（机械电子工程专业论文）基于软开关技术的交流调速系统逆变电路的研究.pdf

西华大学硕士学位论文 基于软开关技术的交流调速系统逆变电路的研究 机械电子工程专业 研究生王宏指导老师陈守强 逆变技术随着自动控制理论、电力电子技术、电子计算机、微电子学等的 发展已经进入了一个新的时代，其应用也相应地进入了一个新的高潮。这主要 表现在逆变器朝着高频化方向发展，因为随着开关频率的提高，逆变器的输出 电流波形中的谐波成分大量减小，电流波形会更接近理想波形，但逆变器的高 频化必须解决开关损耗的问题。因为开关损耗随开关频率的提高而急速增加， 感性关断电压尖峰大，容性开通电流尖峰大，电磁干扰严重等问题日益突出， 软开关技术是解决这些问题的重要手段。 目前国内外针对软开关技术的理论进展非常迅速，软开关的控制模式更是 五花a f 。但软开关技术在逆变技术中的应用研究却非常不够，还面临一些有 待进一步改善的问题，针对这些问题本文则着重研究了软开关技术在逆变器中 应用的总体技术方案。在此基础上充分论证了采用辅助二极管极谐振软开关逆 变电路( a d r p i ) 来构造软开关逆变器的总体方案结构。分析了该软开关逆变 电路的工作原理和工作过程，特别是较深入地探讨了a d r p i 应用中的一些主 要问题。在此基础上本文重点分析了软开关的零电压操作及其工程实现问题， 其中一个关键技术是电路过零检测技术。如果不能准确地检测出零电压，则“软 开关”就无从谈起，因此在理论分析的基础上设计了专门的零电压检测电路。 本文的另一个重要研究内容是对a d r p i 软开关逆变器的死区问题进行了研究 分析，软开关技术中的死区问题几乎在所有地文献中都未提及，而死区又是产 生电流畸变地主要因素之一，因此论文对它进行了探讨和论证。在对上述软开 关逆变器主电路及控制方法进行理论分析的基础上，完成了这种逆变电路的设 计，并进行了系统仿真分析和实验验证。 关键词：软开关，逆变器，死区，仿真 西华大学硕士学位论文 s t u d y i n go f t h ea cd r i v es y s t e mi n v e r t o rc i r c u i t b a s e d0 1 1 1s o f t - s w i t c h i n gt e c h n o l o g y m a j o r ：m e c h a t r o n i c a le n g i n e e r i n g p o s t g r a d u a t e ：w a n gh o n gs u p e r v i s o r ：c h e ns h o u - q i a n g w i t ht h ed e v e l o p m e n to fa u t o m a t i cc o n t r o lt h e o r y , e l e c t r i cp o w e ra n de l e c t r o n i c t e c h n o l o g y , e l e c t r o n i cc o m p u t e r , a n dm i c r o e l e e t r o n i e sa n ds oo n , i n v e r t e rt e c h n o l o g yh a s e l l t e r e dan e we r a , a n di t sa p p l i c a t i o nh a sr e a c h e dan e wc l i m a xa c c o r d i n g l y , w h i c hl i e sm o s t l y i nt h eh i g h - f r e q u e n c yd i r e c t i o no fi n v e r t e r w i t ht h ee n l l a n e e m e n to ft u m - o r lf r e q u e n c y , t h e q u e s t i o n sa r ei n c r e a s i n g l yp r o m i n e n tt h a tt h es w i t c hl o s e si n c r e a s er a p i c u y , t h ep e r c e p t u a l s h u t - d o w nv o l t a g ep e a l 【i sh i g h , t h ea l l o w a n c ec l e a rc u r r e n tp e a ki sa l s ol l i g i i ，a n dt h e e l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c ei ss e r i o u s ，s ot h e s w i t c hl o s e sa l o n gw i t ht h eh i g h - f i e q u e n e y i n v e r t e rm u s tb es e t t l e d , a n dt h es o i l - s w i t c h i n gt e c h n o l o g yi sc o