第一篇：变频调速能量回馈控制技术的现状与发展趋势_职教论文
摘 要:通用变频器能量回馈PWM控制系统是一种采用有源逆变方式把电动机减速制动时产生的再生能量回馈电网的装置。它可以克服通用变频器传统制动电阻方式低效、难以满足快速制动和频繁正反转的不足，使通用变频器可在四象限运行。本文首先回顾了变频调速能量回馈控制技术的发展历史及现状。设计了一种基于智能功率模块IPM的新型控制系统，并详细介绍了主电路、控制电路、驱动和保护电路的设计思路。最后指出了能量回馈技术的发展趋势。关键词:变频调速技术 能量回馈 再生制动 PWM控制 智能功率模块 检测技术 1 引言 变频调速技术涉及电子、电工、信息与控制等多个学科领域。采用变频调速技术是节能降耗、改善控制性能、提高产品产量和质量的重要途径，已在应用中取得了良好的应用效果和显著的经济效益[1]。但是，在对调速节能的一片赞誉中，人们往往忽视了进一步挖掘变频调速系统节能潜力和提高效率的问题。事实上，从变频器内部研究和设计的方面看，应用或寻求哪一种控制策略可以使变频驱动电机的损耗最小而效率最高？怎样才能使生产机械储存的能量及时高效地回馈到电网？这正是提高效率的两个重要途径。第一个环节是通过变频调速技术及其优化控制技术实现“按需供能”，即在满足生产机械速度、转矩和动态响应要求的前提下，尽量减少变频装置的输入能量;第二个环节是将由生产机械中储存的动能或势能转换而来的电能及时地、高效地“回收”到电网，即通过有源逆变装置将再生能量回馈到交流电网，一方面是节能降耗，另一方面是实现电动机的精密制动，提高电动机的动态性能。本文讨论的就是变频调速系统节能控制的第二个环节－变频调速能量回馈控制技术。在能源资源日趋紧张的今天，这项研究无疑具有十分重要的现实意义。2 通用变频器在应用中存在的问题 通用变频器大都为电压型交-直-交变频器，基本结构如图1所示。三相交流电首先通过二极管可控整流桥得到脉动直流电，再经电解电容滤波稳压，最后经无源逆变输出电压、频率可调的交流电给电动机供电。这类变频器功率因数高、效率高、精度高、调速范围宽，所以在工业中获得广泛应用。但是通用变频器不能直接用于需要快速起、制动和频繁正、反转的调速系统，如高速电梯、矿用提升机、轧钢机、大型龙门刨床、卷绕机构张力系统及机床主轴驱动系统等。因为这种系统要求电机四象限运行，当电机减速、制动或者带位能性负载重物下放时，电机处于再生发电状态。由于二极管可控整流器能量传输不可逆，产生的再生电能传输到直流侧滤波电容上，产生泵升电压。而以GTR、IGBT为代表的全控型器件耐压较低，过高的泵升电压有可能损坏开关器件、电解电容，甚至会破坏电机的绝缘，从而威胁系统安全工作，这就限制了通用变频器的应用范围[2]。3 国内外能量回馈技术研究现状 为了解决电动机处于再生发电状态产生的再生能量，德国西门子公司已经推出了电机四象限运行的电压型交-直-交变频器，日本富士公司也成功研制了电源再生装置，如RHR系列、FRENIC系列电源再生单元，它把有源逆变单元从变频器中分离出来，直接作为变频器的一个外围装置，可并联到变频器的直流侧，将再生能量回馈到电网中[3]。同时，已见到国外有四象限电压型交－直－交变频器及电网侧脉冲整流器等的研制报道[4-9]。普遍存在的问题是这些装置价格昂贵，再加上一些产品对电网的要求很高，不适合我国的国情。国内在中小容量系统中大都采用能耗制动方式[10-13]，即通过内置或外加制动电阻的方法将电能消耗在大功率电阻器中，实现电机的四象限运行，该方法虽然简单，但有如下严重缺点[14-18]: [!--empirenews.page--](1)浪费能量，降低了系统的效率。(2)电阻发热严重，影响系统的其他部分正常工作。(3)简单的能耗制动有时不能及时抑制快速制动产生的泵升电压，限制了制动性能的提高(制动力矩大，调速范围宽，动态性能好)。上述缺点决定了能耗制动方式只能用于几十kW以下的中小容量系统。国内关于能量回馈控制的研究正在进行，但基本上都处于实验阶段，目前已经见到有关的文献报道[14-18]，但尚未见这方面产品的报道。4 能量回馈系统的拓扑结构 按照所选用的功率开关器件的不同，能量回馈系统的拓扑结构可分为半控器件型结构和全控器件型结构两大类。4.1 半控器件型(晶闸管型)结构 由于晶闸管的耐压、耐流、耐浪涌冲击能力是全控型功率器件所无法比拟的，加之驱动、保护电路简单，价格低廉等原因，采用晶闸管构成有源逆变电路在七、八十年代获得人们普遍的研究，即使在现阶段也仍有一定的实际意义。下面将要介绍几种基于晶闸管的有源逆变电路的结构、基本原理以及优、缺点的对比。(1)可控整流-可控有源逆变型 该方式是人们早期研究的一种方案。基本思路是在可控整流桥的基础上再反并联一套有源逆变装置，当电动机处于电动状态时，整流桥T’1~T’6工作;而当电动机处于发电状态时，随着直流回路电压的升高，三相可控整流器被封锁，三相可控有源逆变器T1~T6工作，将能量回馈到电网中，同时该方式有效的阻断了环流的发生。其主回路结构如图2所示。众所周知，在晶闸管逆变电路中，为保证逆变器换流的可靠性，对逆变角β有一定的限制，即βmin=300，同时为满足有源逆变的条件，避免直流环流，还应使变频器的最高直流侧电压Udmax小于逆变电压Uβmin，即:(1)式中:E为电源相电压有效值，△Um为允许的最高泵升电压。由(1)式可知，αmin应大于βmin。于是带来了两个问题: 1)较大的αmin将引起波形畸变干扰电网，并降低了电网的功率因数。2)直流回路电压降低将使常规380V交流电机得不到充分利用。为此人们又提出了一种可行的解决办法，就是将有源逆变器通过升压变压器与电网相连，整流电路改为不可控。显然，波形和功率因数都可得到改善，升压变压器可以切断上下桥臂产生的直流环流，同时为了限制交流环流以及满足有源逆变条件在电路中设置了电抗器，但它又有如下缺点: 1)增加的变压器和环流电抗器使装置的成本提高、体积增大。2)因只要Uα虽然可以采用电压、电流滞环控制方法来克服这一缺陷，但所有的控制均基于对逆变角β的控制，这就大大增加了β角的控制难度。特别是在发生误触发时，没有有效的方法防止有源逆变器颠覆而产生的短路电流。(2)可控整流/有源逆变复用型 Keiju.Matsui 等人提出了以下几种拓扑结构[18-19]，其基本思路是利用一套可控整流桥既完成整流，又实现有源逆变，这样就可以减小装置的体积，降低成本。[!--empirenews.page--]1)多脉宽调制(MPWM)方式 主电路结构如图3所示。采用一个电抗器和一个大功率晶体管作为能量暂存环节。α900(β这种方案的优点是巧妙地利用一个整流桥同时实现整流和有源逆变两种功能，结构简单，体积较小。缺点是它的输出波形包含大量的低次奇次谐波，噪声大，同时能量回馈过程间断进行，回馈效率低，能量损耗较大，功率因数低。为减少MPWM输出波形包含的低次奇次谐波，进一步改善电路的结构，Keiju.Matsui等人提出了SPWM方式[20,21]。2)正弦波脉宽调制(SPWM)方式 该方式控制电路仅采用一只晶体管来实现能量的回馈控制，使电路的结构更加简单，且有效的抑制了低次谐波，但它需要晶闸管S1~S6的协调配合，同时该方案的开关损耗较大，能量回馈过程是间断进行的。为了获得连续的电流波形，Keiju.Matsui等人又提出了一种新的方案，即MCC方式。3)可调的库克(MCC)方式 该方案是在MPWM方式的基础上增加一只大型电容器，通过控制电容器的充放电来保证能量回馈过程的连续，工作原理同MPWM一样，先将再生能量储存在电感中，待条件满足后再将能量回馈到电网中。该方案的优点是可以连续的回馈再生能量，保证了电流的连续性，从而使回馈的功率较高，开关损耗较小，但由于引人了大型电容器，使装置体积增大，成本提高，同时该电路输出电流波形包含较大的低次奇次谐波成分，易造成负载转矩脉动、噪声较大。(3)滞环控制斩波-逆变回馈方式 上述几种方案虽然都能实现能量回馈控制，但其缺点是显而易见的，同时由于晶闸管存在强迫换流关断的问题，导致对直流侧电压有限制，若直流侧电压过高，则有可能由于晶闸管换流关断失败而导致逆变颠覆，这就限制了它们的应用。因此Dennis等人提出了一种基于晶闸管的新型回馈装置[22]。其主电路结构如图4所示。主回路主要包括三部分:同步整流器SR、母线换相器BC、电流调节器CR。其基本思想是当直流母线电压达到一定值时启动该装置，通过控制回馈电流的大小，将再生能量有效的回馈到电网中。为了避免整流与有源逆变在一点来回切换，回馈电流采用滞环控制方式。该电路的工作原理如下:当直流母线电压达到一定值(如740V)时开通Q1，将能量回馈到电网，同步整流器SR以a=1800的固定相位角工作。随着回馈电流的增加，当电流传感器检测到电流超过设定值时关断Q1，此时回馈电流开始下降，当电流降到下限设定值时再开通Q1，如此循环往复。母线换相器BC的作用有二:一是为晶闸管的换相提供零电压钳位，以保证它们可靠地关断;二是在紧急状态时为能耗制动提供回路。其中大功率晶体管Q2在每次晶闸管换相时都触发导通一次，即每600相位角导通一次，为晶闸管提供零电压钳位，这样就可以确保晶闸管可靠地换相，并可以省去强迫换流电路[22]。[!--empirenews.page--]该方案采用电流滞环控制回馈电流，为一大类负载提供了一种切实可行的拓扑方案，具有一定的通用性。其特点如下: 1)可广泛应用于PWM交流传动的能量回馈制动场合，克服了晶闸管强迫换相对直流侧电压限制的缺点。
