào)速系統(tǒng)略遜一籌。原因在于，其系統(tǒng)控制的規(guī)律是從異步電機穩(wěn)態(tài)等效電路和穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)矩公式出發(fā)推導(dǎo)出穩(wěn)態(tài)值控制，完全不考慮過渡過程，系統(tǒng)在穩(wěn)定性、起動及低速時轉(zhuǎn)矩動態(tài)響應(yīng)等方面的性能尚不能令人滿意。
考慮到異步電機是一個多變量、強耦合、非線性的時變參數(shù)系統(tǒng)，很難直接通過外加信號準(zhǔn)確控制電磁轉(zhuǎn)矩，但若以轉(zhuǎn)子磁通這一旋轉(zhuǎn)的空間矢量為參考坐標(biāo)，利用從靜止坐標(biāo)系到旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系之間的變換，則可以把定子電流中勵磁電流分量與轉(zhuǎn)矩電流分量變成標(biāo)量獨立開來，進行分別控制。這樣，通過坐標(biāo)變換重建的電動機模型就可等效為一臺直流電動機，從而可象直流電動機那樣進行快速的轉(zhuǎn)矩和磁通控制即矢量控制。
和矢量控制不同，直接轉(zhuǎn)矩控制屏棄了解耦的思想，取消了旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換，簡單地通過檢測電機定子電壓和電流，借助瞬時空間矢量理論計算電機的磁鏈和轉(zhuǎn)矩，并根據(jù)與給定值比較所得差值，實現(xiàn)磁鏈和轉(zhuǎn)矩的直接控制。
盡管矢量控制與直接轉(zhuǎn)矩控制使交流調(diào)速系統(tǒng)的性能有了較大的提高，但是還有許多領(lǐng)域有待研究：
（1）磁通的準(zhǔn)確估計或觀測
（2）無速度傳感器的控制方法
（3）電機參數(shù)的在線辨識
（4）極低轉(zhuǎn)速包括零速下的電機控制
（5）電壓重構(gòu)與死區(qū)補償策略
（6）多電平逆變器的高性能控制策略
6 展望
在交流調(diào)速的研究與制造過程中，硬件的設(shè)計與組裝占了相當(dāng)大的比重。電機制造以及調(diào)速裝置的制造需要大批的技術(shù)熟練工人，對人員的素質(zhì)有一定要求。而國外相關(guān)產(chǎn)業(yè)的人工成本相對較高，在近十年內(nèi)，交流調(diào)速的制造業(yè)有可能向發(fā)展中國家轉(zhuǎn)移。對中國來說，這也是一個機遇，如果我們抓住這個機會，再利用本身的市場有利條件，有可能在我國形成交流調(diào)速系統(tǒng)的制造業(yè)中心，使我國工業(yè)上一個新的臺階。需要注意的是發(fā)達(dá)國家在高技術(shù)領(lǐng)域是不會輕易放棄的，他們非常注意核心技術(shù)及軟件的保護和保密，為此，必須加大該領(lǐng)域的科研與開發(fā)的力度。
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