现代交流调速技术的发展与现状
第２ｌ卷第２期
ｖｏＩ．２１
№．２
ＪＯＩ瓜ＮＡＬ
ｍ．２００４
一＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＃＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝；＝＝＝＝；一
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中州大学学报
ＺＨＯＮＧＺ懒】ＵＮＩⅦＲｓＩＴＹ
２００４年４月
现代交流调速技术的发展与现状
赵朝会１，王永田２，王新威２，邢俊敏３
（１．南京航空航天大学航空电源部级航空科技重点实验室，江苏南京２１００１６；２．河南农业大学机电工程学院，河南郑州４５０００２；３．郑州轻型汽车制造厂，河南郑州４５００５２）
摘要：脉宽调制变频技术应用于交流调速后，现代交流调速技术的发展和实用化走上了新的道路。本文综述了交流调速技术的发展和调速系统的基本类型，展望了它未来的发展方向。
关键词：交流调速；州Ｍ控制；矢量变换控制；变频器
中图分类号：ＴＰ２７１＋．６２
文献标识码：Ａ
文章编号：１００８—３７１５（２００４）０２—０１２２—０４
０引言
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。
ｌ现代交流调速技术的发展
２０世纪６０年代中期，德国的Ａｓｃｈｏｍｌｎｇ等人率先提出了脉宽调制变频的思想，他们把通信系统中的调制技术推广应用于变频调速中，为现代交流调速技术的发展和实用化开辟了新的道路。从此，交流调速理论及应用技术大致沿下述四个方顽发展。
１．１
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。电动机的调速性能如何对提高产品质量、提高劳动生产率和节省电能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，保持电枢电雎恒定，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，２０世纪８０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，而交流变频调妒装置的生产大幅度上升。以日本为例，１９７５年在调速领域，直流占８０％，交流占２０％；１９８５年交流占８０％，直流占２０％。到目前为止，日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。
电力电子器件的蓬勃发展…
电力电子器件是现代交流调速装置的支柱，其发展直接决定和影响交流调速技术的发展。迄今为止，电力电子器件的发展经历了分立换流关断器件（第一代）一自关断器件（第二代）一功率集成电路ＰＩＣ（第三代）一智能模块ＩＰＭ（第四代）四个阶段。
２０世纪踟年代中期以前，变频装置功率回路主要采用晶闸管元件。装置的效率、可靠性、成本、体积均无法与同容量的直流调速装置相比。２０世纪８０年代中期以后用第二代电力电子器件ＧＴＲ（ＧｉａｎｔＴｒａ璐ｉｓｔｏｒ）、Ｇ１Ｄ（Ｇａｔｅ１、ｕｍ
０幡ｔｈ撕ｓｔｏｒ）、、，ｍ墙０６一ＩＧＢＴ（ＩｎｓｕｌａｔｅｄＧａｔｅ
ＢｉｐｏｌａｒＴｒａｎｓｉｓ—
ｔｏｒ）等创造的变频装置在性能与价格比上可以与直流调速装置相媲美。随着向大电流、高电压、高频化、集成化、模块化方向继续发展，第三代电力电子器件是２０世纪９０年代制造变频器的主流产品，中、小功率的变频调速装置（１—
１００ｋｗ）主要是采用ＩＧ盯，中、大功率的变频调速装置
（１０００—１００００ｋｗ）采用Ｇ１℃器件。２０世纪９０年代至今，电
收稿日期：２００３一ｌｌ一１９
作者简介：赵朝会（１９６３一），男，南京航空航天大学博士生，河南农业大学机电工程学院副教授，主要从事电力电予及电力传动研究。
・
１２２・
万方数据
