【正文】 量達(dá) 6000 億千瓦時(shí)，約占工業(yè)耗電量的 80%。我國(guó)各類(lèi)在用電機(jī)中， 80%以上為 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?；钴S，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。 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(wú)論是生產(chǎn)還是生活當(dāng)中，人民對(duì) 數(shù)字化信息的依賴(lài)蘭州交通大學(xué)博文學(xué)院（論文） 3 程度越來(lái)越高。如果說(shuō)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(kāi)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(kāi)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(guò)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。 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(zhuān)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(guò)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(lái)越多的應(yīng)用。 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(wú)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蘭州交通大學(xué)博文學(xué)院（論文） 4 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(wú)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(zhuān)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)。 (一 )．多電平電壓型逆變器 日本長(zhǎng)岡科技大學(xué)的 等人于 1980 年在 IAS 年會(huì)上首次提出三電平逆變器，又稱(chēng)中點(diǎn)箝位式逆變器。它的出現(xiàn)為高壓大容量電壓型逆變器的研制開(kāi)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)： 1. 更適合大容 量、高電壓的場(chǎng)合。 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。 （ EMI）問(wèn)題大大減輕，因?yàn)殚_(kāi)關(guān)元件一次動(dòng)作的 dv/dt 通常只有傳統(tǒng)雙電平的 1/（ M1）。 4. 效率高，消除同樣諧波，雙電平采用 PWM 控制法開(kāi)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(kāi)關(guān)動(dòng)作、開(kāi)關(guān)頻率低、損耗小，效率提高。 (二 )．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： 1. 不存在電壓均衡問(wèn)題。無(wú)需箝位二極管或電容，適于調(diào)速控制； 2. 模塊化程度好，維修方便； 3. 對(duì)相同電平數(shù)而言，所需器件數(shù)目最少； 4. 無(wú)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； 5. 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。 蘭州交通大學(xué)博文學(xué)院（論文） 5 (三 )．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?yè)P(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(kāi)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(guò)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(guò) 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(wú)功補(bǔ)償和諧波治理。 (四 )．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(lái)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(zhuān)門(mén)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。 高性能交流調(diào)速系統(tǒng) V/f 恒定、速度開(kāi)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(wèn)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(guò)渡過(guò)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(mǎn)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(guò)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(kāi)來(lái)，進(jìn)行分別控制。這樣，通過(guò)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(guò)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，但是還有許蘭州交通大學(xué)博文學(xué)院（論文） 6 多領(lǐng)域有待研究： （ 1）磁通的準(zhǔn)確估計(jì)或觀測(cè) （ 2）無(wú)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 展望 在交流調(diào)速的研究與制造過(guò)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)有可能向發(fā)展中國(guó)家轉(zhuǎn)移。對(duì)中國(guó)來(lái)說(shuō)，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(kāi)發(fā)的力度。 蘭州交通大學(xué)博文學(xué)院（論文） 7 第二章 SVPWM 基本原理 2． 