2)这种结构不产生任何异常的高次谐波电流成分，同时它控制方便，不需要辅助关断电路，是一种经济可行的方式。3)通过在回路中增加电阻R1和开关Q2，提供了能耗制动的可选方式，可以实现紧急制动。基于晶闸管的再生能量回馈系统的优点是:结构和控制简单，成本较低，耐压和耐浪涌电流的能力较强，在大容量的逆变装置中具有一定的优势。但是其缺点是显而易见的:它输入功率因数低;输入侧有高次谐波存在，谐波损耗大;需要复杂的辅助关断电路，从而使装置成本增加，体积增大，可靠性降低，动态响应慢。故一般用于较大容量和对系统动态性能和快速性要求不太高的场合。4.2 全控器件型结构 全控型器件如GTR、MOSFET、IGBT或IPM具有开关频率高、集成度高和动态响应快等优点。采用上述的全控型器件作为有源逆变的功率开关器件可以提高系统的效率，抑制谐波和机械噪声，这使得基于全控型器件的能量回馈控制系统已经成为研究的重点。目前国内外流行的控制方式仅对电流回路进行滞环控制[14-18]，虽然控制方式和控制电路比较简单，但系统的主要控制对象-回馈电流的控制精度难以保证，从而造成系统的动态性能和抗干扰性能较差，功能不够完善。作者设计了一种全新的控制方案[25-28]，该方案采用PWM控制方式有效地克服了传统控制方式的缺陷，提高了系统的控制精度和动态性能。如图5所示。回馈电流大小的控制是整个系统的核心环节。本系统创新之处是摈弃了传统的滞环控制方式，采用了PID技术和PWM控制技术，利用电压型PWM控制芯片SG3525A作为主控芯片进行闭环控制，综合了滞环控制方式和PWM控制方式的优点，克服了采用滞环控制时回馈电流波形差、其高频分量大、控制不精确的缺限，提高了系统的控制精度、动态性能和抗干扰性能。控制系统包括同步信号获取电路、电压检测与控制电路、电流检测与控制电路、以及故障检测、显示与保护电路。其中，同步信号电路是有源逆变的基础和关键，回馈电流的检测与控制则是系统的控制核心和难点。同步信号获取电路采用同步变压器降压全波整流法获取。实验表明，该方法线路简单，精度高，可以很好地满足控制系统的要求。电压检测和控制电路采用高速高线性度光电耦合器TLP559将直流母线电压线性地变为弱电压信号，该信号经变换后为回馈电流提供控制信号，以决定是否开启逆变装置进行能量回馈。电流检测及控制电路使回馈系统成为闭环控制系统。能量回馈过程中，首先要保证回馈电流的大小要满足回馈功率的要求。同时回馈电流的控制精度和纹波大小直接影响到系统的控制性能，因此对电流的实时检测与控制是一个非常关键的环节。本系统采用霍尔电流传感器对回馈电流进行检测，霍尔电流传感器的特点是体积小、响应速度快、准确度和线性度高，完全可以胜任电路的要求;采用PID调节器和SG3525A型PWM控制芯片进行脉宽调制，综合了滞环控制方式和PWM控制方式的优点，使系统能快速、准确地控制回馈能量。实验结果表明电流控制完全符合设计要求。[!--empirenews.page--]系统提供交/直流过压、欠压、过流、缺相、交直流快熔保护和IPM故障等齐全保护措施，以保证系统和电路的正常工作，减小故障情况下的损失。采用新型功率器件-智能功率模块IPM是本系统的又一特色。IPM内部集成了高速、低耗的IGBT芯片和优化的门极驱动及过流、短路、欠压和过热保护电路，它提高了系统的性能和可靠性，降低了系统成本，缩短了产品开发周期，是值得推广的产品开发途径。5 能量回馈技术的新发展--双PWM控制技术[23] 交-直-交电压型变频器的主电路输入侧一般是经三相不控桥式整流器向中间直流环节的滤波电容充电，然后通过PWM控制下的逆变器输入到交流电动机上。虽然这样的电路成本低、结构简单、可靠性高，但是由于采用三相桥式不控整流器使得功率因数低、网测谐波污染以及无法实现能量的再生利用等。消除对电网的谐波污染并提高功率因数，实现电机的四象限运行以构成变频技术不可回避的问题。为此，PWM整流技术的研究，新型单位功率因数变流器的开发，在国内外引起广泛的关注。传统的制动方法是在中间直流环节电容两端并联电阻消耗能量，这既浪费了能量，又不可靠，而且制动慢;或者设置一套三相有源逆变系统，但增加了变压器，加大了回馈装置的体积，增加了成本而且逆变电流波形畸变严重，电网污染重，功率因数低。而整流电路中采用自关断器件进行PWM控制，可是电网侧的输入电流接近正弦波并且功率因数达到1，可以彻底解决对电网的污染问题。由PWM整流器和PWM逆变器无需增加任何附加电路，就可实现系统的功率因数约等于1，消除网侧谐波污染，能量双向流动，方便电机四象限运行，同时对于各种调速场合，使电机很快达到速度要求，动态响应时间短。图3位变频器双PWM控制结构，其中ia*、ib*、ic*是与电网电压ea、eb、ec具有同频同相位的电流信号，经PWM电流控制器与实际电流ia、、ib、ic比较生成6路PWM开关信号控制整流器中开关元件导通和关断，是实际电流跟随ia*、ib*、ic*、网侧功率因数约等于1。双PWM控制技术的工作原理:①当电机处于拖动状态时，能量由交流电网经整流器中间滤波电容充电，逆变器在PWM控制下降能量传送到电机;②当电机处于减速运行状态时，由于负载惯性作用进入发电状态，其再生能量经逆变器中开关元件和续流二极管向中间滤波电容充电，使中间直流电压升高，此时整流器中开关元件在PWM控制下降能量馈如到交流电网，完成能量的双向流动。同时由于PWM整流器闭环控制作用，使电网电流与电压同频同相位，提高了系统的功率因数，消除了网侧谐波污染。双PWM控制技术打破了过去变频器的统一结构，采用PWM整流器和PWM逆变器提高了系统功率因数，并且实现了电机的四象限运行，这给变频器技术增添了新的生机，形成了高质量能量回馈技术的最新发展动态。
第二篇：毕业论文-变频调速能量回馈控制技术的现状与发展趋势
变频调速能量回馈控制技术的现状与发展趋势
摘 要: 通用变频器能量回馈PWM控制系统是一种采用有源逆变方式把电动机减速制动时产生的再生能量回馈电网的装置。它可以克服通用变频器传统制动电阻方式低效、难以满足快速制动和频繁正反转的不足，使通用变频器可在四象限运行。本文首先回顾了变频调速能量回馈控制技术的发展历史及现状。设计了一种基于智能功率模块IPM的新型控制系统，并详细介绍了主电路、控制电路、驱动和保护电路的设计思路。最后指出了能量回馈技术的发展趋势。
关键词:变频调速技术 能量回馈 再生制动 PWM控制 智能功率模块 检测技术