m i n gf o r t ha sak e yt ot h e s e q u e s t i o n s n o wt h et h e o r i e sw i t hr e l a t i o nt os o i l - s w i t c h i n gt e c h n o l o g yh o m ea n db r o a da l e a d v a n c i n gv e r yf a s t , a n dt h es o i l - s w i t c h i n gc o n t r o ln l o d c sm n u m e r o u s b u tt h es o f t - s w i t c h i n g t e c h n o l o g ya c h i e v e sm u c hl e s sa l p l i c a t i o r ti ni n v e r t e rt e c h n o l o g y , a n ds o m eq u e s t i o n st ob e i m p r o v e da c o n f r o n t e d t ot h e s eq u e s t i o n s t h ep a p e rp u t sm o l ei m p o r t a n tr e s e a r c ho nt h e w h o l es c h e m ea b o u tt h ea p p l i c a t i o no fs o f t - s w i t e h i n gt e c h n o l o g yi ni n v e r t e r , b a s e do l lw h i c h , t h e n , t h ew h o l es c h e m es t r u c t u l et h a tc 锄c o n s t r u c t st h es o i l - s w i t c h i n gi n v e r t e re m p l o y i n g a d r p ii sd e m o n s t r a t e di nd e t a i l s i na d d i t i o n , t h ep a p e ra n a l y z e st h ew o r kp r i n c i p l ea n d p r o c e s so ft h es o f t - s w i t c h i n gi n v e r t e rc i r c u i t , e s p e c i a l l yd i s c u s s e st h o r o u g h l ys o m em a i n p r o b l e m si na d r p ia p p l i c a t i o n o nt h eb a s eo fw h a ti sr e f e r r e da b o v e ，t h ep a p e re m p h a s i z e s a n a l y z i n gt h ez e r ov o l t a g ea n de n g i n e e r i n ga c h i e v e m e n to ft h e s o f ts w i t c h i n g , t h ek e y t e c h n o l o g yo fw h i c hi st h ec h e c k i n gt e e l m o l o g yw h e nc i r c u i ti so v e r7 _ , e l o i ft h ez e v o l t a g e c a n t b ec h e c k e d e x a c t l y , t h e s o t ts w i t c h i n g ”i s o f i m i g n i f i e a n e e 。t h e r e f o r e t h e p a p e r h a s 西华大学硕士学位论文 d e s i g n e dt h ec h e c kc i r c u i to fz e v o l t a g ea f t e rz m l y z i n gt h ec o r r e l a t i v et h e o r y b e s i d e s t h e r e s e a r c hi sa l s om a d eo nt h ed e a d - t i m eq u e s t i o no f t h ea d r p i s o f t - s w i s h i n gi n v e r t e r , w h i c hi s l e s sr e l a t e di na l m o s tl i t e r a t u r e d e a d - t i m ei so n eo ft h em a i nf a c t o r st h a tb r o u g h tc u r r e n t a b a t a 瓣s oi ti sd i s c u s s e da n dp r