力电子器件的发展进入了第四代。主要实用的第四代器件为：（１）高压ＩＧＢＴ器件，（２）ＩＧＣＴ（Ｉｎｓｕ址ｅｄＧａｔｅＣｏｎｔｍｌｌｅｄ
Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）器件，（３）ＩＥＧＴ（Ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ
ＥｎｈａｎｃｅｄＧａｔｅＴｒａｌｌｓｉｓ—
ｔｏｒ）器件，（４）ＳＧＣＴ（Ｓ舯ｍｅｔ＾ｃａｌ
Ｇａｔｅ
ＣＣ粕ｍｕｔａｔｅｄＴｈ蜘ｓｔｏｒ）
器件。
由于ＧＴＲ、ＧＴ０器件本身存在的不可克服的缺陷，功率器件进入第三代以来，ＧＴＲ器件已被淘汰不再使用。进入
第四代后，似）器件也将被逐步淘汰。
第四代电力电子器件模块化更为成熟。如智能化模块ＩＰＭ、专用功率器件模块ＡｓＰＭ等。模块化功率器件将是
２１世纪主宰器件。
需要指出的是，以上所述的全控型开关功率器件主要应用于异步电动机变频调速系统中，其原因众所周知。但是目前同步电动机变频调速系统中仍采用晶闸管，其原因也是众所周知的。一代电力电子器件带来一代变频调速装置，性价比一代高过一代。在人类社会进入信息化时代后，电力电子技术连同电力传动控制与计算机技术一起仍是２ｌ世纪最重要的两大技术。
１．２脉宽调制（ＰＷＭ）技术【６
Ｊ
脉宽调制（ＰｗＭ）技术的发展和应用优化了变频装置的性能，变频调速系统采用ＰｗＭ技术不仅能够及时准确地实现变压变频控制要求，而且更重要的意义是抑制逆变器输出电压或电流中的谐波分量，从而降低或消除了变频调速时电机的转矩脉动，提高了电机的工作效率，扩大了调速系统的
调速范围。
中。基本上可分为四类，即等宽嗍法、正弦刑卟Ｉ法脉宽调制（ＰｗＭ）技术种类很多，并且正在不断发展之
硎技术的应用克服了相控原理的所有弊端，使交流电动（ｓＰＷＭ）、磁链追踪型ＰＷＭ法及电流跟踪型硎法。率因数和输出功率。现代洲生成电路大多采用具有高
机定子得到了接近正弦波形的电压和电流，提高了电机的功度输出口ＨＳ０的单片机（如８０１９６）及数字信号处理器Ｄ：ｓＰ
（ＤｉｇｉｔａｌｓｉｇｎａｌＰｒｏｃｅｓｓｏｒ），通过软件编程生成ＰｗＭ。近年
来，新型全数字化专用ＰｗＭ生成芯片ＨＥＦ４７５２、Ｓｕ弭５２０、ＭＡ８１８等达到实用化，并已实际应用。
１．３
矢量变换控制技术及直接转矩控制技术
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地进行控制。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而加以控制呢？
１９７５年，德国学者ＦＢｌａＳｃｈｋｅ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子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
万方数据
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、变结构滑模控制等方法。
１９８５年，德国鲁尔大学的Ｍ啪ｂＩＤｃｋ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［７｜，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
Ｔａｋａ—
ｈａ幽提出了磁链轨迹的圆形方案。与矢量变换控制不同，
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Ｂａｎｄ—Ｂａｎｄ控制来实现转矩和磁通商接控制。从理论上看（在定子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ＩＧ—
ＢＴ、Ｉ∞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。
１．４微型计算机控制技术