Abstract: General inverter energy feedback control system is a kind of device which feeds the regenerative energy produced by motor when decelerates and brakes back to the AC pow-er supply.It can overcome the disadvantages of the traditional method in low efficiency because using braking resistance.And it is easy to meet the need of braking rapidly and the need of running between forward and reverse frequently.Therefore inverters can run in four quadrants.The paper firstly reviews the development history and current situations of inverter energy feedback control technology, then, the paper gives a kind of new type control system based by Intelligent Power Module(IPM), and introduces the design of the main circuit, control circuit, driving and protect circuit in detail, points out the development trend of inverter energy feedback control technology at last.Keywords : Frequency Converter Energy feedback Regenerative braking PWM control Intelligent Power Module Detecting technology.1 引言
变频调速技术涉及电子、电工、信息与控制等多个学科领域。采用变频调速技术是节能降耗、改善控制性能、提高产品产量和质量的重要途径，已在应用中取得了良好的应用效果和显著的经济效益。但是，在对调速节能的一片赞誉中，人们往往忽视了进一步挖掘变频调速系统节能潜力和提高效率的问题。事实上，从变频器内部研究和设计的方面看，应用或寻求哪一种控制策略可以使变频驱动电机的损耗最小而效率最高？怎样才能使生产机械储存的能量及时高效地回馈到电网？这正是提高效率的两个重要途径。第一个环节是通过变频调速技术及其优化控制技术实现“按需供能”，即在满足生产机械速度、转矩和动态响应要求的前提下，尽量减少变频装置的输入能量;第二个环节是将由生产机械中储存的动能或势能转换而来的电能及时地、高效地“回收”到电网，即通过有源逆变装置将再生能量回馈到交流电网，一方面是节能降耗，另一方面是实现电动机的精密制动，提高电动机的动态性能。本文讨论的就是变频调速系统节能控制的第二个环节－变频调速能量回馈控制技术。在能源资源日趋紧张的今天，这项研究无疑具有十分重要的现实意义。通用变频器在应用中存在的问题
通用变频器大都为电压型交-直-交变频器。三相交流电首先通过二极管不控整流桥得到脉动直流电，再经电解电容滤波稳压，最后经无源逆变输出电压、频率可调的交流电给电动机供电。这类变频器功率因数高、效率高、精度高、调速范围宽，所以在工业中获得广泛应用。但是通用变频器不能直接用于需要快速起、制动和频繁正、反转的调速系统，如高速电梯、矿用提升机、轧钢机、大型龙门刨床、卷绕机构张力系统及机床主轴驱动系统等。因为这种系统要求电机四象限运行，当电机减速、制动或者带位能性负载重物下放时，电机处于再生发电状态。由于二极管不控整流器能量传输不可逆，产生的再生电能传输到直流侧滤波电容上，产生泵升电压。而以GTR、IGBT为代表的全控型器件耐压较低，过高的泵升电压有可能损坏开关器件、电解电容，甚至会破坏电机的绝缘，从而威胁系统安全工作，这就限制了通用变频器的应用范围。国内外能量回馈技术研究现状
为了解决电动机处于再生发电状态产生的再生能量，德国西门子公司已经推出了电机四象限运行的电压型交-直-交变频器，日本富士公司也成功研制了电源再生装置，如RHR系列、FRENIC系列电源再生单元，它把有源逆变单元从变频器中分离出来，直接作为变频器的一个外围装置，可并联到变频器的直流侧，将再生能量回馈到电网中。同时，已见到国外有四象限电压型交－直－交变频器及电网侧脉冲整流器等的研制报道。普遍存在的问题是这些装置价格昂贵，再加上一些产品对电网的要求很高，不适合我国的国情。国内在中小容量系统中大都采用能耗制动方式，即通过内置或外加制动电阻的方法将电能消耗在大功率电阻器中，实现电机的四象限运行，该方法虽然简单，但有如下严重缺点:
(1)浪费能量，降低了系统的效率。(2)电阻发热严重，影响系统的其他部分正常工作。(3)简单的能耗制动有时不能及时抑制快速制动产生的泵升电压，限制了制动性能的提高(制动力矩大，调速范围宽，动态性能好)。
上述缺点决定了能耗制动方式只能用于几十kW以下的中小容量系统。国内关于能量回馈控制的研究正在进行，但基本上都处于实验阶段，目前已经见到有关的文献报道，但尚未见这方面产品的报道。能量回馈系统的拓扑结构
按照所选用的功率开关器件的不同，能量回馈系统的拓扑结构可分为半控器件型结构和全控器件型结构两大类。
4.1 半控器件型(晶闸管型)结构
由于晶闸管的耐压、耐流、耐浪涌冲击能力是全控型功率器件所无法比拟的，加之驱动、保护电路简单，价格低廉等原因，采用晶闸管构成有源逆变电路在七、八十年代获得人们普遍的研究，即使在现阶段也仍有一定的实际意义。下面将要介绍几种
基于晶闸管的有源逆变电路的结构、基本原理以及优、缺点的对比。
(1)可控整流-可控有源逆变型
该方式是人们早期研究的一种方案。基本思路是在可控整流桥的基础上再反并联一套有源逆变装置，当电动机处于电动状态时，整流桥T’1~T’6工作;而当电动机处于发电状态时，随着直流回路电压的升高，三相可控整流器被封锁，三相可控有源逆变器T1~T6工作，将能量回馈到电网中，同时该方式有效的阻断了环流的发生。众所周知，在晶闸管逆变电路中，为保证逆变器换流的可靠性，对逆变角β有一定的限制，即βmin=300，同时为满足有源逆变的条件，避免直流环流，还应使变频器的最高直流侧电压Udmax小于逆变电压Uβmin，于是带来了两个问题:
1)较大的αmin将引起波形畸变干扰电网，并降低了电网的功率因数。
2)直流回路电压降低将使常规380V交流电机得不到充分利用。
为此人们又提出了一种可行的解决办法，就是将有源逆变器通过升压变压器与电网相连，整流电路改为不可控。显然，波形和功率因数都可得到改善，升压变压器可以切断上下桥臂产生的直流环流，同时为了限制交流环流以及满足有源逆变条件在电路中设置了电抗器，但它又有如下缺点:
1)增加的变压器和环流电抗器使装置的成本提高、体积增大。
2)因只要Uα< Uβ就会启动逆变装置，使逆变桥频繁工作，损耗增加;由于逆变电流较小，会使电流断续而造成电网电流波形畸变，产生高次谐波，使功率因数降低。虽然可以采用电压、电流滞环控制方法来克服这一缺陷，但所有的控制均基于对逆变角β的控制，这就大大增加了β角的控制难度。特别是在发生误触发时，没有有效的方法防止有源逆变器颠覆而产生的短路电流。
(2)可控整流/有源逆变复用型
Keiju.Matsui 等人提出了以下几种拓扑结构，其基本思路是利用一套可控整流桥既完成整流，又实现有源逆变，这样就可以减小装置的体积，降低成本。1)多脉宽调制(MPWM)方式
采用一个电抗器和一个大功率晶体管作为能量暂存环节。α<900时，晶闸管S1~S6工作在整流状态，Tr和Th不工作，电抗器L‘起续流作用;逆变时，α>900(β<900)，一旦交流线电压降为零，先开通大功率晶体管Tr，将能量暂时存在电感L中，当电流达到Tr的整定值时，关闭Tr，同时开通Th，由于电感L的续流作用，能量就通过晶闸管T?~T? 流回电网，周而复始，就可以将再生能量回馈电网。二极管D的作用是防止直流回路的短路电流通过Th流入电抗器L中。这种方案的优点是巧妙地利用一个整流桥同时实现整流和有源逆变两种功能，结构简单，体积较小。缺点是它的输出波形包含大量的低次奇次谐波，噪声大，同时能量回馈过程间断进行，回馈效率低，能量损耗较大，功率因数低。为减少MPWM输出波形包含的低次奇次谐波，进一步改善电路的结构，Keiju.Matsui等人提出了SPWM方式。
2)正弦波脉宽调制(SPWM)方式