o v e di n t h i sp a p e r a r e rt h et h e o r ya n a l y s i so ft h em a i n c i r c u i to fs o r - s w i t c h i n gi n v e r t e ra n dc o n t r o lm o d ei sc o n d u c t e d , t h ei n v e r t e rc i r c u i th a sb e e n d e s i g n e d , a n dt h es i m u l a t i o na n a l y s i s o fs y s t e ma n d 【p 日i n 删d e m o n s t r a t i o na u r l l , l e m e n t e dm e a n t i m e k e y w o r d s ：s o f t - s w i t c h i n g ，i n v e r t e r , d e a d t i m e ，s i m u l a t i o n h i 西华大学硕士学位论文 声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。需要强调的是本人所研究的课题是接前面他人做过的研究而做的 后续研究，论文中的部分内容包括有前面他人所做的相关研究内容和研究材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示谢意。 本学位论文成果是本人在西华大学读书期间在导师指导下取得的，论文成 果归西华大学所有，特此声明。 作者签名：互宕 导师签名：一豫暑扳 p 7 年厂月加 z 卯7 年，月弘日 西华大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 本课题的研究背景 、 电力电子技术从5 0 年代中期诞生后，经过近5 0 年的发展，已经形成较为 完整的学科体系和理论，成为相对独立的学科门类。近年来，电力电子学更是 获得了突飞猛进的发展，并且这种发展被各国专家学者视为人类社会的第二次 电子革命。而软开关逆变技术的研究则是目前电力电子技术领域中最活跃的一 个研究方向。对软开关理论的深入研究，以及软开关技术的广泛应用，使电力 电子变换器的设计出现了革命性的变化。软开关逆变电路这个概念是由美国的 d i v a n 博士在1 9 8 6 年提出的，这个概念从一出现就显示出了蓬勃的生命力， 并受到了各国专家学者的广泛关注。与常规的硬开关逆变器相比，谐振软开关 逆变器具有许多明显的优势，如低噪声、低电磁干扰、输出波形质量高、不需 缓冲( s n u b b e r ) 电路、散热器尺寸大大减小、开关器件可在高效率和高可靠性下 工作等等。 2 0 世纪8 0 年代中期，人们为了减小开关损耗和抑制电磁干扰( e m i ) ， 积极研究了谐振开关电路。从1 9 8 4 年开始，美国弗吉尼亚电力电子中心的李 泽元教授( f c l e e ) 对零电压开关、零电流开关进行了一系列研究，并成功 应用在小型d c - d cp w m 功率变换器上，后来被称为软开关技术。由于软开 关技术在减小开关时的电应力、降低噪声等方面具有显著的优点，近2 0 年来 受到了广泛的重视并得以迅速发展。8 0 年代后期美国威斯康星大学的 d m d i v a n 教授提出谐振直流环逆变器和极谐振逆变器技术，近十年来，研究 人员围绕这两个基本拓扑相继提出了许多关于软开关逆变器的拓扑结构。软开 关技术可以减小甚至完全消除变换器中开关器件在开关过程中的开关损耗，去 掉了缓冲吸收电路，提高了开关器件的开关频率，减小器件的散热体积，减小 e m i ( 电磁干扰) ，提高变换器的可靠性和效率。因此，开关变换器的软开关 高频化是电力电子技术的重要研究方向之一，也是实现开关变化器的小型化、 静音化、无污染的重要途径。 1 2 本课题研究的主要内容 本课题来源于四川省科委自然科学基金课题“无速度传感器交流调速系 统”。本课题以异步电机为被控对象，为了获得好的高速控制性能研究了辅助 西华大学硕士学位论文 二极管变换极逆变器( a d r p d 在交流调速系统中的应用。与硬开关逆变器电 路相比，在辅助二极管变换极逆变器( a d r p i ) 电路中，开关器件在零电压或 零电流条件下切换，理论上开关损耗为零。因此，在采用同一类型开关的条件 下，a d r p i 软开关电路可以在更高的开关频率下工作。这样一来，人们过去 在硬开关电路设计中追求的许多目标，在软开关条件下就容易实现了。基于软 开关变频器存在上述的诸多优点，本课题深入分析了a d r p i 软开关逆变器的 工作机理，并设计了其逆变电路，进行了仿真分析与实验验证。本课题主要研 究内容有： i 介绍了典型的软开关电路、软开关逆变器的分类以及软开关逆变电路 的由来和发展。 2 进行了软开关技术的应用研究，通过分析比较确定了在中小功率交流 调速系统中较为实用的软开关技术。 3 介绍了谐振极逆变器的相关知识以及a d r p i 软开关逆变器的工作原 理和电路分析：另外特别针对a d r p i 逆变器当中开关器件的零电压检测方法 进行了改进，还对其死区问题进行了研究分析，这些问题都是现有资料上不清 楚或未涉及到的。 