变频调速及控制技术的发展趋势

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       能源需求正极大地影响着全球经济发展。我国同样也面临着经济增长对能源需求的压力。九十年代我国高耗能产品的耗能量比发达国家高12-55%，能源综合利用效率仅为32%。

　　我国迫切需要提高能源利用效率。电机是能源消耗大户之一。我国电机总装机容量已达4亿千瓦，年耗电量达6000亿千瓦时，占工业耗电量的80%，然而直到目前，我国各类在用电机80%以上还是中小型异步电动机，可见我国在电机节能领域有非常大的潜力。电机节能技术最受瞩目的就是变频调速技术。但是，我国变频调速技术研究虽然非常活跃，然而产业化仍很不理想，外国产品几乎占据了我国变频调速技术市场的60%。

　　变频调速技术的现状

　　20世纪是变频调速技术由诞生到发展的时代。特别是20世纪90年代以后，IGBT、IGCT（集成门极换向性晶闸管）等新型电力电子器件的发展、 DSP（数字信号处理器）和ASIC（专用集成电路）的快速发展以及新颖控制理论和技术（如磁场定向矢量控制、直接转矩控制等）的完善，使变频调速系统在调速范围、调速精度、动态响应、功率因数、运行效率和使用方便等性能指标超过了直流调速系统，达到取代直流调速的地步，受到各行业的欢迎并取得显著的经济效益。

　　变频调速及控制技术的发展趋势

　　1．高压大功率的变频调速系统

　　在我国低压变频调速装置已得到用户的认可，市场总量已达2000年的约40亿人民币，并显示出其节能效果。据统计，我国低压（690V以下）电机数量是高压电机的几十倍，但耗能仅为高压电机的八分之一。近来国际上高压大电流功率器件的出现以及并、串联技术的发展，使高压大功率的变频调速得以实现，其使用效果平均节能可达30%，有着十分明显的节能效果。但我国尚在启动期，许多技术如多电平电压型逆变器。变压器耦合多脉冲逆变器等技术还须迅速跟上。无论是新建项目如西气东调、南水北调等重大工程或是技术改造项目都是高压大功率变频调速系统巨大的潜在市场。

　　2．永磁同步电动机及其控制系统的发展

　　具有快速电流跟踪系统的变频装置、DSP信号处理器以及高性能钕铁硼永磁材料的发展，为各类永磁同步电动机及其控制系统的发展带来生机。

　　永磁同步无龄轮电动机及控制系统，是新一代的绿色电梯驱动装置。国外该类电梯专用变频装置有十分完善的软件支持，可接受任意位置传感器的反馈信号，具有自学习功能，自动识别电动机参数，在实现磁场定向伺服时，自动进行初始定位，具有和直流电动机一样优良的线性转矩控制特性。其体积小、效率高、功率因数高、振动小、噪声低，平层精度好，在高层建筑、无机房电梯和家庭小梯中都有很大的市场。但电动机需直接输出大转矩，并减小低速转矩波动，有一定设计难度。

　　电动汽车、混合型电动汽车以及电动船舶的驱动装置亦首选永磁同步电动机。在这种应用场合特别需要关注的是磁路结构，寻求大的Xp/Xd值，以获得大的恒功率调速范围和大的动态转矩。

　　具有快速动态响应、硬机械特性、极宽调速范围。

      良好的低速平稳性以及位置和轨迹精确控制的全数字化永磁同步伺服系统，是现代自动化装备中最重要的执行部件，可广泛应用于高精度数控机床、机器人等，目前国内市场仍是进口产品的一统天下。

　　3．变频调速系统中PWM技术的发展

　　PWM控制是变频调速系统的核心，任何控制算法几乎都是以各种PWM控制方式实现。九十年代以来的产品，正弦形PWM（SPWM）调制方法已逐步为以下方式取代：

　　快速电流跟踪PWM技术

　　快速电流跟踪型PWM逆变器为电流控制型的电压源逆变器，一般采用滞环电流控制，使三相电流快速跟踪指令电流。该逆变器硬件简单，电流控制响应快，兼有电压和电流控制型逆变器的优点，普遍用于PMSM伺服系统和异步电动机矢量变换控制系统。

　　磁链跟踪控制PWM技术

　　这种方法把逆变器和电动机视为一体，以三相对称正弦波电压供电时交流电动机理想的圆形磁场为基准，用逆变器不同开关模式所产生的实际磁链矢量来跟踪基准磁链园，由跟踪结果决定逆变器的开关模式，形成PWM波。由于磁链的轨迹是靠空间矢量的选择来实现，因此又称电压空间矢量法。

　　直接转矩的智能控制PWM技术

　　常规的直接转矩PWM技术无法区别转矩、磁链的非常大的偏差和相对小的偏差，这将造成电机启动期间系统的停滞。而采用智能控制中的模糊控制，可以通过定子磁链的空间位置，由一系列偏差的正大，正小等模糊语言，根据模糊规则推出逆变器的开关模式，使系统性能改善。

　　双PWM控制技术

　　交一直一交电压型逆变器是目前最广泛使用的型式，但常对电网构成谐波污染。目前双PWM控制技术的研究非常活跃，即由PWM整流器和PWM逆变器组成的双PWM变频器无须任何附加电路就可使电网侧的输入电流接近正弦波，使系统的功率因数约为1，彻底消除网侧的谐波污染，并实现了四象限运行。

　　4．矢量控制技术和直接转矩控制技术的发展

　　矢量变换控制技术

　　自1971年矢量变换技术控制理论建立以来，以转子磁场定向，采用矢量变换的方法，实现异步电动机转速和磁链控制的完全介耦。从而使异步电动机具有和直流电动机一样优良的控制性能。该技术得到了广泛地应用。

　　无速度传感器矢量变换控制技术

　　矢量变换控制系统在低速尤其是在零转速时的性能以及速度传感器的安装和维护影响了控制系统的性能、可靠性、价格和简便性。因而无速度传感器矢量变换技术成为研究的热点，受到学术界和产业界的高度重视。该技术的关键是如何获取速度信号，常用的方法有：从电机的基本议程式导出速度方程式进行计算：根据自适应控制理论，选择合适的参考模型，利用自适应法识别速度；转子空间信息法——利用高频注入电流，辩识出转子的位置和速度，国外已有相关产品，调速范围可达 1：75。

　　直接转矩控制的低速模型的建立

　　本模型的建立，还存在许多困难，尤其是定子电阻的识别。

　　还需要进一步研究和完善的课题有：

　　磁链的准确估计和观测；无速度传感器的实现；电机参数的在线识别；低转速、零转速下转矩的控制；多电平逆变器高性能控制的策略。