引言

交流電動機特別是異步電動機由于結構簡單、價格便宜、維修方便等優(yōu)點被廣泛使用。但其調速性能在以前趕不上直流電動機，所以交流電動機的調速技術一直是世界各國研究的課題。20世紀60年代以后，隨著電力電子技術的發(fā)展，半導體變流技術應用到交流調速系統(tǒng)中，特別是大規(guī)模集成電路和計算機控制技術的發(fā)展，以及現(xiàn)代控制理論的應用，都為交流調速的進一步發(fā)展創(chuàng)造了條件。人們研究出很多類型的交流調速系統(tǒng)，其中有些方法的調速性能已可與直流調速系統(tǒng)相媲美。因此，交流調速得到日益廣泛的應用，目前在調速傳動領域交流電動機已有取代直流電動機的趨勢。

　　早期的交流電動機調速方法，如采用繞線式異步電動機轉子串電阻調速、籠型異步電動機變極調速，在定子繞組串電抗器調速等都存在效率低，不經濟等缺點。交流變頻調速的優(yōu)越性早在20世紀20年代就已被人們認識，但受到元器件的限制，當時只能用閘流管構成逆變器，由于技資大，效率低，體積大而未能推廣。20世紀50年代中期，晶閘管的研制成功，開創(chuàng)了電力電子技術發(fā)展的新時代。由于晶閘管具有體積小、重量輕、響應快、管壓低等一系列優(yōu)點，交流電動機調速技術有了飛躍發(fā)展，出現(xiàn)了交流異步電動機調壓調速、串級調速等系統(tǒng)。20世紀70年代發(fā)展起來的變頻調速，比上述兩種調速方式效率更高，性能更好，在近30年得到了迅速發(fā)展。

　　變頻調速系統(tǒng)

　　變頻調速具有高效率、寬范圍和高精度等特點，是目前運用最廣泛且最有發(fā)展前途的調速方式。交流電動機變頻調速系統(tǒng)的種類很多，從早期提出的電壓源型變頻器開始，相繼發(fā)展了電流源型，脈寬調制等各種變頻器。目前變頻調速的主要方案有:交-交變頻調速，交-直-交變頻調速，同步電動機自控式變頻調速，正弦波脈寬調制(SPWM)變頻調速，矢量控制變頻調速等。這些變頻調速技術的發(fā)展很大程度上依賴于大功率半導體器件的制造水平。隨著電力電子技術的發(fā)展，特別是可關斷晶鬧管GT0，電力晶體管GTR，絕緣門極晶體管IGBT，MOS晶閘管及MTC等具有自關斷能力全控功率元件的發(fā)展，再加上控制單元也從分離元件發(fā)展到大規(guī)模數(shù)字集成電路及采用微機控制，從而使變頻裝置的快速性，可靠性及經濟性不斷提高，變頻調速系統(tǒng)的性能也得到不斷完善。

　　SPWM控制技術

　　正弦波脈寬調制(SPWM)技術在變頻器中得到廣泛的應用。SPWM變頻器調壓調頻一次完成，整流器無需控制，簡化了電路結構，而且由于以全波整流代替了相控整流，因而提高了輸入端的功率因數(shù)，減小了高次諧波對電網的影響。此外，由于輸出波形由方波改進為PWM波，減少了低次諧波，從而解決了電動機在低頻區(qū)的轉矩脈動問題，也降低了電動機的諧波損耗和噪聲。PWM技術的應用是變頻器的發(fā)展主流。SPWM的調制原理是使變頻器的輸出脈沖電壓的面積與所希望輸出的正弦波在相應區(qū)間內面積相等，改變調制波的頻率和幅值即可調節(jié)逆變器輸出電壓的頻率和幅值。

　　SPWM變頻器的輸出電壓雖然接近于正弦波，但感應電動機本身因為氣隙磁通、轉速與轉子電流是強藕合的，所以調速性能不如直流電動機，采用矢量控制技術可提高其調速性能。矢量控制的原理是采用坐標變換的方法，以產生相同的旋轉磁勢和變換后功率不變?yōu)闇蕜t，建立三相交流繞組，兩相交流繞組和直流繞組三者之間的等效關系，從而求出與交流電機等效的直流電機模型，即實現(xiàn)交流電動機的解耦，以便按照對直流電動機的控制方法對交流電動機進行控制，矢量控制要求由磁通觀測器測出實際轉子磁鏈幅值及相位，因此如何利用先進理論和技術實現(xiàn)轉子磁鏈位置的精確觀測是矢量控制技術的重要課題。