4 通过对本文提到的4 种软开关逆变电路( 零电压开关准谐振电路、零 电压转换p w m 电路、谐振直流环、a d r p i 逆变器电路) 的优缺点进行比较 分析后，进行了a d r p i 软开关逆变电路的研究设计。 5 仿真分析与实验验证。在以上研究分析的基础上经过比较分析之后， 分别通过系统仿真与实验验证了设计的正确性与可行性。 1 3 本课题研究的目的和意义 随着电力电子和微电子技术的飞速发展，新型器件和先进控制技术的不断 推出，交流变频传动系统己远远超过直流调速系统而在电力传动领域占有了绝 对的主导地位。特别是近几年来，变频器控制技术的改进和性能的提高，也使 得变频器的应用范围越来越广泛，不但在传统的工业电力传动领域对变频器的 需求急剧增加，而且在军事领域( 如航天、潜艇等) 、民用领域( 如家用电器、电 动汽车等) 也在大量使用变频调速装置，以获得优良的调速性能。 在对电动机进行高性能的闭环控制中，如矢量控制、直接转矩控制等系统 2 西华大学硕士学位论文 中，都需要反馈的电压电流信号来计算磁链、磁链角、转矩等变量，因此，逆 变电路输出的电流、电压信号的好坏将成为对电机实现高性能控制的关键。没 有对逆变电路改进的情况下测量的电流信号，是不能来控制电机的。 逆变电路输出的电流信号为什么会差呢? 主要原因是因为逆变电路中使 用了电力电子开关器件，由于这些电力电子开关器件内部存在一定的寄生电 容，所以这些开关器件在快速开关瞬间引起电流尖峰脉冲；还有电机内也存在 寄生电容、电感以及电路中相互之间的耦合作用等方面因素共同影响的结果， 从而导致逆变电路输出的电流波形相当差，这不但对电动机的高性能控制有影 响，而且电流中存在较多的高次谐波，不仅污染了电网，而且还会使电动机铁 心发热，增加电动机损耗。 所以为了实现对电动机的高性能控制，以及减小电网中的谐波污染，提高 电机的使用效率，有必要对逆变电路的输出特性进行改进研究。 软开关逆变器的研究在国外是研究热点之一，其原理样机己达到工业应用 水平，例如o a kr i d g 国家实验室已经在混合电动汽车中成功的应用了辅助换 相软开关技术逆变器，实验结果令人满意。而国内对软开关逆变器的研究尚处 于探索阶段。另外用于三相电机驱动的谐振极零电压过渡软开关逆变器在国外 也属于研究实验阶段，不断有新的电路拓朴结构被提出，而在国内这方面的研 究大都集中在d c - d c 变换器和开关电源上，特别是国内在大功率变频器的发 展上不容乐观。因此研究新型的软开关逆变器具有重要意义，同时对于跟踪国 际先进理论和技术水平是非常必要的。 3 西华大学硕士学位论文 2 交流调速的现状及发展趋势 2 1 交流调速的现状 在实际应用中，电动机作为把电能转换为机械能的主要设备，一是要具有 较高的机电能量转换效率；二是应能根据生产机械的工艺要求控制和调节电动 机的旋转速度。电动机的调速性能对如何提高产品质量、提高劳动生产率和节 省电能都有着直接的决定性影响。因此，调速技术一直是研究的热点。 长期以来，直流电动机由于调速性能优越而掩盖了结构复杂等缺点而广泛 的应用于工程过程中。直流电动机在额定转速以下运行时，保持励磁电流恒定， 可用改变电枢电压的方法实现恒定转矩调速；在额定转速以上运行时，保持电 枢电压恒定，可用改变励磁的方法实现恒功率调速。采用转速、电流双闭环直 流调速系统可获得优良的静、动态调速特性。因此，2 0 世纪8 0 年代以前，在变 速传动领域中，直流调速一直占据主导地位。 近几年来，科学技术的迅速发展为交流调速技术的发展创造了极为有利的 技术条件和物质基础。交流电动机的调速系统不但性能同直流电动机的性能一 样，而且成本和维护费用比直流电动机系统更低，可靠性更高。目前，国外先 进的工业国家生产直流传动的装置基本呈下降趋势，而交流变频调装置的生产 大幅度上升。以日本为例，1 9 7 5 年在调速领域，直流占8 0 ，交流占2 0 ； 1 9 8 5 年交流占8 0 ，直流占2 0 。到目前为止，基本除了个别的地方还继续采 用直流电机驱动外，几乎所有的调速系统都采用交流变频装置。 交流调速系统的发展实际上是依赖于微电子技术、电力电子技术、计算机 测控技术、现代控制理论和逆变技术的发展以及交流电动机制造技术的发展而 发展的。新的控制理论的提出和电力电子器件技术、计算机控制技术的迅速更 新是推动交流调速系统不断进步的动力。现代控制理论在电气传动领域的应用 研究，特别是微型计算机和大规模集成电路的发展，使交流电机变频调速从电 压频率比值恒定控制法、转差频率控制法发展到矢量控制法，使交流电机瞬 时转矩的控制日益完善，它可完成加速度、速度和位置等各种控制。 因此，采用高效率经济型的交流调速系统来取代原有的直流电动机调速系 统，是电机调速技术发展的新动向。 4 西华大学硕士学位论文 2 2 交流调速的发展趋势 交流电机由于其结构简单、运行可靠、便于维护、价格低廉，所以人们不 论是在理论上还是在实际应用中都一直在对交流调速系统进行相应的探索。但 是，要实现对交流电动机高性能的调速远比直流电动机调速困难的多。早在 2 0 世纪3 0 年代，人们就致力于交流调速技术的研究，6 0 年代以后，特别是 7 0 年代以来，随着新型自关断电力电子器件、智能功率集成电路的问世，现 代控制理论的发展和计算机技术的应用，变频技术日新月异。