1 電壓空間矢量脈寬調(diào)制法（ SVPWM） 隨著電力電子器件和微電子技術(shù)的迅速發(fā)展，以及高性能 控制方法在交流調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用，交流調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展非常迅速。特別是采用了專(zhuān)為電機(jī)控制開(kāi)發(fā)的數(shù)字信號(hào)處理器 DSP 為核心的全數(shù)字化控制系統(tǒng)，為高性能的控制方法提供了可靠的硬件環(huán)境。這種 DSP 集中了電動(dòng)機(jī)控制所必須的可增加死區(qū)和靈活多變的多路PWM 信號(hào)發(fā)生器，高速高精度 ADC，以及用于電機(jī)速度和位置反饋的編碼器接口等電路。目前國(guó)內(nèi)外應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域的變頻器，很多都把 DSP 作為控制核心，充分利用其高速運(yùn)算能力和強(qiáng)大的控制功能以實(shí)現(xiàn)高性能的變頻控制。 電壓空間矢量脈寬調(diào)制方法 (SVPWM)為交流電機(jī)的一種控制方法， 電壓空間矢量 PWM 方法和普通的正弦 PWM 方法不同，它是從電機(jī)的角度出發(fā)，把電機(jī)和逆變器看作一個(gè)整體考慮，不簡(jiǎn)單從得到電壓電流正弦出發(fā)，著眼于如何使電機(jī)獲得幅值恒定的圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，即正弦磁通。其以三相對(duì)稱(chēng)正弦波電壓供電時(shí)交流電機(jī)的理想磁通圓軌跡為基準(zhǔn)，用逆變器不同的開(kāi)關(guān)模式所產(chǎn)生的實(shí)際磁通去逼近基準(zhǔn)圓磁通，并由它們比較的結(jié)果決定逆變器的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，形成 PWM 波形。這種控制方法稱(chēng)作“磁鏈跟蹤控制”，磁鏈軌跡的控制是通過(guò)交替使用不同的電壓空間矢量實(shí)現(xiàn)的，所以又稱(chēng)“電壓空間矢量 PWM（ space vector PWM， SVPWM）控制”。 SVPWM 較之于 SPWM， SVPWM 在輸出電壓或電機(jī)線圈的電流都將產(chǎn)生更少的諧波，提高了對(duì)電壓源逆變器直流供電電源的利用率。 提高了電壓型逆變器的電壓利用率和電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能，同時(shí)減少了電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，簡(jiǎn)單的矢量模式切換更易于數(shù)字化實(shí)現(xiàn)。 由于該控制方法把逆變器和異步電機(jī)看作一個(gè)整體來(lái)處理，所用到的數(shù)學(xué)模型和數(shù)字算法均很簡(jiǎn)單，便于微處理器實(shí)時(shí)控制，且具有轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小，噪聲低、直流電壓利用率高、開(kāi)關(guān)頻率低的優(yōu)點(diǎn)，因此目前無(wú)論在開(kāi)環(huán)調(diào)速系統(tǒng)或閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中均得到廣泛的應(yīng)用。 蘭州交通大學(xué)博文學(xué)院（論文） 8 2． 2 電壓空間矢量技術(shù)的基本原理 三相逆變器輸出電壓的矢量表示 圖 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 .1 所示電路為三相逆變器供電給異步電動(dòng)機(jī)的原理圖。圖中有 6 個(gè)功率開(kāi)關(guān)管，當(dāng)當(dāng)上橋臂開(kāi)關(guān)管處于 “開(kāi)” 狀態(tài)，下橋臂開(kāi)關(guān)管處于“關(guān)”狀態(tài)時(shí)，則用“ 1”表示；當(dāng)下橋臂開(kāi)關(guān)管處于“開(kāi)”狀態(tài)，上橋臂開(kāi)關(guān)管處于“關(guān)”狀態(tài)時(shí)，則用“ 0”表示。三個(gè)橋臂共有 000、 00 0 01 100、10 1 111 八種開(kāi)關(guān)模式，其中 000、 111 開(kāi)關(guān)模式使逆 變器輸出電壓為零，稱(chēng)這兩種開(kāi)關(guān)模式為零狀態(tài)。只要控制這些基本空間矢量的組合，同時(shí)再將零矢量合理分配，就能使瞬態(tài)輸出空間電壓矢量按一定的圓形軌跡旋轉(zhuǎn)。 圖 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 .1 三相逆變器主電路 電壓源逆變器可由 圖 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 .2 所示的 6 個(gè)開(kāi)關(guān)來(lái)等效表示。如圖 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 .2 所示，當(dāng)上橋臂 開(kāi)通、下橋臂關(guān)斷時(shí)，即 Sa=1 時(shí)，2dcUU ? ；當(dāng)上橋臂關(guān)斷、下橋臂開(kāi)通時(shí)，即 Sa=0 時(shí)， 2dcUU ?? 。 Sc 亦同。 逆變器的 8 種開(kāi)關(guān)模式對(duì)應(yīng)有 8 個(gè)電壓空間矢量。采用 23 坐標(biāo)變換，將三相電壓變換到 dq 軸系。 ? ? ? ????????????WVUScSbSaV 2132 ?? ? ?232 ?? WVU ??? （ ） 式中： je j 23213/2 ???? ?? 通過(guò)不同的矢量組合可以合成新矢量，設(shè)相鄰兩個(gè)有效矢量 V1 和 Vm，零矢蘭州交通大學(xué)博文學(xué)院（論文） 9 量為 Vo ，合成新矢量 Vout，矢量作用時(shí)間分別是 T Tm、 To。 Tpwm是 PWM 脈寬周期。 合成新矢量的表達(dá)式為 p w mo u tmm TVTVTVTV ??????? 0011 （ ） pwmm TTTT ??? 10 （ ） 矢量分別投影到橫、縱坐標(biāo)軸，得 ?cos213232 1 pwmoutmdcdc TVTUTU ?????? （ ） 圖 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 .2 逆變器等效圖 ?sin3232 pw mou tindc TVTU ???? （ ） 整理可得 SVPWM 的基本公式為 ???????? ???? ??3sin21 pw mdcou t TUVT （ ） ?sin2 ??? pw mdcou tm TUVT （