该方式控制电路仅采用一只晶体管来实现能量的回馈控制，使电路的结构更加简单，且有效的抑制了低次谐波，但它需要晶闸管S1~S6的协调配合，同时该方案的开关损耗较大，能量回馈过程是间断进行的。为了获得连续的电流波形，Keiju.Matsui等人又提出了一种新的方案，即MCC方式。
3)可调的库克(MCC)方式
该方案是在MPWM方式的基础上增加一只大型电容器，通过控制电容器的充放电来保证能量回馈过程的连续，工作原理同MPWM一样，先将再生能量储存在电感中，待条件满足后再将能量回馈到电网中。该方案的优点是可以连续的回馈再生能量，保证了电流的连续性，从而使回馈的功率较高，开关损耗较小，但由于引人了大型电容器，使装置体积增大，成本提高，同时该电路输出电流波形包含较大的低次奇次谐波成分，易造成负载转矩脉动、噪声较大。
(3)滞环控制斩波-逆变回馈方式
上述几种方案虽然都能实现能量回馈控制，但其缺点是显而易见的，同时由于晶闸管存在强迫换流关断的问题，导致对直流侧电压有限制，若直流侧电压过高，则有可能由于晶闸管换流关断失败而导致逆变颠覆，这就限制了它们的应用。因此Dennis等人提出了一种基于晶闸管的新型回馈装置。其主电路结构如图4所示。主回路主要包括三部分:同步整流器SR、母线换相器BC、电流调节器CR。其基本思想是当直流母线电压达到一定值时启动该装置，通过控制回馈电流的大小，将再生能量有效的回馈到电网中。为了避免整流与有源逆变在一点来回切换，回馈电流采用滞环控制方式。该电路的工作原理如下:当直流母线电压达到一定值(如740V)时开通Q1，将能量回馈到电网，同步整流器SR以a=1800的固定相位角工作。随着回馈电流的增加，当电流传感器检测到电流超过设定值时关断Q1，此时回馈电流开始下降，当电流降到下限设定值时再开通Q1，如此循环往复。母线换相器BC的作用有二:一是为晶闸管的换相提供零电压钳位，以保证它们可靠地关断;二是在紧急状态时为能耗制动提供回路。其中大功率晶体管Q2在每次晶闸管换相时都触发导通一次，即每600相位角导通一次，为晶闸管提供零电压钳位，这样就可以确保晶闸管可靠地换相，并可以省去强迫换流电路。该方案采用电流滞环控制回馈电流，为一大类负载提供了一种切实可行的拓扑方案，具有一定的通用性。其特点如下:
1)可广泛应用于PWM交流传动的能量回馈制动场合，克服了晶闸管强迫换相对直流侧电压限制的缺点。
2)这种结构不产生任何异常的高次谐波电流成分，同时它控制方便，不需要辅助关断电路，是一种经济可行的方式。
3)通过在回路中增加电阻R1和开关Q2，提供了能耗制动的可选方式，可以实现紧急制动。基于晶闸管的再生能量回馈系统的优点是:结构和控制简单，成本较低，耐压和耐浪涌电流的能力较强，在大容量的逆变装置中具有一定的优势。但是其缺点是显而易见的:它输入功率因数低;输入侧有高次谐波存在，谐波损耗大;需要复杂的辅助关断电
路，从而使装置成本增加，体积增大，可靠性降低，动态响应慢。故一般用于较大容量和对系统动态性能和快速性要求不太高的场合。
4.2 全控器件型结构
全控型器件如GTR、MOSFET、IGBT或IPM具有开关频率高、集成度高和动态响应快等优点。采用上述的全控型器件作为有源逆变的功率开关器件可以提高系统的效率，抑制谐波和机械噪声，这使得基于全控型器件的能量回馈控制系统已经成为研究的重点。目前国内外流行的控制方式仅对电流回路进行滞环控制，虽然控制方式和控制电路比较简单，但系统的主要控制对象-回馈电流的控制精度难以保证，从而造成系统的动态性能和抗干扰性能较差，功能不够完善。回馈电流大小的控制是整个系统的核心环节。本系统创新之处是摈弃了传统的滞环控制方式，采用了PID技术和PWM控制技术，利用电压型PWM控制芯片SG3525A作为主控芯片进行闭环控制，综合了滞环控制方式和PWM控制方式的优点，克服了采用滞环控制时回馈电流波形差、其高频分量大、控制不精确的缺限，提高了系统的控制精度、动态性能和抗干扰性能。
控制系统包括同步信号获取电路、电压检测与控制电路、电流检测与控制电路、以及故障检测、显示与保护电路。其中，同步信号电路是有源逆变的基础和关键，回馈电流的检测与控制则是系统的控制核心和难点。
同步信号获取电路采用同步变压器降压全波整流法获取。实验表明，该方法线路简单，精度高，可以很好地满足控制系统的要求。
电压检测和控制电路采用高速高线性度光电耦合器TLP559将直流母线电压线性地变为弱电压信号，该信号经变换后为回馈电流提供控制信号，以决定是否开启逆变装置进行能量回馈。
电流检测及控制电路使回馈系统成为闭环控制系统。能量回馈过程中，首先要保证回馈电流的大小要满足回馈功率的要求。同时回馈电流的控制精度和纹波大小直接影响到系统的控制性能，因此对电流的实时检测与控制是一个非常关键的环节。本系统采用霍尔电流传感器对回馈电流进行检测，霍尔电流传感器的特点是体积小、响应速度快、准确度和线性度高，完全可以胜任电路的要求;采用PID调节器和SG3525A型PWM控制芯片进行脉宽调制，综合了滞环控制方式和PWM控制方式的优点，使系统能快速、准确地控制回馈能量。实验结果表明电流控制完全符合设计要求。系统提供交/直流过压、欠压、过流、缺相、交直流快熔保护和IPM故障等齐全保护措施，以保证系统和电路的正常工作，减小故障情况下的损失.采用新型功率器件-智能功率模块IPM是本系统的又一特色。IPM内部集成了高速、低耗的IGBT芯片和优化的门极驱动及过流、短路、欠压和过热保护电路，它提高了系统的性能和可靠性，降低了系统成本，缩短了产品开发周期，是值得推广的产品开发途径。能量回馈技术的新发展--双PWM控制技术
交-直-交电压型变频器的主电路输入侧一般是经三相不控桥式整流器向中间直流环节的滤波电容充电，然后通过PWM控制下的逆变器输入到交流电动机上。虽然这样的电路成本低、结构简单、可靠性高，但是由于采用三相桥式不控整流器使得功率因数低、网测谐波污染以及无法实现能量的再生利用等。消除对电网的谐波污染并提高功率因数，实现电机的四象限运行以构成变频技术不可回避的问题。为此，PWM整流技术的研究，新型单位功率因数变流器的开发，在国内外引起广泛的关注。传统的制动方法是在中间直流环节电容两端并联电阻消耗能量，这既浪费了能量，又不可靠，而且制动慢;或者设置一套三相有源逆变系统，但增加了变压器，加大了回馈装置的体积，增加了成本而且逆变电流波形畸变严重，电网污染重，功率因数低。而整流电路中采用自关断器件进行PWM控制，可是电网侧的输入电流接近正弦波并且功率因数达到1，可以彻底解决对电网的污染问题。
由PWM整流器和PWM逆变器无需增加任何附加电路，就可实现系统的功率因数约等于1，消除网侧谐波污染，能量双向流动，方便电机四象限运行，同时对于各种调速场合，使电机很快达到速度要求，动态响应时间短。位变频器双PWM控制结构，其中ia*、ib*、ic*是与电网电压ea、eb、ec具有同频同相位的电流信号，经PWM电流控制器与实际电流ia、、ib、ic比较生成6路PWM开关信号控制整流器中开关元件导通和关断，是实际电流跟随ia*、ib*、ic*、网侧功率因数约等于1。双PWM控制技术的工作原理:①当电机处于拖动状态时，能量由交流电网经整流器中间滤波电容充电，逆变器在PWM控制下降能量传送到电机;②当电机处于减速运行状态时，由于负载惯性作用进入发电状态，其再生能量经逆变器中开关元件和续流二极管向中间滤波电容充电，使中间直流电压升高，此时整流器中开关元件在PWM控制下降能量馈如到交流电网，完成能量的双向流动。同时由于PWM整流器闭环控制作用，使电网电流与电压同频同相位，提高了系统的功率因数，消除了网侧谐波污染。
双PWM控制技术打破了过去变频器的统一结构，采用PWM整流器和PWM逆变器提高了系统功率因数，并且实现了电机的四象限运行，这给变频器技术增添了新的生机，形成了高质量能量回馈技术的最新发展动态。
第三篇：变频调速能量回馈控制技术的现状与发展趋势解读
变频调速能量回馈控制技术的现状与发展趋势
摘 要:通用变频器能量回馈PWM控制系统是一种采用有源逆变方式把电动机减速制动时产生的再生能量回馈电网的装置。它可以克服通用变频器传统制动电阻方式低效、难以满足快速制动和频繁正反转的不足，使通用变频器可在四象限运行。本文首先回顾了变频调速能量回馈控制技术的发展历史及现状。设计了一种基于智能功率模块IPM的新型控制系统，并详细介绍了主电路、控制电路、驱动和保护电路的设计思路。最后指出了能量回馈技术的发展趋势。