新的控制策略不 断涌现，使得现代交流调速技术得到迅猛发展，并已在冶金、机械、电气、纺 织、食品等各个方面得到普遍应用。融合了上述新理论和新技术的交流调速技 术我们称之为现代交流调速技术。 国外大学和公司投入大量人力、财力对交流调速加以研究，并在2 0 世纪 8 0 年代已经推出了一系列商品化的交流电机控制系统，我国也有许多单位在 研究、开发和引进交流电机控制系统的技术、元器件和装备。为进一步提高交 流电机控制系统的性能，有关研究工作正围绕以下几个方面展开： 1 使用新型电力电子器件 在交流调速系统发展的过程中，交流调速用的电力电子器件扮演了一个重 要角色，它是交流电机控制系统的物质基础。 ， 电子器件是弱电控制强电的核心，它经历了由半控到全控，由电流控制到 电压控制这样一个发展过程，目前它正向大功率、高频化、模块化、智能化方 向发展。2 0 世纪5 0 年代末，第一个普通晶闸管在美国通用电气公司的实验室 里问世标志着电力电子技术的开端。从此，“电子”进入强电领域，电力电子 器件成为弱电控制强电的桥梁与纽带，使得电能的变换、利用更加方便和高效， 大大促迸了电机调速与控制技术的飞速发展。由晶闸管构成的静止变频电源取 代旋转交流机组实现了变频调速，然而普通晶闸管属于半控器件，通过门极控 制只能控制其导通而不能控制其关断，要想关断须外加强迫换流电路，而且晶 闸管的工作频率难以提高，一般情况下难以高于4 0 0 h ，因而大大的限制了 它的应用范围。另外，晶闸管逆变器的输出电流或电压波形通常是矩形波、阶 梯波或正弦波拼块，除了基波外还含有较大的谐波成分，会对电机、电网产生 严重的谐波负面效应。特别是5 次、7 次等低次谐波会在异步电机中引起转矩 脉动、振动噪声、损耗发热、效率及功率因数下降等不良影响。这些都是由于 5 西华大学硕士学位论文 所采用的晶闸管器件开关频率太低所致，必须从提高开关频率、优化输出波形 着手来解决，此时电力电子器件将是关键。 7 0 年代以来，各种电力电子器件随着交流调速节能的需要而兴起。功率 晶体管( b j t ) 、门极可关断晶闸管( g t o ) 、绝缘栅双极晶体管( i g b t ) ，m o s 控制 晶闸管( m c t ) 等先后问世。其中g t o 、g t r 属于电流全控型器件，不再需要 强迫电路，可以实现自关断，使得逆变器变得简单、紧凑。但是它们也有致命 的缺点，如：需要体积较大的缓冲电路和门极驱动电路，工作频率较低，损耗 较大。而m o s f e t 和i g b t 属于电压型控制电力电子器件，其输入阻抗高， 驱动功率小，同时又具有g t r 的导通压降小的优点，i g b t 的工作频率已经 超过了g r r 一个数量级，它的额定电压和电流己超过了g 1 r ，因此i g b t 已 经逐渐成为中、小功率交流传动控制装置主要的开关器件。经过近些年来的发 展，功率电子器件制造公司已经推出了多种有智能特性的复合器件或模块。这 些器件的开关频率和电压、电流容量均已达到了相当高的水平，在产品中已获 得了广泛应用。 从电力电子器件的发展历程，我们可以看出电力电子器件正在向高频化、 高耐压、大容量、低损耗、模块化、智能化的电压控制型器件发展。i g b t 仍 将成为2 1 世纪初逆变装置的主导功率变换器件，如图2 1 所示，为i g b t 的 开通和关断过程。开通时间由四部分组成：开通延迟时间f n 是外施栅极脉冲从 负到正跳变开始，到栅一射电压充电到“的时间。这以后集电极电流从零开 始，到9 0 稳态值的时间为电流上升时间 。在这两个时间内，集一射极间电 压【，。基本不变。随后【，。开始下降。下降时间t ：是m o s f e t 工作时漏一源电 压下降时间，厶是m o s f e t 和p n p 晶体管同时工作时漏一源电压下降时间， 。因此，i g b t 开通时间为乙= t o + t + f ：+ 。 i g b t 关断时，在外施栅极反向电压作用下，m o s f e t 输入电容放电，内 部p n p 晶体管仍然导通，f 4 时间内，【k ，l 基本无明显变化。之后，栅一 射极电压【k 降到c 0 。，m o s f e t 开始退饱和，器件电压随之上升，在t ；时 问内，【，。基本维持在c ，。，厶无明显变化。f 5 时间后，m o s f e t 退出饱和， p n p 管基极电流下降集电极电流减少，u 。继续衰减。再经过时问t 。后，【，。 降到u ，m o s f e t 关断，p n p 管基极电流为零。但晶体管内存储电荷的消除 时间，因此，“时间后，还有一个尾部时间t ，这段时间延续较长，集一射电压 6 西华大学硕十学位论文 又己经建立，故有较大损耗。 w ， u t ： ： 一 。 7 一r o _ ；i i 一一 l c 瓤嘲c 菱 ： l o 。i 醵| 1 ib l i 潍j | i 鞑 kt ： i f i g u r e2 1 t h es w i t c hp r o c e s so f i g b t 图2 1i g b t 的开关过程 随着新材料新功能等新概念功率器件的开发，在2 l 世纪将进入新一代电 力电子时代。