電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀與前景展望

1、Harbin Institute of Technology課程學(xué)術(shù)報(bào)告課程名稱： 電機(jī)與電器學(xué)科最新發(fā)展動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)題目： 電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀及前 景展望 姓 名： 王胤燊 學(xué) 號(hào)： 11S006014 指導(dǎo)教師： 梁維燕院士 鄒繼斌教授 楊貴杰教授 翟國(guó)富教授 時(shí) 間： 2012.7.10 哈爾濱工業(yè)大學(xué)電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀及前景展望王胤燊（哈爾濱工業(yè)大學(xué) 電氣工程系，黑龍江 哈爾濱 150001）摘要：一個(gè)多世紀(jì)以前電動(dòng)機(jī)的發(fā)明使其成為工業(yè)革命以后的主要驅(qū)動(dòng)力之一。它在各種機(jī)械運(yùn)動(dòng)中的廣泛應(yīng)用使生活變得簡(jiǎn)單并最終推動(dòng)了人類的進(jìn)步。逆變器的出現(xiàn)推動(dòng)了交流電機(jī)速度和轉(zhuǎn)矩控制的發(fā)展，這使得電

2、機(jī)在僅僅30年就應(yīng)用到了不可思議的領(lǐng)域。功率半導(dǎo)體元件和數(shù)字控制技術(shù)的進(jìn)步使得電機(jī)驅(qū)動(dòng)具有了魯棒性并且能夠?qū)崿F(xiàn)高精度的位置和速度控制。交流驅(qū)動(dòng)技術(shù)的應(yīng)用也帶來(lái)了能源節(jié)約和系統(tǒng)效率的提高。這篇文章回顧了交流電機(jī)逆變技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用中所起的作用，并介紹了電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)的發(fā)展前景。未來(lái)更有效更強(qiáng)勁的電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)的發(fā)展對(duì)于實(shí)現(xiàn)不污染電網(wǎng)系統(tǒng)和提高生產(chǎn)力這樣的節(jié)能環(huán)保型驅(qū)動(dòng)很重要。PRESENT STATE AND A FUTURISTIC VISION OF MOTOR DRIVE TECHNOLOGYWANG Yinshen,(Dept of Electrical Engineering, Harbi

3、n Institute of Technology, Harbin 150001, China)Abstract： One of the main driving force behind the industrial revolution was the invention of the electric motor more than a century ago. Its widespread use for all kinds of mechanical motion has made life simple and has ultimately aided the advancemen

4、t of human kind. The advent of the inverter that facilitated speed and torque control of AC motors has propelled the use of electric motor to new realms that was inconceivable just a mere 30years ago. Advances in power semiconductors along with digital controls have enabled realization of motor driv

5、es that are robust and can control position and speed to a high degree of precision. Use of AC motor drives has also resulted in energy savings and improved system efficiency. This paper introduces some futuristic vision for the motor drive technology. The development of more efficient, more powerfu

6、l electric motor drives to power the demands of the future is important for achieving energy savings, environmentally harmonious drives that do not pollute the electrical power system, and improving productivity. 1 引言電機(jī)本體及其控制技術(shù)在近幾年取得相當(dāng)大的進(jìn)步。這要?dú)w功于半導(dǎo)體技術(shù)的空前發(fā)展帶來(lái)的電力電子學(xué)領(lǐng)域的顯著進(jìn)步。電機(jī)驅(qū)動(dòng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的利處已經(jīng)觸及各種各樣的設(shè)備，從大型工業(yè)設(shè)

7、備像鋼鐵制造廠、造紙廠的軋鋼機(jī)等，到機(jī)床和半導(dǎo)體制造機(jī)中使用的機(jī)電一體化設(shè)備。交流電機(jī)控制器包括異步電機(jī)控制器和永磁電機(jī)控制器，這兩者在電機(jī)驅(qū)動(dòng)業(yè)的全過(guò)程中起著關(guān)鍵性作用。圖1所示為電流逆變器（異步電機(jī)控制器）和交流伺服驅(qū)動(dòng)器（永磁交流電機(jī)及其控制器）。圖1所示的控制器使用了此行業(yè)技術(shù)所能提供的最新的功率半導(dǎo)體器件并采用了矢量控制方法中最先進(jìn)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制算法。目前這樣的控制器在各工業(yè)商業(yè)場(chǎng)合中無(wú)所不在。由于交流驅(qū)動(dòng)技術(shù)的應(yīng)用變得更廣泛，就很難忽略一個(gè)事實(shí)：被機(jī)電系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換設(shè)備消耗的電能中電機(jī)消耗大部分，超過(guò)整個(gè)行業(yè)電能產(chǎn)出的70% .在現(xiàn)定的這種情況下，未來(lái)的家用電器設(shè)備將很快采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)