关键词:变频调速技术 能量回馈 再生制动 PWM控制 智能功率模块 检测技术
引言
变频调速技术涉及电子、电工、信息与控制等多个学科领域。采用变频调速技术是节能降耗、改善控制性能、提高产品产量和质量的重要途径，已在应用中取得了良好的应用效果和显著的经济效益[1]。但是，在对调速节能的一片赞誉中，人们往往忽视了进一步挖掘变频调速系统节能潜力和提高效率的问题。事实上，从变频器内部研究和设计的方面看，应用或寻求哪一种控制策略可以使变频驱动电机的损耗最小而效率最高？怎样才能使生产机械储存的能量及时高效地回馈到电网？这正是提高效率的两个重要途径。第一个环节是通过变频调速技术及其优化控制技术实现“按需供能”，即在满足生产机械速度、转矩和动态响应要求的前提下，尽量减少变频装置的输入能量;第二个环节是将由生产机械中储存的动能或势能转换而来的电能及时地、高效地“回收”到电网，即通过有源逆变装置将再生能量回馈到交流电网，一方面是节能降耗，另一方面是实现电动机的精密制动，提高电动机的动态性能。本文讨论的就是变频调速系统节能控制的第二个环节－变频调速能量回馈控制技术。在能源资源日趋紧张的今天，这项研究无疑具有十分重要的现实意义。
通用变频器在应用中存在的问题
通用变频器大都为电压型交-直-交变频器，基本结构如图1所示。三相交流电首先通过二极管可控整流桥得到脉动直流电，再经电解电容滤波稳压，最后经无源逆变输出电压、频率可调的交流电给电动机供电。这类变频器功率因数高、效率高、精度高、调速范围宽，所以在工业中获得广泛应用。但是通用变频器不能直接用于需要快速起、制动和频繁正、反转的调速系统，如高速电梯、矿用提升机、轧钢机、大型龙门刨床、卷绕机构张力系统及机床主轴驱动系统等。因为这种系统要求电机四象限运行，当电机减速、制动或者带位能性负载重物下放时，电机处于再生发电状态。由于二极管可控整流器能量传输不可逆，产生的再生电能传输到直流侧滤波电容上，产生泵升电压。而以GTR、IGBT为代表的全控型器件耐压较低，过高的泵升电压有可能损坏开关器件、电解电容，甚至会破坏电机的绝缘，从而威胁系统安全工作，这就限制了通用变频器的应用范围[2]。
国内外能量回馈技术研究现状
为了解决电动机处于再生发电状态产生的再生能量，德国西门子公司已经推出了电机四象限运行的电压型交-直-交变频器，日本富士公司也成功研制了电源再生装置，如RHR系列、FRENIC系列电源再生单元，它把有源逆变单元从变频器中分离出来，直接作为变频器的一个外围装置，可并联到变频器的直流侧，将再生能量回馈到电网中[3]。同时，已见到国外有四象限电压型交－直－交变频器及电网侧脉冲整流器等的研制报道[4-9]。普遍存在的问题是这些装置价格昂贵，再加上一些产品对电网的要求很高，不适合我国的国情。国内在中小容量系统中大都采用能耗制动方式[10-13]，即通过内置或外加制动电阻的方法将电能消耗在大功率电阻器中，实现电机的四象限运行，该方法虽然简单，但有如下严重缺点[14-18]:
(1)浪费能量，降低了系统的效率。(2)电阻发热严重，影响系统的其他部分正常工作。(3)简单的能耗制动有时不能及时抑制快速制动产生的泵升电压，限制了制动性能的提高(制动力矩大，调速范围宽，动态性能好)。
上述缺点决定了能耗制动方式只能用于几十kW以下的中小容量系统。国内关于能量回馈控制的研究正在进行，但基本上都处于实验阶段，目前已经见到有关的文献报道[14-18]，但尚未见这方面产品的报道。
能量回馈系统的拓扑结构
按照所选用的功率开关器件的不同，能量回馈系统的拓扑结构可分为半控器件型结构和全控器件型结构两大类。
4.1 半控器件型(晶闸管型)结构
由于晶闸管的耐压、耐流、耐浪涌冲击能力是全控型功率器件所无法比拟的，加之驱动、保护电路简单，价格低廉等原因，采用晶闸管构成有源逆变电路在七、八十年代获得人们普遍的研究，即使在现阶段也仍有一定的实际意义。下面将要介绍几种基于晶闸管的有源逆变电路的结构、基本原理以及优、缺点的对比。
(1)可控整流-可控有源逆变型
该方式是人们早期研究的一种方案。基本思路是在可控整流桥的基础上再反并联一套有源逆变装置，当电动机处于电动状态时，整流桥T’1~T’6工作;而当电动机处于发电状态时，随着直流回路电压的升高，三相可控整流器被封锁，三相可控有源逆变器T1~T6工作，将能量回馈到电网中，同时该方式有效的阻断了环流的发生。其主回路结构如图2所示。
众所周知，在晶闸管逆变电路中，为保证逆变器换流的可靠性，对逆变角β有一定的限制，即βmin=300，同时为满足有源逆变的条件，避免直流环流，还应使变频器的最高直流侧电压Udmax小于逆变电压Uβmin，即:
(1)
式中:E为电源相电压有效值，△Um为允许的最高泵升电压。由(1)式可知，αmin应大于βmin。于是带来了两个问题:
1)较大的αmin将引起波形畸变干扰电网，并降低了电网的功率因数。
2)直流回路电压降低将使常规380V交流电机得不到充分利用。
为此人们又提出了一种可行的解决办法，就是将有源逆变器通过升压变压器与电网相连，整流电路改为不可控。显然，波形和功率因数都可得到改善，升压变压器可以切断上下桥臂产生的直流环流，同时为了限制交流环流以及满足有源逆变条件在电路中设置了电抗器，但它又有如下缺点:
1)增加的变压器和环流电抗器使装置的成本提高、体积增大。
2)因只要Uα< Uβ就会启动逆变装置，使逆变桥频繁工作，损耗增加;由于逆变电流较小，会使电流断续而造成电网电流波形畸变，产生高次谐波，使功率因数降低。
虽然可以采用电压、电流滞环控制方法来克服这一缺陷，但所有的控制均基于对逆变角β的控制，这就大大增加了β角的控制难度。特别是在发生误触发时，没有有效的方法防止有源逆变器颠覆而产生的短路电流。
(2)可控整流/有源逆变复用型
Keiju.Matsui 等人提出了以下几种拓扑结构[18-19]，其基本思路是利用一套可控整流桥既完成整流，又实现有源逆变，这样就可以减小装置的体积，降低成本。
1)多脉宽调制(MPWM)方式
主电路结构如图3所示。采用一个电抗器和一个大功率晶体管作为能量暂存环节。α900(β
这种方案的优点是巧妙地利用一个整流桥同时实现整流和有源逆变两种功能，结构简单，体积较小。缺点是它的输出波形包含大量的低次奇次谐波，噪声大，同时能量回馈过程间断进行，回馈效率低，能量损耗较大，功率因数低。
为减少MPWM输出波形包含的低次奇次谐波，进一步改善电路的结构，Keiju.Matsui等人提出了SPWM方式[20,21]。
2)正弦波脉宽调制(SPWM)方式
该方式控制电路仅采用一只晶体管来实现能量的回馈控制，使电路的结构更加简单，且有效的抑制了低次谐波，但它需要晶闸管S1~S6的协调配合，同时该方案的开关损耗较大，能量回馈过程是间断进行的。为了获得连续的电流波形，Keiju.Matsui等人又提出了一种新的方案，即MCC方式。
3)可调的库克(MCC)方式
该方案是在MPWM方式的基础上增加一只大型电容器，通过控制电容器的充放电来保证能量回馈过程的连续，工作原理同MPWM一样，先将再生能量储存在电感中，待条件满足后再将能量回馈到电网中。
该方案的优点是可以连续的回馈再生能量，保证了电流的连续性，从而使回馈的功率较高，开关损耗较小，但由于引人了大型电容器，使装置体积增大，成本提高，同时该电路输出电流波形包含较大的低次奇次谐波成分，易造成负载转矩脉动、噪声较大。
(3)滞环控制斩波-逆变回馈方式
上述几种方案虽然都能实现能量回馈控制，但其缺点是显而易见的，同时由于晶闸管存在强迫换流关断的问题，导致对直流侧电压有限制，若直流侧电压过高，则有可能由于晶闸管换流关断失败而导致逆变颠覆，这就限制了它们的应用。因此Dennis等人提出了一种基于晶闸管的新型回馈装置[22]。其主电路结构如图4所示。主回路主要包括三部分:同步整流器SR、母线换相器BC、电流调节器CR。其基本思想是当直流母线电压达到一定值时启动该装置，通过控制回馈电流的大小，将再生能量有效的回馈到电网中。为了避免整流与有源逆变在一点来回切换，回馈电流采用滞环控制方式。