作为电力电子技术另一方面的发展，电力电子电路随着电力电子 器件的发展，也不断推出了各种新型的功率变换器的电路拓扑，特别是各种 d c - d c 。a c d c 变换器，但应用于电机变频调速系统的变换器主电路变化相对 很少，目前仍旧是以桥式逆变电流为主，半桥逆变电路是电机变频调速逆变主 电路的基本单元，在实用中常常应用如图2 2 所示的三相桥主电路( 功率器件 用i g b t 表示) 。 f i g u r e2 2 t h em a i nc i r c u i ts c h e m a t i cd i a g r a mo f t h r e e - p h a s ei n v e r t e r 图2 2 三相逆变器主电路原理图 7 西华大学硕士学位论文 电力电子技术中的高频化趋势，在逆变技术中也得到了充分的体现。提高 电力电子器件的开关频率，有利于改善波形，减小滤波电抗、电容及变压器的 体积，节省原材料。但是，电力电子功率器件在高电压、强电流状态下开关频 率的提高，器件承受越来越大的开关应力和开关损耗，制约了逆变器性能的进 一步改善。高频化也导致了两点不利的后果：一是器件的开关损耗增加，使交 流器效率降低；二是电磁干扰问题突出。当开关频率提高到接近兆级时，传统 的硬开关方式己无法应用。 不断发展的大规模集成电路工艺，把电气传动自动控制系统中某些控制电 路相对固定的部分，集成化为若干个专用i c 芯片( a s i c ) 使整个系统的构成快 速、灵活、可靠、小型。集成化的另一个含义是，把控制、保护电力电子器件 的相关电路，集成在一个电力电子器件的芯片上，构成强弱电一体，主电流变 换与控制合一的新型电力电子器件，例如已经商品化的s m a r tp o w e r 。控制系 统硬件的集成化尽可能把被控电机与其控制系统集成在一个电机机壳内，构成 所谓的智能化电机。 2 p w m 模式的改进与优化研究 1 9 6 4 年，a s c h o n u n g 和h s t e m m l c r 在( b b c 评论上发表文章，把通 信系统的调制技术应用到交流传动中，产生了正弦脉宽调制变频变压的思想， 从而为交流传动的推广应用开辟了新的局面。英国b r i s t o l 大学的s r b o e s 在 大量工作的基础上，提出了规则采样数字化p w m 方案。在此基础上，b o w e s 等人又提出了准优化p w m 技术及用于高压高频的准优化p w m 技术，以提高 电压利用率。在这一点上，准优化p w m 和电压空间矢量具有某种异曲同工之 效。另外值得一提的是a b p l u n k e t t 在1 9 8 0 年提出的电流滞环比较p w m 技 术及在此基础上发展起来的全数字化方案无差拍p w m 技术。从2 0 世纪 8 0 年代以来，人们对p w m 逆变器产生的电磁噪声给予了越来越多的关注。 近年来，随着中压变频器的兴起，对于空间电压矢量控制p w m 模式进行了改 进和优化研究，其中为解决三电平中压变频器中点电压偏移问题，研究了电压 矢量合成p w m 模式( 不产生中点电压偏移时的电压长矢量、短矢量、零矢量 的绢合) ，已取得了具有实用价值的研究成果；用于级联式多电平中压变频器 的脉冲移相p w m 技术已应用。 3 控制理论与控制技术的研究与开发 西华大学硕士学位论文 十几年的应用实践表明，矢量控制理论及其它现代控制理论的应用随着交 流调速的发展丽不断完善，从而进一步提高了交流调速系统的控制性能。各种 控制机构所依据的都是被控对象的数学模型，因此，为了建立交流调速系统合 理实用的控制结构，仍需对交流电动机数学模型的性质、特点以及内在规律做 深入研究和探讨。特别是交流调速系统的综合与校正理论及工程设计方法是今 后交流调速系统的重要研究课题。 按转子磁场定向的异步电动机矢量控制系统实现了磁通电流和转矩电流 的完全解耦，转矩数学模型和直流电动机的转矩数学模型完全一样。然而转子 参数估计的不准确及参数变化影响造成定向坐标偏移问题，至今国内外尚未真 正解决，因此转子参数辨识及针对参数变化的自适应控制是今后矢量控制研究 的攻坚课题。 一 近几年来，不依赖电机模型的模糊自寻优控制、人工神经网络等智能控制 方法开始引入到交流调速系统中，成为交流调速控制理论、控制技术新的研究 方向。直接转矩控制技术在应用实践中不断完善和提高，其研究的主攻方向是 解决低速时电机定子参数对磁链运动轨迹的影响：进一步提高低速时的控制性 能，并扩大调速范围。 一 众所周知，直流电动机双闭环调速系统具有优良的静、动态调速特性，其 根本原因在于作为控制对象的他励直流电动机电磁转矩能够容易而灵活的进 行控制。而交流电动机是个多变量、非线性、强藕合的被控对象，作为变频系 统的控制对象它是否可以模仿直流电动机转矩控制规律面加以控制呢? ， 1 9 7 5 年，德国学者fb l a s c h k e 提出了矢量变换控制原理，成功地解决了交流电 动机电磁转矩的有效控制，在定向于转子磁通的基础上，采用参数重构和状态 重构的现代控制理论概念实现了交流电动机定予电流的励磁分量和转矩分量 之间的解藕，实现了将交流电动机的控制过程等效为直流电动机的控制过程， 在理论上实现了重大突破，从而使得交流调速的动态和静态性能完全可能同直 流传动系统相媲美。