8、技術(shù)，像洗衣機(jī)以及一些高壓交流電設(shè)備中。圖1電流逆變器因此把研發(fā)重點(diǎn)集中在更高效率、更小尺寸、使用更少原材料、對(duì)環(huán)境更無(wú)害、平均無(wú)故障時(shí)間間隔長(zhǎng)、易回收的產(chǎn)品上是很重要的。安川公司想成為這一領(lǐng)域的一份子。在電機(jī)驅(qū)動(dòng)行業(yè)中應(yīng)用的理念、想法和設(shè)備很適用于從代用能源如太陽(yáng)能和風(fēng)能中獲取能量。因此，電力電子學(xué)在這些設(shè)備中起著重要作用并不驚奇。電機(jī)驅(qū)動(dòng)行業(yè)在解決未來(lái)的能源危機(jī)中將成為主力軍，同時(shí)也將對(duì)環(huán)境保護(hù)貢獻(xiàn)卓著。2 交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)現(xiàn)在的工業(yè)中把交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)分為明顯不同的兩類：異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)和永磁交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)。兩者基本 區(qū)別在于性能和成本上。異步電機(jī)仍然是現(xiàn)在工業(yè)的主要設(shè)備。采用異步電機(jī)的一般不需要十分

9、精確地位置和速度控制。這樣的設(shè)備眾所周知的代表性應(yīng)用為“通用交流電機(jī)”。然而，生產(chǎn)半導(dǎo)體器件的產(chǎn)業(yè)和其他較復(fù)雜的產(chǎn)業(yè)需要較高的精度和受控動(dòng)作。永磁電機(jī)成為滿足上述條件的首選，由于它們尺寸更小，效率更高，慣性更低，并因此具有更好的可控性。這樣的電機(jī)被歸類為伺服電機(jī)并且被永磁交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器控制，一般要比與其配對(duì)的異步電機(jī)要貴。2.1 通用交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器V/f 控制通用交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的電源柜與永磁交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器很相似。這兩種驅(qū)動(dòng)器都被稱為電壓源型逆變器，一個(gè)即將明確的術(shù)語(yǔ)。由于電拓?fù)浒粋€(gè)大直流總線電容作為濾波器，并且由于它的電壓被調(diào)制成各種幅值各種頻率的電壓之后輸送給交流電機(jī)，這樣的逆變拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

10、被稱為電壓源型逆變器并稱為現(xiàn)在交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器不可分割的一部分。圖2所示為一目前交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的典型原理圖。圖2交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器通用交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器一般為異步電機(jī)提供恒定磁通。因?yàn)殡姍C(jī)的磁通是施加給電機(jī)的電壓與頻率的比值，利用這個(gè)比值不變來(lái)實(shí)現(xiàn)恒磁通操作。電機(jī)電流隨負(fù)載幾乎成線性增長(zhǎng)。傳送帶和其他摩擦負(fù)荷需要這樣的配置文件。對(duì)于離心負(fù)載像風(fēng)扇和泵，電機(jī)中的磁通可以被改成按照平方函數(shù)變化。通過(guò)這樣處理，電機(jī)消耗的能量變成速度的立方函數(shù)，這可以節(jié)省很多能量。盡管V/f的比值用這些措施保持恒定，和恒速度相比還是可以節(jié)省很多能量，在速度保持恒定的情況下相當(dāng)大的能量損失在閥門或阻尼控制上。由于負(fù)載的轉(zhuǎn)矩特性具

