中心議題：

• 變頻調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀與前景展望

解決方案：

• 多電平電壓型逆變器
• 變壓器耦合的多脈沖逆變器
• 雙饋交流變頻調(diào)速系統(tǒng)

當(dāng)前全球經(jīng)濟(jì)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(guó)家的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)，也為許多發(fā)達(dá)國(guó)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(diǎn)地區(qū)。而能源的開發(fā)與利用又對(duì)環(huán)境的保護(hù)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(guó)民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)，對(duì)于社會(huì)、經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活水平的提高都極為重要。在高速增長(zhǎng)的經(jīng)濟(jì)環(huán)境下，中國(guó)能源工業(yè)面臨經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)與環(huán)境保護(hù)的雙重壓力。有資料表明，受資金、技術(shù)、能源價(jià)格的影響，中國(guó)能源利用效率比發(fā)達(dá)國(guó)家低很多。90年代中國(guó)高耗能產(chǎn)品的耗能量一般比發(fā)達(dá)國(guó)家高12%~55%左右，90%以上的能源在開采、加工轉(zhuǎn)換、儲(chǔ)運(yùn)和終端利用過程中損失和浪費(fèi)。如果進(jìn)行單位GNP能耗（噸標(biāo)準(zhǔn)煤/千美元）的國(guó)家比較（90年代中期），中國(guó)分別是瑞士、意大利、日本、法國(guó)、德國(guó)、英國(guó)、美國(guó)、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(guó)火電廠煤耗為412克標(biāo)準(zhǔn)煤/kWh，是國(guó)際先進(jìn)水平的1.27倍。

由此可見，對(duì)能源的有效利用在我國(guó)已經(jīng)非常迫切。作為能源消耗大戶之一的電機(jī)在節(jié)能方面是大有潛力可挖的。我國(guó)電機(jī)的總裝機(jī)容量已達(dá)4億千瓦，年耗電量達(dá)6000億千瓦時(shí)，約占工業(yè)耗電量的80%。我國(guó)各類在用電機(jī)中，80%以上為0.55~220kW以下的中小型異步電動(dòng)機(jī)。我國(guó)在用電機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)的總體裝備水平僅相當(dāng)于發(fā)達(dá)國(guó)家50年代水平。因此，在國(guó)家十五計(jì)劃中，電機(jī)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(guó)將有非常巨大的市場(chǎng)需求。

目前，國(guó)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(chǎng)的大部分還是被國(guó)外公司所占據(jù)。因此，為了加快國(guó)內(nèi)變頻調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展，就需要對(duì)國(guó)際變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)和國(guó)內(nèi)的市場(chǎng)需求有一個(gè)全面的了解。

1、全數(shù)字化控制系統(tǒng)

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，無論是生產(chǎn)還是生活這中，人民對(duì)數(shù)字化信息的依賴程度越來越高。如果說計(jì)算機(jī)是大腦，網(wǎng)絡(luò)是神經(jīng)，那么電機(jī)傳動(dòng)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(shí)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(shí)現(xiàn)全數(shù)字化控制。

單片機(jī)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(jī)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(jī)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(kuò)展卡爾曼濾波、FFT、狀態(tài)觀測(cè)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(jī)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(tái)。如TI公司的MCS320F240等DSP芯片，以其較高的性能價(jià)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(jià)格降低到了單片機(jī)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(chǎng)總線以及CAN總線等在交流調(diào)速系統(tǒng)的自動(dòng)化應(yīng)用領(lǐng)域起到了重要的作用。

2、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(shí)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(shí)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(guó)際會(huì)議上，如PESC，IECON，EPE年會(huì)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(dòng)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(gè)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(jìn)一步證明這項(xiàng)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(jiǎn)單、電流諧波小等特點(diǎn)在交流調(diào)速系統(tǒng)中得到了越來越多的由于。
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3、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(guó)外產(chǎn)品的規(guī)模效應(yīng)，使得國(guó)內(nèi)廠家在價(jià)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(guó)外公司又為我們留下了趕超的空間。首先，國(guó)外的電網(wǎng)電壓等級(jí)一般為3000V，而我國(guó)的電網(wǎng)電壓等級(jí)為6000V和10000V；其次，高壓大功率交流調(diào)速系統(tǒng)無法進(jìn)行大規(guī)模的批量生產(chǎn)，而國(guó)外的勞動(dòng)力成本，特別是具有一定專業(yè)知識(shí)的勞動(dòng)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(zhǎng)岡科技大學(xué)的A.Nabae等人于1980年在IAS年會(huì)上首次提出三電平逆變器，又稱中點(diǎn)箝位式（NeutralPointClamped）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(diǎn)：