矢量控制的关键是静止坐标轴与旋转坐标轴系之间的坐标 变换，而两坐标轴系之间的变换的关键是要找到两坐标轴之间的夹角。目前， 较为成熟的矢量变换控制法有：转子磁场定向矢量变换控制，定子磁场定向矢 量变换控制，滑差频率矢量控制。 ， 。 受矢量控制的启迪，近年来又派生出诸如多变量解藕控制、变结构滑模控 9 西华大学硕士学位论文 制等方法。1 9 8 5 年，德国鲁尔大学的md c p e n b r o c k 教授通过对瞬时空间理论的 研究，提出了直接转矩控制理论，其原理是让电动机的磁链矢量沿六边形运动。 随后日本学者i t a k a - - h a s h i 提出了磁链轨迹的圆形方案。与矢量变换控制不一 样，直接转矩控制不须考虑如何将定子电流分解为励磁电流分量和转矩电流分 量，而是以转矩和磁通的独立跟踪自调整并借助于转矩的b a n d - - b a n d 控制来 实现转矩和磁通的直接控制。从理论上看( 在定予坐标系下分析交流电机的数 学模型) ，直接转矩控制是控制电机的磁链和转矩，而电机主要控制的是转矩， 控制了转矩，也就控制了速度。由于采用转矩直接控制，可使逆变器切换频率 低，电机磁场接近圆形，谐波小，损耗小，噪声及温升均比一般逆变器驱动的 电机小的多。多年的实际应用表明，与矢量控制法相比直接转矩控制可获得更 大的瞬时转矩和极快的动态响应。因此，交流电动机直接转矩控制也是一种很 有前途的控制技术。目前，采用i c 卜也t 、i c o r 的直接转矩控制方式的变频调速 装置已广泛应用于工业生产及交通运输部门中。 4 开发新型电机和无机械传感器技术 各种交流控制系统的发展对电机本身也提出了更高的要求。电机设计和建 模有了新的研究内容，诸如三维涡流场的计算、考虑转子运动及外部变频供电 系统方程的联解、电机阻尼绕组的合理设计及笼条的故障检测等问题。为了更 详细地分析电机内部过程，如绕组短路或转子断条等问题，多回路理论应运而 生。为了对电机进行计算机实时控制，一些简化模型也脱颖而出。目前在小功 率运动控制系统中得到重视和广泛应用的是永磁同步电机，其物质基础是具有 较大剩磁和矫顽磁力的新型永磁材料的迅速发展。此外，开关变磁阻理论及新 材料的发展使开关磁阻电机迅速发展。开关磁阻电机与反应式步进电机相类 似，在加了转子位置检测后可有效的解决失步问题，可方便启动、调速或点控， 成为未来伺服系统的一颗新星。一般说来，为了满足高性能交流传动的需要， 转速闭环控制是必不可少的。为了实验转速和位置的反馈控制，须用测速发电 机或光电码盘来检测反馈量，对于方波同步电机控制系统来说，还需要检测磁 极位置。目前，同时满足上述全部要求的传感器无疑是解算器( r e s o l v e r ) 了。 但由于速度传感器的安装带来了系统成本增加、体积增大、可靠性降低，易受 工作环境影响等缺陷，使得成本合理、性能良好的无速度传感器交流调速系统 成为近年来的一个研究热点。该技术是在电机转子和机座上不安装电磁或光电 1 0 西华大学硕士学位论文 传感器的情况下，利用检测到的电机电压、电流和电机数学模型推测出电机转 子位置和转速的技术，具有不改造电机，省去昂贵的机械传感器、降低维护费 用和不怕粉尘与潮湿环境的影响等优点。 5 全数字化的控制系统 随着计算机技术的发展，人们对数字化信息的依赖程度越来越高。计算机、 网络和电机传动系统的完美结合是现代产业的发展方向。为了使交流调速系统 与信息系统紧密结合，同时为了提高交流调速系统自身的性能，必须使交流调 速系统实现全数字化控制。 单片机已经在交流调速系统中得到了广泛应用。例如由i n t e l 公司1 9 8 3 年 开发生产的m c s - - 9 6 系列是目前性能较高的单片机系列之一，适用于高速i 高精度的工业控制，其高档型8 x1 9 6 k b 、8 x1 9 6 k c 、8 1 9 6 m c 等在通用开 环交流调速系统中应用较多。 ； 由于交流电机的控制理论不断发展，控制策略和控制算法也日益复杂。扩 展卡尔曼滤波、h 叮、状态观测器、自适应控制、人工神经网络等在交流电机 的矢量控制或直接转矩控制中得到了应用。因此，d s p ( 数字信号处理器) 芯 片在全数字化的高性能交流调速系统中找到了施展身手的舞台如公司的 t m s 3 2 0 c “0 x 系列d s p 芯片，t m s 3 2 0 c 2 4 0 x 系列产品更是将价格降低到了 单片机的水平。最具有代表性的是1 m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ( a ) 这款芯片，以其较高 的性价比成为全数字化交流调速系统的首选，用该芯片集成的一些外设能很方 便的实现对电机的闭环控制。还有一款1 m s 3 2 0 l f 2 8 1 x 系列芯片，是t i 公司 2 0 0 3 年才发布的，高速是其主要特点，而且还可以用t i 公司的嵌入式系统开 发工具( d s p b i o s ) 进行嵌入式操作系统应用开发。 ? 在交流调速的全数字化的过程中，各种总线也起到了重要作用，如s t d 总线、工业p c 总线以及现场总线。在现场总线中尤其是c a n 总线应用也较 广泛。