随着微机控制技术，特别是以单片微机及数字信号处理器ＤｓＰ为控制核心的微机控制技术的迅速发展，现代交流调速系统的控制回路由模拟控制迅速走向数字控制。当今模拟控制器已被淘汰，全数字化的交流调速系统已普遍得到应用。
数字化使得控制器对信息府ｈ理能力大幅度提高，许多难以实现的复杂控制，如矢《控制中的复杂坐标变换运算、解藕控制、滑模变结构控制、参数辨识的自适应控制等，采用微机控制器后便都解决了。高性能的矢量控制系统如果没有微机的支持是不可能真正实现的。此外，微机控制技术又给交流调速系统增加了多方面的功能，特别是故障诊断技术得到了完全的实现。
’
微机控制技术的应用提高了交流调速系统的可靠性和操作、设置的多样性和灵活性，降低了变频调速装置的成本和体积。
以微处理器为核心的数字控制已成为现代交流调速系ＩｎｓｔｌｌｌｃｔｉＯｎｓｅｔ
ＣＣ舳ｐｕｔｅｒＲＩｓｃ）三个阶段。
交流调速技术的发展过程表明，现代工业生产及社会发
・
Ｊ２３
・
统的主要特征之一。用于交流调速系统的微处理器的发展经历了单片机（ＭＣｓ）一数字信号处理器（耿、Ｐ）一精简指令集计算机（Ｒｅｄｕｃｅｄ
展的需要推动了交流调速的飞速发展；现代控制理论的发展和应用，电力电子技术的发展和应用，微机控制技术的发展和应用为交流调速的飞速发展创造了技术和物质条件。
实践证明，现代交流调速技术的应用为工农业生产及节省电能方面带来了巨大的经济和社会效益。现在，交流调速系统已全面、逐步取代直流调速系统。交流调速在电气传动
给
图ｌ交流调速系统的组成领域中占据了统治地位已是公认的事实。
２现代交流调速系统的类型［４—５】
现代交流调速系统由交流电动机、电力电子功率变换器、控制器和检测器等四大部分组成。如图１所示。电力电子功率变换器、控制器、电量检测器集中于一体，称为变频器（变频调速装置）。
交流电机的不同，繁衍出不同的交流调速系统。因此现代交流调速系统可分为异步电动机调速系统和同步电动机调速系统。目前较常用的有三种方案，它们是异步电动机交流调速系统、开关磁阻电动机交流调速系统和永磁同步电动机交流调速系统。在调速设计中，究竟哪种方案比较合适，这需要进一步地分析。
２．１
异步电动机交流调速系统
由异步电动机工作原理可知，从定子传入转子的电磁功率Ｐｍ可分为两部分：一部分Ｐｄ＝（１一ｓ）Ｐｍ是拖动负载的有
效功率；另一部分是转差功率只＝瓯，与转差率ｓ成正比。
转差功率如何处理，是消耗掉还是回馈给电网，可衡量异步电动机调速系统的效率高低。因此按转差功率处理方式的不同可以把现代异步电动机调速系统分为三类：（１）转差功率消耗型调速系统，（２）转差功率回馈型调速系统，（３）转差功率不变型调速系统。
２．２开关磁阻电动机交流调速系统
开关磁阻电动机交流调速系统是由开关磁阻电动机、功率变换器、控制装置、角位移传感器和推动电路五部分安装在一起的一种新型机电一体化调速装置（见图２），它的效率在很宽的调速范围内可大于８７％以上，电机结构十分独特，转子上无绕组或永磁体定子为集中绕组，其线圈安装容易，端部短而牢固，比传统的直流电动机、伺步电动机和异步电动机都简单，制造和维修十分方便。同时，开关磁阻电动机控制方便，可以四象限运行，具有结构简单、体积小、重量轻、工作可靠、控制方便的优点，其性能和经济指标优于普通的异步电动机交流调速系统。
２．３同步电动机调速系统
・１２４・
万方数据
由同步电动机转速公式可知，同步电动机惟一依靠变频调速。根据频率控制方式的不同，同步电动机调速系统可分为两类，（１）他控式同步电动机调速系统：如永磁同步电动机、磁阻同步电动机；（２）自控式同步电动机调速系统：如负载换向自控式同步电动机调速系统（无换向器电机）、交一交变频供电的同步电动机调速系统。
传感器阻机
图２
ｓＩｍ的组成
３现代交流调速系统的发展趋势和动向
纵观交流调速技术的发展，可以看出现代交流调速技术未来的发展趋势和动向。
（１）智能化控制方法对交流调速系统的影响研究。（２）改善交流调速系统效率的方法研究。（３）中压变频装置的研究。（４）系统可靠性的研究。