•更適合大容量、高電壓的場(chǎng)合。
•可產(chǎn)生M層梯形輸出電壓，對(duì)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。
•電磁干擾（EMI）問題大大減輕，因?yàn)?a target="_blank" style="text-decoration:none;" >開關(guān)元件一次動(dòng)作的dv/dt通常只有傳統(tǒng)雙電平的1/（M-1）。
•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(jìn)行開關(guān)動(dòng)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(diǎn)為：
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；

• 模塊化程度好，維修方便；
• 對(duì)相同電平數(shù)而言，所需器件數(shù)目最少；
• 無箝位二極管或電容的限制，可實(shí)現(xiàn)更多電平，上更高電壓，實(shí)現(xiàn)更低諧波；
• 控制方法相對(duì)簡(jiǎn)單，可分別對(duì)每一級(jí)進(jìn)行PWM控制，然后進(jìn)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(jī)和礦井卷揚(yáng)機(jī)傳動(dòng)方面有很大的需求。晶閘管的最大優(yōu)點(diǎn)就是開關(guān)功率大（可達(dá)5000V/5000A），適合于大容量交流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)。同時(shí)，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(jī)控制理論的數(shù)字化結(jié)合，將具有較強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。但是交交變頻器也存在一些固有缺點(diǎn)：調(diào)速范圍小，當(dāng)電源為50Hz時(shí)，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(shí)進(jìn)行無功補(bǔ)償會(huì)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(jī)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(jī)需要專門設(shè)計(jì)，不能使用普通的異步電機(jī)；而且受變頻器容量和調(diào)速范圍的限制，不具備軟起動(dòng)的能力。

4、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(jī)平滑調(diào)速的問題。然而，當(dāng)生產(chǎn)機(jī)械對(duì)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)靜態(tài)性能提出更高要求時(shí)，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(jī)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(dòng)及低速時(shí)轉(zhuǎn)矩動(dòng)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(jī)是一個(gè)多變量、強(qiáng)耦合、非線性的時(shí)變參數(shù)系統(tǒng)，很難直接通過外加信號(hào)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(lì)磁電流分量與轉(zhuǎn)矩電流分量變成標(biāo)量獨(dú)立開來，進(jìn)行分別控制。這樣，通過坐標(biāo)變換重建的電動(dòng)機(jī)模型就可等效為一臺(tái)直流電動(dòng)機(jī)，從而可象直流電動(dòng)機(jī)那樣進(jìn)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(jiǎn)單地通過檢測(cè)電機(jī)定子電壓和電流，借助瞬時(shí)空間矢量理論計(jì)算電機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩，并根據(jù)與給定值比較所得差值，實(shí)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)域又待研究：
（1）磁通的準(zhǔn)確估計(jì)或觀測(cè)
（2）無速度傳感器的控制方法
（3）電機(jī)參數(shù)的在線辨識(shí)
（4）極低轉(zhuǎn)速包括零速下的電機(jī)控制
（5）電壓重構(gòu)與死區(qū)補(bǔ)償策略
（6）多電平逆變器的高性能控制策略

在交流調(diào)速的研究與制造過程中，硬件的設(shè)計(jì)與組裝占了相當(dāng)大的比重。電機(jī)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(duì)人員的素質(zhì)有一定要求。而國(guó)外相關(guān)產(chǎn)業(yè)的人工成本相對(duì)較高，在近十年內(nèi)，交流調(diào)速的制造業(yè)有可能像發(fā)展中國(guó)家轉(zhuǎn)移。對(duì)中國(guó)來說，這也是一個(gè)機(jī)遇，如果我們抓住這個(gè)機(jī)會(huì)，再利用本身的市場(chǎng)有利條件，有可能在我國(guó)形成交流調(diào)速系統(tǒng)的制造業(yè)中心，使我國(guó)工業(yè)上一個(gè)新的臺(tái)階。需要注意的是發(fā)達(dá)國(guó)家在高技術(shù)領(lǐng)域是不會(huì)輕易放棄的，他們非常注意核心技術(shù)及軟件的保護(hù)和保密，為此，必須加大該領(lǐng)域的科研與開發(fā)的力度。