11、有平方的形式，所以在較低速度范圍內(nèi)降低電壓來(lái)進(jìn)一步提高效率是可能的。由此而帶來(lái)的效率提升極其顯著以至于2000年京都議定書成員國(guó)們同意把風(fēng)扇和泵由以往的生產(chǎn)線直接控制操作改為通過(guò)交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器來(lái)操作以節(jié)約能源和減少工廠的整體碳排放量。不僅對(duì)那些國(guó)家甚至對(duì)全人類來(lái)說(shuō)把固定速度的風(fēng)扇和泵轉(zhuǎn)變?yōu)榭勺兯俾识际欠浅Ｖ匾陀幸饬x的。2.2 高性能交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器矢量控制盡管大部分工業(yè)設(shè)備需要并不復(fù)雜的V/f控制，但仍然有相當(dāng)一部分設(shè)備需要更高的性能。這樣的設(shè)備包括機(jī)床主軸驅(qū)動(dòng)器，造紙機(jī)，拉絲機(jī)和鋼鐵工業(yè)中的夾送輥，電梯，石油勘探頂部驅(qū)動(dòng)器，印刷機(jī)，軋鋼機(jī)和其他需要低速大轉(zhuǎn)矩的設(shè)備。這樣的性能在過(guò)去可以用直流

12、電機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)，而現(xiàn)在逐步被矢量控制的交流電機(jī)所取代。矢量控制這一術(shù)語(yǔ)在技術(shù)上是指產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的輸入電流被控制為與異步電機(jī)中的磁場(chǎng)正交以產(chǎn)生最佳轉(zhuǎn)矩?；谶@樣的方向控制被稱為場(chǎng)定向控制。和直流電機(jī)相似，現(xiàn)在交流電機(jī)也能夠獨(dú)立控制磁通量和電機(jī)轉(zhuǎn)矩來(lái)實(shí)現(xiàn)高性能。場(chǎng)定向控制的基本思想是把輸入三相時(shí)變電流轉(zhuǎn)變成電機(jī)中兩相時(shí)變的成分：和成分。這些和成分之后被轉(zhuǎn)化成和電機(jī)氣隙磁場(chǎng)同步旋轉(zhuǎn)的兩軸（d軸和q軸）因而使其與交流電機(jī)的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)相對(duì)靜止（圖3(a)）。通過(guò)保持d軸和q軸的正交關(guān)系及控制q軸成分，即使在停止條件下也可以產(chǎn)生最佳轉(zhuǎn)矩。電機(jī)電流從三相到d-q軸的轉(zhuǎn)變需要轉(zhuǎn)子的瞬時(shí)位置和速度，這是由安裝在交流電機(jī)軸

13、上的脈沖編碼器來(lái)實(shí)現(xiàn)的。在直接場(chǎng)定向控制中，交流電機(jī)中氣隙磁場(chǎng)的位置和大小來(lái)源于電機(jī)輸入電壓和電流的測(cè)量。把被測(cè)磁通和一穩(wěn)定的參考磁通比較，然后將其接入調(diào)節(jié)器來(lái)調(diào)節(jié)q-軸磁通為零以實(shí)現(xiàn)兩正交軸之間的完全去耦。被測(cè)磁通的d-軸分量也被用于計(jì)算電機(jī)產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩，再將此轉(zhuǎn)矩與參考轉(zhuǎn)矩比較。然后轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器控制轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生電流成分來(lái)實(shí)現(xiàn)期望速度下的期望轉(zhuǎn)矩。來(lái)自于編碼器的角度信息被直接用于執(zhí)行從三相到兩軸的轉(zhuǎn)變，反之亦然。間接場(chǎng)定向控制的控制原理和直接場(chǎng)定向控制十分不同。在間接場(chǎng)定向控制情況下，氣隙磁場(chǎng)并不是明確計(jì)算出來(lái)的。感應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)差率是在測(cè)量電流參數(shù)的基礎(chǔ)上計(jì)算出來(lái)的。所得的轉(zhuǎn)差率被用于計(jì)算偏離角，此