可以通过t i 公司t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 芯片上集成的c a n 接口与c a n 总 线连接，然后通过一个c a n - c o r b a 网关与i n t e r n e t 通信。数字化技术能 实现更复杂的控制，使调速系统的硬件简化、成本降低、精度提高，可靠性更 高。同时也符合资源共享这一网络化趋势。 6 高频大容量 提高开关频率是抑制谐波、提高系统性能和缩小电气传动自动化控制设备 u 西华大学硕士学位论文 的体积、重量的关键之一。但开关频率提高，会增加开关管自身的开关损耗， 影响逆变器的效率和工作可靠性。使调制频率受到限制。目前在高频变换器中 采用较多的器件是g t r 、m o s f e t 和i g b t 。充分利用新一代高频电力电子器 件，如v d m o s 管、m o s f e t 管、静电感应晶体管( s i t ) 、静电感应晶闸管( s i t h ) ， 以及功率m o s 器件( m c t ) 提供的可能，研究发展新一代高频的电机、电控装 置是一个适宜的办法。 软开关技术是近年发展较快的一种方法。在高频系统中，它能使开关损耗 大幅减小。 所谓软开关通常是指零电压开关z v s ( z e r ov o l t a g es w i t c h i n g ) 和零电流开 关z c s ( z e r oc u r r e n ts w i t c h i n g ) 或近似零电压开关与零电流开关。硬开关过程是 通过突变的丌关过程中断功率流完成能量的变换过程：而软开关过程是通过电 感l 和电容c 的谐振，使开关器件中电流( 或电压) 准正弦规律变化。当电流自 然到零时器件关断：，当电压降到零时，器件导通，开关器件在零电压或零电流 条件下完成导通与关断的过程，使器件的开关损耗理论上为零。采用软开关技 术可以省掉缓冲吸收电路，减小散热器体积，并为工作频率和容量的进一步提 高做好准备。 软开关技术的应用在理论上使开关管的开关损耗为零，从而可以使开关频 率迸一步提高，使电力电子变换器具有更高的效率，更高的功率密度，体积、 重量大大减小，具有更高的可靠性；并可有效的减小电能变换装置引起的电磁 污染( e m i ) 和环境污染( 噪声等) 。 2 3 小结 本章对交流调速的发展及现状进行了简要的介绍，并对交流调速发展的趋 势做了概括。另外需要强调的是： 提高调速系统的效率是现代交流调速技术解决的重要问题之一，要提高调 速系统的效率，就必须提高变频器输出效率和改善电机的使用性能。因此，提 高调速系统效率的具体解决方法是开发研制新型变频器主电路，主要措施是降 低电力屯子器件的开关损耗。如使电力电子器件在零电压或电流下转换，即工 作在所谓“软开关1 2 l ”状态下，从而使开关损耗降低到零。目前，电力电子逆 变器正朝着高频化、大功率的方向发展，这使装置内部电压、电流发生剧变， 西华大学硕士学位论文 不但使器件承受很大的电压、电流应力，而且在输入、输出引线及周围空间里 产生高频电磁噪声，引发电气设备误动作，这种公害称为电磁干扰( e m i ) ，抑 制电磁干扰的有效方法也是采用软开关技术。具有软开关功能的谐振变流器在 国内外都在积极进行研究与开发。另外：近年来，随着中压变频器的兴起，中 压、大容量的交流调速系统研究与开发逐步走上了实际应用阶段，尤其高压全 控型功率器件产生以来，中压变频器的应用趋势迅速加快了。当今多电平中压 变频器已成为交流调速研究的新领域，是热点课题之一。 1 3 西华大学硕士学位论文 3 软开关技术与逆变技术 3 1 软开关与硬开关 现代电力电子装置的发展趋势是小型化、轻量化，同时对装置的效率和电 磁兼容性也提出了更高的要求。 在软开关技术出现之前，通过控制门极来控制开关管的开通和关断，在此 过程中，开通电压或关断电流相当大，这种被称之为硬开关的开关方式造成很 大的开关损耗，由于现代电力电子装置愈来愈趋向于小型化和轻量化发展，必 然要求开关频率越来越高。当开关频率很高时，往往造成开关过程中d i d t 和 d u d t 很大，给电路造成了严重的噪声污染和开关损耗，且产生了严重的电磁 干扰，软开关技术的出现解决了这一系列问题。软开关技术就是指通过辅助的 谐振电路使开关管开通前电压先降为零或者关断前电流先降为零，这样，就实 现了在零电压情况下开通或者在零电流条件下关断，从而大大降低了开关功率 损耗，减小了噪声污染和电磁干扰。 通常，滤波电感、电容和变压器在装置的体积和重量中占很大比例。从“电 路”和“电机学”的有关知识中可以知道，提高开关频率可以减小滤波器的参 数，并使变压器小型化，从而有效的降低装置的体积和重量，因此装置小型化、 轻量化最直接的途径是电路的高频化。但在提高开关频率的同时，开关损耗也 随之增加，电路效率严重下降，电磁干扰也增大了，所以简单的提高开关频率 是不行的。针对这些问题出现了软开关技术，它主要解决电路中的开关损耗和 开关噪声问题，使开关频率可以大幅度提高。 在普通的电路中，开关的开通和关断过程常伴随着电压和电流的剧烈变 化，并产生较大的开关损耗和开关噪声，这样的开关过程称为硬开关，主要开 关过程为硬开关的电路称为硬开关电路。硬开关电路存在的主要问题是开关损 耗和开关噪声大。开关损耗随着开关频率的提高而增加，使电路效率下降，阻 碍了开关频率的提高；开关噪声给电路带来严