　　PWM技術的新發(fā)展

　　變頻調速系統(tǒng)是由主電路和控制電路兩部分組成，近年來變頻調速技術的發(fā)展重點在于控制電路部分，即PWM技術的產生和實現(xiàn)方法。

　　電流控制PWM技術

　　電流控制PWM技術是一種新穎的控制技術，近年來得到了相當大的發(fā)展及較廣泛的應用。電流控制PWM技術有不同的線路方案來實現(xiàn)，其共同特點是:通過監(jiān)測電感電流直接反饋去控制功率開關的占空比，使功率開關的峰值電流直接跟隨電壓反饋回路中誤差放大器輸出的信號變化而變化。

　　電流控制PWM技術常用的控制方法有:1 線性電流控制:線性電流控制也叫正弦-三角形電流調節(jié)器或斜坡比較電流調節(jié)器，它適用于大量應用場合，尤其適用于中、低性能的傳動，具有控制簡單、對負載參數(shù)不敏感及具有較強魯棒性的特點，而且它的性能隨著現(xiàn)代功率器件開關頻率的增加而得到改善。2 滯環(huán)電流控制:滯環(huán)電流控制是一種瞬態(tài)反饋系統(tǒng)，逆變器輸出電流跟隨給定電流。因為給定電流為正弦波，所以實際輸出電流被限制在正弦波形的給定電流周圍脈動，基本上是正弦波。該方法的優(yōu)點是快速的瞬態(tài)響應，高度的準確性及較強的魯棒性。然而，滯環(huán)電流控制與當今的全數(shù)字化趨勢不相適應，因為它的瞬態(tài)響應性會被ADC及微機中斷延時所降低。3 預測電流控制:預測電流控制是在每個調節(jié)周期開始時，根據(jù)實際電流誤差，負載參數(shù)及其它負載變量，來預測電流誤差矢量趨勢，因此下一個調節(jié)周期PWM產生的電流矢量必將減小所預測的誤差。該方法的優(yōu)點是，若給調節(jié)器除誤差外更多的信息，則可獲得比較快速，準確的晌應。目前這類調節(jié)器的局限性是響應速度及過程模型系數(shù)參數(shù)的準確性。

　　綜上所述，電流控制PWM技術還存在一些局限性，而應用現(xiàn)代控制理論可以克服這些缺點，所以應用現(xiàn)代控制論是它的必然發(fā)展趨勢。

　　電壓矢量"等效"三電平PWM變頻調速

　　電壓矢量"等效"三電平PWM變頻調速方式是一種新型的PWM變頻調速方式，其工作原理是使變頻器瞬時輸出三相脈沖電壓合成空間電壓矢量與屆時所期望輸出的三相正弦波電壓的合成空間電壓矢量的模相等，而它的幅角按一定的間隔跳變。由于當電壓一定時，三相正弦電壓合成空間電壓矢量的模是一個常量，這就給控制帶來了很大的方便。電壓矢量"等效"三電平PWM變頻器用了12個元件構成主回路接線，使變頻器實現(xiàn)了三電平電壓輸出。在控制方面引人空間電壓矢量的概念，把變頻器的輸出狀態(tài)轉化為六角形基本空間電壓矢量圖，直接利用該圖的內在關系，對變頻器的輸出實行頻率、電壓和PWM菱形調制。

　　這種變頻調速方式除了具有SPWM變頻調速方式各方面的優(yōu)異性能外，還具有SPWM變頻調整方式望塵莫及的優(yōu)異性能，如很小的輸出電壓諧波分量(〈3%)和非常好的低速特性。只要功率元件合適，可以做成大、中、小不同容量的變頻調速裝置，目前最大輸出功率已達1000KW。

　　變頻調速控制技術的發(fā)展趨勢

　　隨著電力電子器件制造技術的發(fā)展和新型電路變換器的不斷出現(xiàn)，現(xiàn)代控制理論向交流調速領域的滲透，特別是微型計算機及大規(guī)模集成電路的發(fā)展，交流電動機調速技術正向高頻化、數(shù)字化和智能化方向發(fā)展。

　　控制策略的應用:由于電力電子電路良好的控制特性及現(xiàn)代微電子技術的不斷進步，使幾乎所有新的控制理論，控制方法都得以在交流調速裝

置上應用和嘗試。從最簡單的轉速開環(huán)恒壓頻比控制發(fā)展到基于動態(tài)模型按轉子磁鏈定向的矢量控制和基于動態(tài)模型保持定子磁鏈恒定的直接轉矩控制。