该电路的工作原理如下:当直流母线电压达到一定值(如740V)时开通Q1，将能量回馈到电网，同步整流器SR以a=1800的固定相位角工作。随着回馈电流的增加，当电流传感器检测到电流超过设定值时关断Q1，此时回馈电流开始下降，当电流降到下限设定值时再开通Q1，如此循环往复。母线换相器BC的作用有二:一是为晶闸管的换相提供零电压钳位，以保证它们可靠地关断;二是在紧急状态时为能耗制动提供回路。其中大功率晶体管Q2在每次晶闸管换相时都触发导通一次，即每600相位角导通一次，为晶闸管提供零电压钳位，这样就可以确保晶闸管可靠地换相，并可以省去强迫换流电路[22]。
该方案采用电流滞环控制回馈电流，为一大类负载提供了一种切实可行的拓扑方案，具有一定的通用性。其特点如下:
1)可广泛应用于PWM交流传动的能量回馈制动场合，克服了晶闸管强迫换相对直流侧电压限制的缺点。
2)这种结构不产生任何异常的高次谐波电流成分，同时它控制方便，不需要辅助关断电路，是一种经济可行的方式。3)通过在回路中增加电阻R1和开关Q2，提供了能耗制动的可选方式，可以实现紧急制动。
基于晶闸管的再生能量回馈系统的优点是:结构和控制简单，成本较低，耐压和耐浪涌电流的能力较强，在大容量的逆变装置中具有一定的优势。但是其缺点是显而易见的:它输入功率因数低;输入侧有高次谐波存在，谐波损耗大;需要复杂的辅助关断电路，从而使装置成本增加，体积增大，可靠性降低，动态响应慢。故一般用于较大容量和对系统动态性能和快速性要求不太高的场合。
4.2 全控器件型结构
全控型器件如GTR、MOSFET、IGBT或IPM具有开关频率高、集成度高和动态响应快等优点。采用上述的全控型器件作为有源逆变的功率开关器件可以提高系统的效率，抑制谐波和机械噪声，这使得基于全控型器件的能量回馈控制系统已经成为研究的重点。目前国内外流行的控制方式仅对电流回路进行滞环控制[14-18]，虽然控制方式和控制电路比较简单，但系统的主要控制对象-回馈电流的控制精度难以保证，从而造成系统的动态性能和抗干扰性能较差，功能不够完善。
作者设计了一种全新的控制方案[25-28]，该方案采用PWM控制方式有效地克服了传统控制方式的缺陷，提高了系统的控制精度和动态性能。如图5所示。
回馈电流大小的控制是整个系统的核心环节。本系统创新之处是摈弃了传统的滞环控制方式，采用了PID技术和PWM控制技术，利用电压型PWM控制芯片SG3525A作为主控芯片进行闭环控制，综合了滞环控制方式和PWM控制方式的优点，克服了采用滞环控制时回馈电流波形差、其高频分量大、控制不精确的缺限，提高了系统的控制精度、动态性能和抗干扰性能。
控制系统包括同步信号获取电路、电压检测与控制电路、电流检测与控制电路、以及故障检测、显示与保护电路。其中，同步信号电路是有源逆变的基础和关键，回馈电流的检测与控制则是系统的控制核心和难点。
同步信号获取电路采用同步变压器降压全波整流法获取。实验表明，该方法线路简单，精度高，可以很好地满足控制系统的要求。
电压检测和控制电路采用高速高线性度光电耦合器TLP559将直流母线电压线性地变为弱电压信号，该信号经变换后为回馈电流提供控制信号，以决定是否开启逆变装置进行能量回馈。
电流检测及控制电路使回馈系统成为闭环控制系统。能量回馈过程中，首先要保证回馈电流的大小要满足回馈功率的要求。同时回馈电流的控制精度和纹波大小直接影响到系统的控制性能，因此对电流的实时检测与控制是一个非常关键的环节。本系统采用霍尔电流传感器对回馈电流进行检测，霍尔电流传感器的特点是体积小、响应速度快、准确度和线性度高，完全可以胜任电路的要求;采用PID调节器和SG3525A型PWM控制芯片进行脉宽调制，综合了滞环控制方式和PWM控制方式的优点，使系统能快速、准确地控制回馈能量。实验结果表明电流控制完全符合设计要求。
系统提供交/直流过压、欠压、过流、缺相、交直流快熔保护和IPM故障等齐全保护措施，以保证系统和电路的正常工作，减小故障情况下的损失。
采用新型功率器件-智能功率模块IPM是本系统的又一特色。IPM内部集成了高速、低耗的IGBT芯片和优化的门极驱动及过流、短路、欠压和过热保护电路，它提高了系统的性能和可靠性，降低了系统成本，缩短了产品开发周期，是值得推广的产品开发途径。
能量回馈技术的新发展--双PWM控制技术[23]
交-直-交电压型变频器的主电路输入侧一般是经三相不控桥式整流器向中间直流环节的滤波电容充电，然后通过PWM控制下的逆变器输入到交流电动机上。虽然这样的电路成本低、结构简单、可靠性高，但是由于采用三相桥式不控整流器使得功率因数低、网测谐波污染以及无法实现能量的再生利用等。消除对电网的谐波污染并提高功率因数，实现电机的四象限运行以构成变频技术不可回避的问题。为此，PWM整流技术的研究，新型单位功率因数变流器的开发，在国内外引起广泛的关注。传统的制动方法是在中间直流环节电容两端并联电阻消耗能量，这既浪费了能量，又不可靠，而且制动慢;或者设置一套三相有源逆变系统，但增加了变压器，加大了回馈装置的体积，增加了成本而且逆变电流波形畸变严重，电网污染重，功率因数低。而整流电路中采用自关断器件进行PWM控制，可是电网侧的输入电流接近正弦波并且功率因数达到1，可以彻底解决对电网的污染问题。
由PWM整流器和PWM逆变器无需增加任何附加电路，就可实现系统的功率因数约等于1，消除网侧谐波污染，能量双向流动，方便电机四象限运行，同时对于各种调速场合，使电机很快达到速度要求，动态响应时间短。图3位变频器双PWM控制结构，其中ia*、ib*、ic*是与电网电压ea、eb、ec具有同频同相位的电流信号，经PWM电流控制器与实际电流ia、、ib、ic比较生成6路PWM开关信号控制整流器中开关元件导通和关断，是实际电流跟随ia*、ib*、ic*、网侧功率因数约等于1。双PWM控制技术的工作原理:①当电机处于拖动状态时，能量由交流电网经整流器中间滤波电容充电，逆变器在PWM控制下降能量传送到电机;②当电机处于减速运行状态时，由于负载惯性作用进入发电状态，其再生能量经逆变器中开关元件和续流二极管向中间滤波电容充电，使中间直流电压升高，此时整流器中开关元件在PWM控制下降能量馈如到交流电网，完成能量的双向流动。同时由于PWM整流器闭环控制作用，使电网电流与电压同频同相位，提高了系统的功率因数，消除了网侧谐波污染。
双PWM控制技术打破了过去变频器的统一结构，采用PWM整流器和PWM逆变器提高了系统功率因数，并且实现了电机的四象限运行，这给变频器技术增添了新的生机，形成了高质量能量回馈技术的最新发展动态。
第四篇：变频调速系统的发展现状与前景展望
变频调速系统的发展现状与前景展望
清华大学电机系冬雷李永东
[摘要］了解近十年来国外通用变频器的技术发展对于深入了解交流传动与控制技术的发展走向以及如何站在高起点上结合我国国情开发我国自己的产品都具有十分积极的意义。
[关键词] 通用变频 电力电子 IGBT IPM PWM DTC
1.前言
交流传动与控制技术是目前发展最为迅速的技术之一，这是和冉力电子器件制造技术、变流技术控制技术以及微型计算机和大规模集成电路的飞速发展密切相关。
通用变频器作为早个商品开始在国内上市，是近十年的事，销售额逐年增加，于今全年有超过数十亿元（RMB）的市场。其中．各种进口品牌居多，功率小至百瓦大至数千千瓦；功能简易或复杂；精度低或高；响应慢或快：有PG（测速机）或无PG;有噪音或无噪音等等。
对于许多用户来说,这十年中经历了多次更新，现所使用的变频器大都属于目前最为先进的机型如果从应用的角度来说，我们的水准与发达国家没有什么两样。作为国内制造商,通过这十年来对国外的先进技术进行销化，也正在积极地进行国产变频器的自主开发．努力追赶世界发达国家的水平。
回顾近十年来国外通用变频器技术的发展对于深入了解交流传动与控制技术的走向，以及如何站在高起点上结合我国国情开发我国自己的产品应该说具有十分积极的意义.2.关于功率器件
变频技术是建立在电力电子技术基础之上的。在低压交流电动机的传动控制中，应用最多的功率器件有GTO、GTR、IGBT以及智能模块IPM(Intelligent Power Module），后面二种集GTR的低饱和电压特性和MOSFET的高频开关特性于一体是目前通用变频器中最广泛使用的主流功率器件。IGBT集射电压Vce可＜3V,频率可达到20KHZ,内含的集射极间超高速二极管Trr可达150ns,1992年前后开始在通用变频器中得到广泛应用。其发展的方向是损耗更低,开关速度更快、电压更高,容量更大(3.3KV、1200A), 目前，采用沟道型栅极技术、非穿通技术等方法大幅度降低了集电极一发射极之间的饱和电压[VCE（sat)]的第四代IGBT也已问世。