14、偏離角又被加到來(lái)自編碼器的轉(zhuǎn)角信息以獲得氣隙磁場(chǎng)的正確位置。這個(gè)新估計(jì)出來(lái)的角度用于轉(zhuǎn)變過(guò)程這樣d-軸電機(jī)電流和氣隙磁場(chǎng)完全一致，可以實(shí)現(xiàn)高性能轉(zhuǎn)矩控制即使是在停止的條件下。顯然和直接場(chǎng)定向控制相比是一個(gè)重大的優(yōu)勢(shì)。然而，電機(jī)轉(zhuǎn)差率和偏離角的計(jì)算需要有關(guān)轉(zhuǎn)子參數(shù)的信息，而這些參數(shù)對(duì)溫度和其他操作條件十分敏感。在較高容量的電機(jī)中這一敏感性更加明顯。在較高速的情況下，間接場(chǎng)定向控制方法中供微處理器計(jì)算轉(zhuǎn)差率和偏離角用的編碼器分辨率和計(jì)算時(shí)間是主要的限制因素。這種局限在直接場(chǎng)定向控制方法中和同時(shí)采用這兩種類型的控制方法中是不存在的 停止和低速范圍下間接場(chǎng)定向控制和高速范圍內(nèi)直接場(chǎng)定向控制是一種經(jīng)典的

15、現(xiàn)代控制方法，鑒于現(xiàn)在的微處理器具有足夠的魯棒性來(lái)進(jìn)行兩種方法的計(jì)算并且可 以根據(jù)基于電機(jī)速度的可設(shè)置的狀態(tài) 標(biāo)志位來(lái)決定從一種算法轉(zhuǎn)到另一種算法。圖3所示為兩種類型控制的典型控制原理圖和坐標(biāo)變換的概念。2.3 高性能交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器測(cè)器控制在上述討論的控制方案中及圖3所示，編碼器反饋構(gòu)成不可或缺的一部分。不幸的是，在很多工業(yè)應(yīng)用中，害怕任何一根傳載編碼器信號(hào)的信號(hào)線中斷或者編碼器本身可能由于電機(jī)所處的高溫和潮濕等惡劣環(huán)境而無(wú)法操作。在其他情況下，軸上編碼器的安裝可能會(huì)花銷很大，而用戶可能無(wú)法承擔(dān)，在任何一種情況下，都有必要不使用編碼器就由交流電機(jī)實(shí)現(xiàn)高性能。上述這種情況導(dǎo)致一種被稱作測(cè)器控制器

16、的新型控制器的出現(xiàn)。一些驅(qū)動(dòng)器制造商把這種控制器稱作“開環(huán)控制器”。具有執(zhí)行實(shí)時(shí)高密集性計(jì)算能力的復(fù)雜微處理器的出現(xiàn)使得這個(gè)領(lǐng)域的研究非常有趣和具有挑戰(zhàn)性。許多研究人員致力于這一課題并且它也成為一個(gè)許多主要電機(jī)驅(qū)動(dòng)器制造商的重要研發(fā)課題。目前有兩種日趨流行的方法。他們是：a.通過(guò)給電機(jī)注入高頻信號(hào)來(lái)顯示由定子結(jié)構(gòu)中的齒和槽所決定的特性，這樣電機(jī)本體就被用作傳感器。b.基于機(jī)器模型的流量觀測(cè)器隨電機(jī)溫度的改變更新數(shù)據(jù)。在后一種情況下，無(wú)法進(jìn)行零輸入頻率操作，然而能確定轉(zhuǎn)子位置的凸極電機(jī)的開發(fā)已經(jīng)被證實(shí)能夠控制零輸入頻率。實(shí)際上，零軸轉(zhuǎn)速勝任很多像拉絲機(jī)和頂部驅(qū)動(dòng)器等高性能的應(yīng)用場(chǎng)合，這些場(chǎng)合下當(dāng)