　　近年來電力電子裝置的控制技術研究十分活躍，各種現(xiàn)代控制理論，如自適應控制和滑模變結構控制，以及智能控制(如專家系統(tǒng)、模糊控制、神經網絡、遺傳算法等)和無速度傳感的高動態(tài)性能控制都是研究的熱點，這些研究必將把交流調速技術發(fā)展到一個新的水平。

　　微機數(shù)字控制:微機控制或稱數(shù)字控制，其優(yōu)點是:使硬件簡化，柔性的控制算法使控制靈活、可靠，易實現(xiàn)復雜的控制規(guī)律，便于故障診斷和監(jiān)視。控制系統(tǒng)的軟化對CPU芯片提出了更高的要求，為了實現(xiàn)高性能的交流調速，要進行矢量的坐標變換，磁通矢量的在線計算和適應參數(shù)變化而修正磁通模型，以及內部的加速度、速度、位置的重疊外環(huán)控制的在線實時調節(jié)等，都需要存儲多種數(shù)掘和快速實時處理大量信息�？梢灶A見，隨著計算機芯片容量的增加和運算速度的加快，交流調速系統(tǒng)的性能將得到很大的提高。

　　諧振軟開關技術的應用

　　在常規(guī)的PWM逆變電路中，電力電子開關器件工作在硬開狀態(tài)，硬開關工作的四大缺陷即開通關斷損耗大、感性關斷問題、容性開通問題、二級管反向恢復問題妨礙了開關器件工作頻率的提高，而高頻化是電力電子主要發(fā)展趨勢之一，因為它能帶來一系列的優(yōu)點，如使電力電子系統(tǒng)體積減小、重量減輕、工作時噪聲減小或無噪聲、成本下降、性能提高。

　　克服上述矛盾的有效方法就是采用諧振軟開關技術。諧振軟開關技術是在常規(guī)PWM技術和諧振變換技術基礎上發(fā)展起來的一種新型電力電子變換技術。它使功率開關器件在零電壓或零電流條件下開關，有效地降低了高頻下的開關損耗，提高了開關器件工作的可靠性。

　　國際上，把現(xiàn)代控制論用于諧振軟開關的控制近年發(fā)展較快，它將大大改善系統(tǒng)的性能，具有很好的發(fā)展前景。另一方面，軟開關PWM變頻器高頻是大趨勢，現(xiàn)在的IGBT大都可以工作在50Hz以上，開關周期小于20μs，在這樣短的時間內完成工作時序及其他控制策略的計算，只有DSP能勝任�？梢灶A言，在軟開關PWM變換器中采用DSP控制是軟開關技術的發(fā)展趨勢。

　　"綠色"電力電子變換器:電力電子功率變換器的輸出電壓和電流，除基波分量處，還含有一系列的諧波分量，這些諧波會使電機產生轉矩脈沖，增加電機的附加損棍和電磁噪聲，也會使轉矩出現(xiàn)周期性的波動，從而影響電機平穩(wěn)運行和調速范圍。隨著電力電子變換器的日益普及，諧波和無功電流給電網帶來"電力公害"越來越引起人們的重視。以前解決此問題的方案是采用有源濾波和無功補償裝置�，F(xiàn)在的趨勢是采用"綠色"電力電子變換器，它的功率因數(shù)可控，各次諧波分量均小于國際和國家標準允許的限度。目前已經開發(fā)的"綠色"變換器有:中壓多電平變換器，多個逆變單元串聯(lián)的變換器，二電平或三電平的雙PWM交-直-交變換器、變-交矩陣式變換器等。

　　結束語

　　當今科學的發(fā)展趨勢是各學科之間已沒有嚴格的界線，它們相互影響，相互滲透，從發(fā)展的角度來看，把神經網絡、模糊控制、滑模變結構控制等現(xiàn)代控制理論用于PWM技術有著極其重要的意義和廣闊的前景，可以認為這將是PWM變頻調速技術的發(fā)展方向之一。此外，控制領域的其他新技術如現(xiàn)場總線、自適應控制、遺傳算法等，也將引入到交流傳動領域，給變頻調速的控制技術帶來重大的影響。因此如何把其他學科新的技術理論方法，新的科學成果應用到交流傳動領域中既是交流調速技術的發(fā)展方向，也是一個十分迫切的問題。