围绕以上四个方面，现代交流调速技术研究与开发的主课题如下：
３．１
智能控制理论与技术方面的应用研究１３Ｊ
矢量控制系统虽然实现了异步电动机磁通电流和转矩电流的完全解藕，但由于电机参数的不确定性、纯滞后或非线性耦合等特性，以及电机转子参数估计的不准确及参数变化的影响都会造成定向坐标的偏移，这些问题至今国内外并未真正解决，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。
近几年来，在许多工业过程控制系统中，被控对象往往存在着结构和参数的不确定性、纯滞后或非线性耦合等特性，难以用准确的数学模型描述，因此，用常规线性控制算法难以满足电动机调速性能的要求。模糊控制、人工神经网络等不依赖于对象的深层次知识，而是通过输入、输出信息进行仿人思维的智能化控制方法开始引入到交流调速系统中。成为交流调速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，扩大调速范围。
取消通过机械连接的测速发电机及其他测速传感器，实现无硬件测速传感器的交流调速系统已有应用，但是转速推算精度和控制的实时性有待于进一步深入研究与开发。
３．２交流调速系统效率的提高是一个重要的研究方向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。由图１可知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，主要领域，是热点课题之一。
措施是降低电力电子器件的开关损耗。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【２Ｊ’’状态下，参考文献：
从而使开关损耗降低到零。
［１］李华德．交流调速控制系统［Ｍ］．北京：电子工业出版社，
日前，电力电子逆变器正朝着高频化、大功率方向发展，２００３．
这使装鼹内部电压、电流发生剧变，不但使器件承受很大的［２］陈国呈．ＰＷＭ变频调速及软开关电力变换技术［Ｍ］．北
电压、电流应力，而且在输入、输出引线及周围空问里产生高京：机械工业出版社，２００１．
频电磁噪声，引发电气设备误动作，这种公害称为电磁干扰
【３］吴广玉．系统辨识与自适应控制（上册）［Ｍ］．哈尔滨：哈
（ＥＩｅｃｔｍＭａｇｎｅｔｉｃＩｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ）。抑制电磁干扰的有效方法
尔滨工业大学出版社，１９８７．也是采用软开关技术。具有软开关功能的谐振变流器在国［４］ＫａｚｒｌｌｉｅｒｋｏｗｓｋｉＭ
Ｐ，ＤｂｉｅｎｏａｋｏｗＭＡ，Ｓｕｌｋａｗｓｋｉ
ｗ．Ｎｏｖｅｌ
内外都在积极进行研究与开发。
ＳｐａｃｅＶｅｃｔｏｒＢａｓｅｄＣｕｒｒｅｎｔＣＯｎｔｍｌｌｅｒｓ
ｆＯｒ
ＰＷＭｌｎｖｅｒｔｅｒｓ
３．３
中压变频装置的研究与开发［Ｊ］．ＩＥＥＥＴｒａｎＳ，ＰＥ，１９９１．
近年来，随蓿中压变频器的兴起，中压、大容量的交流调［５］ｋ｝１ａｒＢｅｒＢｒａｈｉｍ，ＭｅｒＩｌＬｅｒ，ＩＥＥＥ，Ａ
Ｆｕｌｌｙ肼百ｔｉｚｅｄ
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Ｆｉｄｄ一０ｒｉ肌ｔｅｄ（二ＯｎｔｍｌｌｅｄＩｎｄｕｃｔｉｏｎ
Ｍｏｔｏｒ跏ｖｅ
Ｕｓｉｎｇ
型功率器件产生以来，中压变频器的应用趋势迅速加快了。（）ｎｌｙＣｕｒｒｅｎｔ，ＩＥＥＥ
１９９２，（３９）．
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［６］Ｅ
ｃｈ～１ｄｒ㈣，Ａ
Ｈａｕｎ．ｉｎｎｕｅｎｃｅｏｆ
ｔｈｅ
Ｐｕｋ—Ｗｉｄｔｈ
点课题之一。
ＭｂｄｕＩａｔｉｏｎ（ｂｎｔｒｏｌ
Ｍｅｔｈｏｄ
ｏｎ
ｔｈｅＢｅｒｆＯｎｌｍａｎｃｅｏｆＦｒｅ—
３．４
系统可靠性研究
ｑｕｅｎｃｙ
ＩｎｖｅｒｔｅｒＩｎｄｕｃｔｉｏｎ