17、需要改變鉆頭的時(shí)候，鉆頭要被夾緊和放松。因此，用于直接轉(zhuǎn)矩控制驅(qū)動(dòng)器的流量觀測(cè)器更加勝任這些場(chǎng)合。如果所使用的內(nèi)部微處理器足夠快能滿足流量觀測(cè)器的計(jì)算要求，其他采用標(biāo)準(zhǔn)PWM技術(shù)的流量觀測(cè)器也可以勝任。很多研究人員已經(jīng)著手此領(lǐng)域的工作，而且很多電機(jī)驅(qū)動(dòng)器制造商提供了高級(jí)測(cè)器算法。3 電力拓?fù)鋵W(xué)取得的進(jìn)步半導(dǎo)體技術(shù)的突飛猛進(jìn)促進(jìn)了更高開關(guān)頻率的基于電壓源逆變器（現(xiàn)在交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的主力軍）的PWM技術(shù)的出現(xiàn)。開關(guān)頻率在10-kHz 到15-kHz的載體十分普遍。這十分有助于提高電壓，電流，和轉(zhuǎn)矩的可控性。同時(shí)有助于減少噪聲。然而，高速切換的IGBT會(huì)增加高頻泄漏電流，軸承電流和轉(zhuǎn)軸電壓。但這更加

18、劇了電壓反射問(wèn)題帶來(lái)的電機(jī)終端高壓，尤其是當(dāng)電機(jī)與驅(qū)動(dòng)器之間的距離在20m以上時(shí)。電力電子和交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器領(lǐng)域的研究人員和工程師發(fā)現(xiàn)這個(gè)問(wèn)題已經(jīng)很久了，并且為此開發(fā)了很多工具，將這些工具放在電機(jī)與驅(qū)動(dòng)器之間以解決類似的應(yīng)用問(wèn)題。3.1 三級(jí)中性點(diǎn)鉗位逆變器和在電機(jī)與驅(qū)動(dòng)器間添加器件相比通過(guò)改變電力拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來(lái)較少上述問(wèn)題是更明智的處理方法。安川公司是第一個(gè)提出在通用低壓設(shè)備中采用三級(jí)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)器制造商。安川公司所屬的三級(jí)驅(qū)動(dòng)器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)被稱為三級(jí)中性點(diǎn)鉗位逆變器。三級(jí)中性點(diǎn)鉗位逆變器是1980年由A. Nabae, I. Takahashi 和H. Akagi 首先提出并于1981年發(fā)表。在這

19、個(gè)電路結(jié)構(gòu)中，施加到開關(guān)設(shè)備上的電壓是傳統(tǒng)的兩級(jí)逆變器（圖2）的一半。由于這一特性，它被應(yīng)用于中高壓驅(qū)動(dòng)器中。早期在歐洲和日本被應(yīng)用于鋼鐵行業(yè)和鐵路牽引機(jī)等領(lǐng)域。除了處理高壓的能力，NPC（中性點(diǎn)鉗位）逆變器還有許多優(yōu)點(diǎn)；較低的線電壓和共模電壓，一個(gè)載波周期內(nèi)更頻繁的電壓階躍，相同載波頻率下輸出電流中脈動(dòng)成分更低。這些優(yōu)點(diǎn)以及之前所說(shuō)的施加到電機(jī)線圈和軸承上的電壓較低，對(duì)相鄰的設(shè)備噪聲影響更小，使得其與傳統(tǒng)的兩級(jí)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器相比具有明顯的優(yōu)勢(shì)。加上先進(jìn)的PWM控制方案，使得采用雙觀測(cè)器方法來(lái)提高動(dòng)態(tài)性能成為可能。為了發(fā)揮上述優(yōu)越特性，把通用脈寬調(diào)制NPC逆變器應(yīng)用于低壓驅(qū)動(dòng)器設(shè)備。在此產(chǎn)品中，采

20、用了一項(xiàng)特殊技術(shù)來(lái)平衡交流總線電容電壓。這將在接下來(lái)的部分詳細(xì)解釋。圖4為NPC三級(jí)逆變器的電路圖。每相有4個(gè)開關(guān)設(shè)備（IGBT）順次串聯(lián)起來(lái)，以U相為例，此電路按以下方式工作。當(dāng)IGBT管QU1和QU2導(dǎo)通時(shí)輸出電壓U和電流總線的正向相連，當(dāng)IGBT管QU2和QU3導(dǎo)通時(shí)輸出電壓U與中性點(diǎn)O相連，當(dāng)IGBT管QU3和QU4導(dǎo)通時(shí)輸出電壓U與交流總線的負(fù)端相連。因此，輸出電壓有三個(gè)量值，而傳統(tǒng)的兩級(jí)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)只有兩個(gè)量值。輸出電壓（相對(duì)于直流中性點(diǎn)的電壓）與IGBT的開關(guān)狀態(tài)之間的關(guān)系如表1所示。需要串聯(lián)直流總線電容以使得中點(diǎn)輸出電壓值為零。這并不是缺點(diǎn)，因?yàn)殡妷悍秶?00-480 V時(shí)高壓電