第四代IGBT的应用使变频器的性能有了很大的提高。其一是ICBT开关器件发热减少，将曾占主回路发热50－70％的器件发热降低了30％。其二是高载波控制，使输出电流波形有明显改善；其三是开关频率提高，使之超过人耳的感受范围，即实现了电机运行的静青化；其四是驱动功率减少，体积趋于更小。
而IPM的投入应用比IGBT约晚二年，由于IPM包含了1GBT芯片及外围的驱动和保护电路.甚至还有的把光耦也集成于一体，因此是种更为好用的集成型功率器件，目前，在模块额定由流10－600A范围内，通用变频器均有采用IPM的趋问，其优点是：
（l）开关速度快，驱动电流小，控制驱动更为简单。
〔2)内含电流传感器，可以高效迅速地检测出过电流和短路电流，能对功率芯片给予足够的保护，故障率大大降低。
（3)由于在器件内部电源电路和驱动电路的配线设计上做到优化，所以浪涌电压，门极振荡，噪声引起的干扰等问题能有效得到控制。
（4）保护功能较为丰富，如电流保护、电压保护、温度保护一应俱全，随着技术的进步，保护功能将进一步日臻完善。
（5｝IPM的售价已逐渐接近IGBT．而计人采用IPM后的开关电源容量、驱动功率容量的减小和器件的节省以及综合性能提高等因素后在许多场合其性价比已高过IGBT，有很好的经济性。为此IPM除了在工业变频器中被大量采用之后，经济型的IPM在近年内也开始在一些民用品如家用空调变频器，冰箱变频器、洗衣机变频器中得到应用。IPM也在向更高的水平发展，日本三菱电机最近开发的专用智能模块ASIPM将不需要外接光耦，通过内部自举电路可单电源供电并采用了低电感的封装技术，在实现系统小型化，专用化，高性能，低成本方面又推进了一步。
3.关于控制方式
早期通用变频器如东芝TOSVERT－130系列、FUJI FVRG5／P5系列，SANKEN SVF系列等大多数为开环恒压比（V／F=常数）的控制方式．其优点是控制结构简单、成本较低，缺点是系统性能不高，比较适合应用在风机、水泵调这场合。具体来说，其控制曲线会随着负载的变化而变化；转矩响应慢，电视转矩利用率不高，低速时因定子电阻和逆变器死区效应的存在而性能下降稳定性变差等。对变频器U／F控制系统的改造主要经历了三个阶段；
第一阶段：
1.八十年代初日本学者提出了基本磁通轨迹的电压空间矢量（或称磁通轨迹法）。该方法以三
相波形的整体生成效果为前提，以逼近电机气隙的理想圆形旋转磁场轨迹为目的，一次生成二相调制波形。这种方法被称为电压空间矢量控制。典型机种如1989年前后进入中国市场的FUJI（富士）FRN5OOOG5/P5、SANKEN（三垦）MF系列等。
②引人频率补偿控制，以消除速度控制的稳态误差
③基于电机的稳态模型，用直流电流信号重建相电流，如西门子MicroMaster系列,由此估算出磁链幅值，并通过反馈控制来消除低速时定子电阻对性能的影响。
④将输出电压、电流进行闭环控制，以提高动态负载下的电压控制精度和稳定度，同时也一定程度上求得电流波形的改善。这种控制方法的另一个好处是对再生引起的过电压、过电流抑制较为明显，从而可以实现快速的加减速。
之后，1991年由富士电机推出大家熟知的FVR与 FRNG7／P7系列的设计中，不同程度融入了②3．④项技术，因此很具有代表性。三菱日立，东芝也都有类似的产品。然而，在上述四种方法中，由于未引入转矩的调节，系统性能没有得到根本性的改善.第二阶段：
矢量控制。也称磁场定向控制。它是七十年代初由西德 F.Blasschke等人首先提出，以直流电动机和交流电动机比较的方法分析阐述了这一原理，由此开创了交流电动机等效直流电动机控制的先河。它使人们看到交流电动机尽管控制复杂，但同样可以实现转矩、磁场独立控制的内在本质。
矢量控制的基本点是控制转子磁链，以转子磁通定向，然后分解定子电流，使之成为转矩和磁场两个分量，经过坐标变换实现正交或解耦控制。但是，由于转子磁链难以准确观测，以及矢量变换的复杂性，使得实际控制效果往往难以达到理论分析的效果，这是矢量控制技术在实践上的不足。此外．它必须直接或间接地得到转子磁链在空间上的位置才能实现定子电流解耦控制，在这种矢量控制系统中需要配留转子位置或速度传感器，这显然给许多应用场合带来不便。仅管如此，矢量控制技术仍然在努力融入通用型变频器中，1992年开始，德国西门子开发了6SE70通用型系列，通过FC、VC、SC板可以分别实现频率控制、矢量控制、伺服控制。1994年将该系列扩展至315KW以上。目前，6SE70系列除了200KW以下价格较高，在200KW以上有很高的性价比。
第三阶段：
1985年德国鲁尔大学Depenbrock教授首先提出直接转矩控制理论（Direct Torque
Control简称DTC）。直接转矩控制与矢量控制不同，它不是通过控制电流、磁链等量来间接控制转矩，而是把转矩直接作为被控量来控制。
转矩控制的优越性在于：转矩控制是控制定子磁链，在本质上并不需要转速信息；控制上对除定子电阻外的所有电机参数变化鲁棒性良好；所引入的定子磁键观测器能很容易估算出同步速度信息。因而能方便地实现无速度传感器化。这种控制方法被应用于通用变频器的设计之中，是很自然的事，这种控制被称为无速度传感器直接转矩控制。然而，这种控制依赖于精确的电机数学模型和对电机参数的自动识别（Identification向你ID),通过ID运行自动确立电机实际的定子阻抗互感、饱和因素、电动机惯量等重要参数，然后根据精确的电动机模型估算出电动机的实际转矩、定子碰链和转子速度，并由磁链和转矩的Band－Band控制产生PWM信号对逆变器的开关状态进行控制。这种系统可以实现很快的转矩响应速度和很高的速度、转矩控制精度。
1995年ABB公司首先推出的ACS600直接转矩控制系列，已达到<2ms的转矩响应速度在带PG时的静态速度精度达土O.01%，在不带PG的情况下即使受到输入电压的变化或负载突变的影响，向样可以达到正负0.1％的速度控制精度。其他公司也以直接转矩控制为努力目标，如安川VS－676H5高性能无速度传感器矢量控制系列，虽与直接转矩控制还有差别，但它也已做到了100ms的转矩响应和正负0.2%（无PG）,正负0.01％（带 PG）的速度控制精度，转矩控制精度在正负3％左右。其他公司如日本富士电机推出的FRN 5000G9／P9以及最新的FRN5000Gll／P11系列出采取了类似无速度传感器控制的设计，性能有了进一步提高，然而变频器的价格并不比以前的机型昂贵多少。
控制技术的发展完全得益于微处理机技术的发展，自从1991年INTEL公司推出8X196MC系列以来，专门用于电动机控制的芯片在品种、速度、功能、性价比等方面都有很大的发展。如日本三菱电机开发用于电动机控制的M37705、M7906单片机和美国德州仪器的TMS320C240DSP等都是颇具代表性的产品。
4.关于PWM技术
PWM控制技术一直是变频技术的核心技术之一。1964年A.Schonung和H.stemmler首先在<
从最初采用模拟电路完成三角调制波和参考止弦波比较，产生止弦脉宽调制SPWM信号以控制功率器件的开关开始，到目前采用全数字化方案，完成优化的实时在线的PWM信号输出，可以说直到目前为止，PWM在各种应用场合仍占主导地位,并一直是人们研究的热点。
由于PWM可以同时实现变频变压反抑制谐波的特点，由此在交流传动乃至其它能量变换系
统中得到广泛应用。PWM控制技术大致可以分为三类，正弦PWM（包括电压，电流或磁通的正弦为目标的各种PWM方案，多重PWM也应归于此类），优化PWM及随机PWM。正弦PWM已为人们所熟知，而旨在改善输出电压、电流波形，降低电源系统谐波的多重PWM技术在大功率变频器中有其独特的优势（如 ABB ACS1000系列和美国ROBICON公司的完美无谐波系列等）；而优化PWM所追求的则是实现电流谐波畸变率（THD）最小，电压利用率最高，效率最优，及转矩脉动最小以及其它特定优化目标。