ＭｍｏｒＩⅪｖｅｓ［Ｊ］．ＥＴＥＰＶｏＬ３，
调速系统的可靠性是最重要的技术指标，也是国内外研Ｎ０２，Ｍａｒｃｈ／ＡＤｒｌ１９９３．
究的热点。提高系统的可靠性主要通过两个途径：一是提高［７］ＰｈＬ丑ｔａｉｒｅ．ｗｈｉｔｅ
ｐａｐｅｒ
ｏｎ
ｔｈｅ
ｎｅｗ√啦Ｂ
ｍ甜ｉｕｍｖｏｌｔａｇｅ
部件的设计和制造水平；二是利用冗余和容错技术。利用马ｄｒｉｖｅ
ｓ垮ｔｅｒｎ，ｕｓｉｎｇＩＧ（汀ｐｄｗｅｒｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｓａｎｄＤｉｒｅｃｔ
尔柯夫过程理论对容错控制系统进行可靠性建模，研究冗余ＴＯｒｑｕｅ［Ｊ］．ＥＰＥＪ叫ｍａｌ
ｖｏＩ．７，Ｎｏ．３—４，ＤｅｃｅｎｌＩ）ｅｒ１９９８．
和容错系统的硬件结构和软件设计也是交流调速研究的新
（责任编辑吕志远）
ＲｅＶｉｅｗｆｏｒＤｅＶｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｔｈｅ
Ｍ０ｄｅｍ
ＡＣ
Ｓｐｅｅｄ—ａｄｊ鹏ｔｍｅｎｔ１ｋｈｎｏＩｏｇｙ
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Ｃｈａｏ—ｈｕｉｌ，ＷＡＮＧＹｏｎｇ—ｔｉａｎ２，ＷＡＮＧＸｉｎ—ｗｅｉ２
（１．ＫｅｙｌａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＡｅｒｏｎａｕｔｉｃａＩＰｏｗｅｒＳｙｓｔｅｍ，ＮａｎｊｉｎｇＵｎｉｖｅｒＳｉｔｙｏｆＡｅｒｏｎａｕｔｉｃｓａｎｄＡｓｔｒｏｎａｕｔｉｃｓ，Ｎａｎｊｉｎｇ２１００ｌ６，Ｃｈｉｎａ；２．ＭｅｃｈａｎｉｃａｌａｎｄＥｌｅｃｔｒｉｃａｌ
Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ饬ｌｌｅｇｅ
ｏｆ
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ＵｎｉｖｅｒＳｉｔｙ，
Ｚｈｅｎｇｚｈ（）ｕ
４５０００２，Ｃｈｉｎａ）
７
Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＡｆｔｅｒＰｕｌｓｅｗｉｄｔｈＭＣＨｄｕｌａｔｉｏｎ～ｖａｒｉａｂｌｅｆｒｅｑｕｅｎｃｙｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｃａｐｐｌｙｔｏ
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Ｓｐｅｅｄ—ａｄｊｕｓｔｍｅｎｔ
Ｓｙｓｔｅｍ，ｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｔｈｅｍｏｄｅｍＡＣＳｐｅｅｄ—ａｄｊｕｓｔｍｅｎｔｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｃｉｓ
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ｎｅｗｗａｙ．Ｔｈｅａｒｔｉｃｌｅｄｅｓｃｒｉｂｅｄ
ｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆＡＣ
Ｓｐｅｅｄ—ａｄｊｕｓｔｍｅｎｔａｎｄｂａｓｉｃｔｙｐｅ，ｆｏｒｅｃａｓｔｉｔ
７ｓ
ｆｕｒｔｕｒｅ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＡＣ
Ｓｐｅｅｄ—ａｄｊｕｓｔｍｅｎｔＳ”ｔｅｍ；ＰＷＭ（ｂｎｔｒｏｌ；Ｔｒａｎｓｖｅｃｔｏｒ（乃ｎｔｍｌ；Ｖａｒｉａｂｌｅ
ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ
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