21、解電容不可用，所以在通用逆變器中串聯(lián)直流電容是很正常的做法。由逆變橋流入電容中點(diǎn)的電流是此拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的唯一的新問(wèn)題，并且保持兩電容間的電壓平衡很重要，這要影響到此控制方案。為了描繪輸出電壓的波形，設(shè)PWM參考信號(hào)U,V,W依次為，eU= A sin (t) (1) eV= A sin (t 120) (2) eW=A sin(t240) (3)A為調(diào)制指數(shù)。假設(shè)不采用三次諧波成分來(lái)提高直流線電壓的使用。輸出電壓的波形隨著調(diào)制指數(shù)和相角改變。為了描繪輸出電壓的變化，取A為1.0即采用全電壓控制，并使U相相角為75。這種條件如圖5所示，相電壓為：eU= 1.0 sin 75 = 0.966 (4)

22、eV= 1.0sin(75120)= -0.707 (5) eW= 1.0sin(75240) = -0.259 (6)對(duì)上述條件，一個(gè)周期被PWM載波信號(hào)的相電壓，線電壓，共模電壓波形如圖6所示。在圖6中，Tc為載波信號(hào)的周期。線電壓eU-V定義如下， eU-V=eU- eV (7)它是實(shí)際施加到電機(jī)終端的電壓。共模電壓定義如下：ecom = (eU+ eV+ eW) / 3 (8)共模電壓影響泄漏電流，轉(zhuǎn)軸電壓和承載電流。測(cè)量的兩項(xiàng)和三相逆變器線電壓波形如圖7所示。所測(cè)的共模電壓比較如圖8所示。圖7和圖8是一個(gè)460V, 7.5kW電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的波形。從圖6到圖8可以看出無(wú)論是線電壓還是共

23、模電壓三相逆變器的要比兩相逆變器的階躍小。此外，在某些相角范圍內(nèi)三級(jí)逆變器的共模電壓幅值要不兩級(jí)逆變器的低。這些特征給驅(qū)動(dòng)器的應(yīng)用帶來(lái)顯著的好處。3.2 三級(jí)逆變器的特點(diǎn)與優(yōu)勢(shì)這部分比較兩級(jí)逆變器與三級(jí)逆變器電機(jī)終端的沖擊電壓、泄漏電流、轉(zhuǎn)軸電壓和承載電流。3.2.1 電流波形首先，由于電壓階躍更小更頻繁，相同PWM載波頻率下三級(jí)逆變器的紋波電流成分較小。換句話說(shuō)，和兩級(jí)逆變器相比對(duì)于同樣品質(zhì)的電流載波頻率可以低一些，這樣可以減少IGBT的開關(guān)損失。3.2.2 電機(jī)終端的沖擊電壓當(dāng)逆變器與電機(jī)之間的電纜較長(zhǎng)時(shí)，電機(jī)終端的電壓要比逆變器一端高，這是由陡峭的暫態(tài)電壓和電纜的分布電感電容引起的。電機(jī)

24、終端出現(xiàn)的高電壓可能損壞線圈的絕緣材料。電壓高速率的變化也會(huì)產(chǎn)生線圈匝數(shù)之間電壓分配不均勻的現(xiàn)象，這會(huì)影響絕緣材料的壽命。由于三相逆變器的電壓階躍是兩相逆變器的一半，所以其電機(jī)終端的峰值電壓也要低的多。圖9中的波形是在把階躍電壓施加到L-C振蕩電路后電壓可上擺到輸入電壓兩倍這一概念的基礎(chǔ)上得到的。在圖9 (a)中，E的超調(diào)量與原有的E相加使得峰值達(dá)到2E。在圖9(b)中，電壓跳變0.5E，再與原有E相加得到峰值電壓為1.5E。圖10所示為電纜長(zhǎng)為100m時(shí)測(cè)得的電機(jī)電壓波形。這些波形清楚的表明峰值電壓的不同。從圖中也可以看到分布參數(shù)引起的高頻振蕩。3.2.3 泄露電流高速率的共模電壓使得來(lái)自電