在70年代开始至80年代初，由于当时大功率晶体管主要为双极性达林顿三极管，载波频率一般最高不超过5KHZ，电机绕组的电磁噪音及谐波引起的振动引起人们的关注。为求得改善，随机PwM方法应运而生。其原理是随机改变开关频率使电机电磁噪音近似为限带白噪声（在线性频率坐标系中，各频率能量分布是均匀的），尽管噪音的总分贝数未变，但以固定开关频率为特征的有色噪音强度大大削弱。正因为如此，即使在IGBT已被广泛应用的今天，对于载波频率必须限制在较低频率的场合，随机PWM仍然有其特殊的价值（DTC控制即为一例）；另一方面则告诉人们消除机械和电磁噪音的最佳方法不是盲目地提高工作频率，因为随机PWM技术提供了一个分析、解决问题的全新思路。
5.展望
通用变频器的发展是世界高速经济发展的产物。其发展的趋势大致为：
5.l主控一体化
日本三菱公司将功率芯片和控制电路集成在一快芯片上的DIPIPM（即双列直插式封装）的研制已经完成并推向市场。一种使逆变功率和控制电路达到一体化，智能化和高性能化的HVIC（高耐压IC）SOC（System on Chip）的概念已被用户接受，首先满足了家电市场低成本、小型化、高可靠性和易使用等的要求。因此叶以展望，随着功率做大，此产品在市场上极具竞争力。
5.2 小型化
用日本富士（FUJI）电机的三添胜先生的话说，变频器的小型化就是向发热挑战。这就是说变频器的小型化除了出自支撑部件的实装技术和系统设计的大规模集成化，功率器件发热的改善和冷却技术的发展已成为小型化的重要原因。ABB公司将小型变频器定型为Comp－ACTM他向全球发布的全新概念是，小功率变频器应当象接触器、软起动器等电器元件一样使用简单，安装方便，安全可靠。
5.3低电磁噪音化
今后的变频器都要求在抗干扰和抑制高次谐波方面符合EMC国际标准，主要做法足在变频器输入侧加交流电抗器或有源功率因数校正（Active Power Factor Correction． APFC）电路，改善输入电流波形降低电网谐波以及逆变桥采取电流过零的开关技术。而控制电源用的开关电源将推崇半谐振方式，这种开关控制方式在30－50MhZ时的噪声可降低15－20dB。
5.4专用化
通用变频器中出现专用型家族是近年来的事。其目的是更好发挥变频器的独特功能并尽可能地方便用户。如用于起重税负载的 ARB ACC系列，用广交流电梯的 Siemens MICO340系列和FUJI FRN5000G11UD系列，其他还有用于恒压供水、上作机械主轴传动、电源再生、纺织、机车牵引等专用系列。
5.5系统化
作为发展趋势，通用变频器从模拟式、数字式、智能化、多功能向集中型发展。最近，日本安川由机提出了以变频器，伺服装置，控制器及通讯装置为中心的”D&M&C”概念，并制定了相应的标准。目的是为用户提供最佳的系统。因此可以预见在今后．变频器的高速响应件和高性能什将是基本条件。
第五篇：变频调速系统的发展现状与前景展望
变频调速系统的发展现状与前景展望
摘要：详细介绍了目前变频调速领域研究的热点问题，分析了最新技术发展对变频调速系统产业化所带来的影响，并对变频调速系统的发展前景进行了预测。
关键词：变频调速系统；现状；展望
一、在小功率交流调速方面，由于国外产品的规模效应，使得国内厂家在价格上、工艺上和技术上均无法与之抗衡。而在高压大功率方面，国外公司又为我们留下了赶超的空间。首先，国外的电网电压等级一般为3000V，而我国的电网电压等级为6000V和10000V；其次，高压大功率交流调速系统无法进行大规模的批量生产，而国外的劳动力成本，特别是具有一定专业知识的劳动力成本较高。
目前，研究较多的大功率逆变电路有：
多电平电压型逆变器
变压器耦合的多脉冲逆变器
交交变频器
双馈交流变频调速系统
（1）多电平电压型逆变器
日本长冈科技大学的A.Nabae等人于1980年在IAS年会上首次提出三电平逆变器，又称中点箝位式（Neutral Point Clamped）逆变器。它的出现为高压大容量电压型逆变器的研制开辟了一条新思路。
多电平电压型逆变器与普通双电平逆变器相比具有以下优点：
1.更适合大容量、高电压的场合。
2.可产生M层梯形输出电压，对阶梯波再作调制可以得到很好近似的正弦波，理论上提高电平数可接近纯正弦波型、谐波含量很小。
3.电磁干扰（EMI）问题大大减轻，因为开关元件一次动作的dv/dt通常只有传统双电平的1/（M-1）。
4.效率高，消除同样谐波，双电平采用PWM控制法开关频率高、损耗大，而多电平逆变器可用较低频率进行开关动作、开关频率低、损耗小，效率提高。
（2）变压器耦合的多脉冲逆变器
变压器耦合的多脉冲逆变器的三电平电路中，要获得更多电平只须将每相所串联的单元逆变桥数目同等增加即可。其优点为：
1.不存在电压均衡问题。无需箝位二极管或电容，适于调速控制；
2.模块化程度好，维修方便；
3.对相同电平数而言，所需器件数目最少；
4.无箝位二极管或电容的限制，可实现更多电平，上更高电压，实现更低谐波；
5.控制方法相对简单，可分别对每一级进行PWM控制，然后进行波形重组。
当然，这种结构的不足之处在于需要很多隔离的直流电源，应用受到一定限制。
（3）交交变频器
交交变频器采用晶闸管作为主功率器件，在轧机和矿井卷扬机传动方面有很大的需求。晶闸管的最大优点就是开关功率大（可达5000V/5000A），适合于大容量交流电机调速系统。同时，大功率晶闸管的生产和技术功能技术相当成熟，通过与现代交流电机控制理论的数字化结合，将具有较强的竞争力。但是交交变频器也存在一些固有缺点：调速范围小，当电源为50Hz时，最大输出频率不超过20Hz；另一方面，功率因数低、谐波污染大，因此需要同时进行无功补偿和谐波治理。
（4）双馈交流变频调速系统
双馈交流变频调速系统的变频器功率小、功率因数可调、系统可靠性较高，因此近来受到了许多研究人员的重视。由于变频器的功率只占电机容量的25%，因此可以大大降低系统的成本。但是，双馈交流变频调速系统中的电机需要专门设计，不能使用普通的异步电机；而且受变频器容量和调速范围的限制，不具备软起动的能力。
二、高性能交流调速系统
V/f恒定、速度开环控制的通用变频调速系统和滑差频率速度闭环控制系统，基本上解决了异步电机平滑调速的问题。然而，当生产机械对调速系统的动静态性能提出更高要求时，上述系统还是比直流调速系统略逊一筹。原因在于，其系统控制的规律是从异步电机稳态等效电路和稳态转矩公式出发推导出稳态值控制，完全不考虑过渡过程，系统在稳定性、起动及低速时转矩动态响应等方面的性能尚不能令人满意。
考虑到异步电机是一个多变量、强耦合、非线性的时变参数系统，很难直接通过外加信号准确控制电磁转矩，但若以转子磁通这一旋转的空间矢量为参考坐标，利用从静止坐标系到旋转坐标系之间的变换，则可以把定子电流中励磁电流分量与转矩电流分量变成标量独立开来，进行分别控制。这样，通过坐标变换重建的电动机模型就可等效为一台直流电动机，从而可象直流电动机那样进行快速的转矩和磁通控制即矢量控制。
和矢量控制不同，直接转矩控制屏弃了解耦的思想，取消了旋转坐标变换，简单地通过检测电机定子电压和电流，借助瞬时空间矢量理论计算电机的磁链和转矩，并根据与给定值比较所得差值，实现磁链和转矩的直接控制。
尽管矢量控制与直接转矩控制使交流调速系统的性能有了较大的提高，但是还有许多领域有待研究：
（1）磁通的准确估计或观测
（2）无速度传感器的控制方法
（3）电机参数的在线辨识
（4）极低转速包括零速下的电机控制
（5）电压重构与死区补偿策略
（6）多电平逆变器的高性能控制策略
三、展望
在交流调速的研究与制造过程中，硬件的设计与组装占了相当大的比重。电机制造以及调速装置的制造需要大批的技术熟练工人，对
人员的素质有一定要求。而国外相关产业的人工成本相对较高，在近十年内，交流调速的制造业有可能向发展中国家转移。对中国来说，这也是一个机遇，如果我们抓住这个机会，再利用本身的市场有利条件，有可能在我国形成交流调速系统的制造业中心，使我国工业上一个新的台阶。需要注意的是发达国家在高技术领域是不会轻易放弃的，他们非常注意核心技术及软件的保护和保密，为此，必须加大该领域的科研与开发的力度。
参考文献：
[1]王树.变频调速系统设计与应用.机械工业出版社,2005
[2]丁斗章.变频调速技术与系统应用.机械工业出版社,2005
[3]周志敏、周纪海、纪爱华.变频调速系统设计与维护.中国电力出版社，2007
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