25、纜導(dǎo)體和電機(jī)線圈的漏電流通過(guò)這些組分中的寄生電容流向大地。這個(gè)漏電流給逆變器附近的設(shè)備帶來(lái)噪聲問(wèn)題。它和電磁干擾噪聲等級(jí)有很大關(guān)系。由于共模電壓的的階躍比較小，三級(jí)逆變器的漏電流比二級(jí)逆變器要小得多。圖11顯示三級(jí)情況下漏電流峰值顯著下降。測(cè)量是在460V, 7.5kW 的電機(jī) 100m長(zhǎng)電纜的情況下進(jìn)行的。3.2.4 轉(zhuǎn)軸電壓與軸承電流有報(bào)道在轉(zhuǎn)軸沒(méi)有接地的情形下逆變器驅(qū)動(dòng)的電機(jī)的軸承發(fā)生損壞。這些問(wèn)題是由共模電壓和其尖峰所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)軸電壓和軸承電流所引起的。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)子隨軸承經(jīng)油脂薄膜絕緣后旋轉(zhuǎn)時(shí)，在轉(zhuǎn)子和機(jī)架之間存在著電容。這個(gè)電容由共模電壓通過(guò)定子繞組與轉(zhuǎn)子之間的電容充電。因此，轉(zhuǎn)軸電壓的

26、形狀和共模電壓很相似。轉(zhuǎn)軸電壓的尖峰使電流流過(guò)軸承的絕緣層。這會(huì)導(dǎo)致絕緣層分解和轉(zhuǎn)軸電壓的放電。由于三級(jí)逆變器的共模電壓的改變較小，使得其在轉(zhuǎn)軸電壓和軸承電流方面與兩級(jí)逆變器相比具有顯著優(yōu)勢(shì)。圖12兩級(jí)與三級(jí)逆變器轉(zhuǎn)軸電壓與軸承電流的測(cè)試結(jié)果。在這些測(cè)試中，在軸承和軸承蓋之間加入了絕緣材料以便更利于軸承電流的觀察。盡管圖12中顯示三級(jí)逆變器的軸承電流相當(dāng)小，但仍然很難估計(jì)軸承壽命的差異。實(shí)際上為了證實(shí)三級(jí)逆變器的優(yōu)越性已經(jīng)進(jìn)行了很長(zhǎng)一段時(shí)間的測(cè)試了。圖13顯示出使用三級(jí)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)軸承的壽命會(huì)更長(zhǎng)。在圖13軸承壽命測(cè)試實(shí)驗(yàn)中考慮了極端條件包括溫度，油脂類型和電機(jī)速度等。應(yīng)該指出實(shí)際上正常的軸承壽命

27、比此處顯示的要長(zhǎng)。圖14所示為一400V, 1.5kW的部件。此類部件從18.5kW到高達(dá)300KW有標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)置直流反應(yīng)堆。這減小了輸入正弦電流的失真。此外，此單元額外裝配了一個(gè)整流橋以促進(jìn)十二脈波的整流。這可以通過(guò)采用一個(gè)角角星隔離相移變壓器來(lái)實(shí)現(xiàn)。使用十二脈波法可使輸入電流畸變率降低12%左右。3.3 矩陣變流器電壓源型PWM逆變器已經(jīng)被列為電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的主要控制器。然而，這和前部分?jǐn)⑹龅南嚓P(guān)的輸入方面，交流電源方面或輸出方面以及電機(jī)方面都有關(guān)。兩級(jí)逆變器的典型問(wèn)題包括：a.輸入電流的高次諧波對(duì)電力系統(tǒng)有不利影響b.大共模電流及電磁輻射對(duì)其他設(shè)備的影響c. 電機(jī)終端的沖擊電壓潛在著使絕緣失

28、效的可能d.由于轉(zhuǎn)軸電壓和軸承電流導(dǎo)致的電機(jī)軸承過(guò)早損壞盡管在輸入輸出的處理上有了各種各樣的進(jìn)步但電壓源型逆變器還是引起了電網(wǎng)污染，所以仍然需要一種較簡(jiǎn)單的不需要外圍設(shè)備就能處理輸入輸出電網(wǎng)污染問(wèn)題的變流器。這樣的驅(qū)動(dòng)器將會(huì)是可以實(shí)現(xiàn)與環(huán)境和諧友好的系統(tǒng)。有希望實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的變流器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是矩陣變流器。矩陣變流器（MC）是一個(gè)直接頻率轉(zhuǎn)換設(shè)備（AC Ac變流器），可以直接利用交流電網(wǎng)中的電壓產(chǎn)生不同幅值不同頻率的輸出電壓。它是完全可再生的并且具有整功率因數(shù)的正弦輸入電流。圖15為矩陣變流器的基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。矩陣變流器的概念首先由Venturini提出。此后，它一直是備受關(guān)注的一個(gè)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。缺乏

29、低成本高性能的半導(dǎo)體器件制約了整個(gè)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的采納。由于最近的發(fā)展，它逐漸成為非?？尚械漠a(chǎn)品。安川公司是把這種產(chǎn)品商業(yè)化的首批公司之一。三相MC 由雙向開關(guān)組成，這可以做到輸入電流和輸出電流的PWM控制。它不需要典型電壓源型逆變器中的中間直流連接和相關(guān)的大電容性濾波器。在實(shí)際應(yīng)用中，理解開關(guān)之間的切換程序十分重要。兩開關(guān)之間的換流應(yīng)該遵循以下兩個(gè)約束條件：a.避免輸入線短路 ；b.避免輸出開路。一些遵循以上兩個(gè)約束條件的多步換流方案被提出。四步換流技術(shù)或許是最流行最廣泛使用的方法。然而，在所有的技術(shù)中，施加的選通信號(hào)和實(shí)際的雙向開關(guān)的閉合與斷開是不同的，因?yàn)槊總€(gè)開關(guān)的實(shí)際閉合與斷開時(shí)間是受輸出電

30、流的方向和輸入電壓的幅值所影響的。這樣，在換流序列期間，矩陣變流器的輸出電壓可能出現(xiàn)不期望的失真，這與傳統(tǒng)電壓源逆變器的上下兩開關(guān)之間的死區(qū)時(shí)間引起的電壓失真相似。許多研究人員致力于此課題，并提出多種多樣的可靠的軟硬件應(yīng)用技術(shù)。在所有技術(shù)中，唯一可能解決低速情況下的失真問(wèn)題就是采用一些補(bǔ)償手段來(lái)調(diào)節(jié)由于換流延誤所造成的輸出電壓的損失。矩陣變流器的輸入是交流電壓源，然而其負(fù)載是感性電動(dòng)機(jī)，其本質(zhì)是感性的。由于輸入感性負(fù)載的電流從一相變?yōu)榱硪幌?，就可能?duì)輸入交流電源產(chǎn)生干擾。為了防止其發(fā)生，在矩陣變流器的輸入端采用交流電容器，它能夠吸收開關(guān)脈動(dòng)電流成分。為了防止外部電源的諧波耦合到輸入電容器中，使

31、用了電感器，形成低通輸入濾波器。輸入LC 濾波器被選擇過(guò)濾掉矩陣變流器的載波頻率成分。矩陣變流器和輸入低通LC濾波器產(chǎn)生正弦輸入交流電流。低通輸入LC濾波器提供了穩(wěn)定的中性點(diǎn)并且進(jìn)一步促進(jìn)濾波器的集成。表2列出了矩陣變流器與兩級(jí)電壓源型逆變器相比的優(yōu)點(diǎn)。 矩陣變流器輸出相電壓有三級(jí)，因?yàn)樗怯扇齻€(gè)可用輸入相電壓構(gòu)成的。由于輸出電壓等級(jí)要經(jīng)過(guò)三個(gè)可用輸入電壓中的中間電壓，輸出電壓和共模電壓的階躍變化通常要比傳統(tǒng)的電壓源型PWM逆變器低。由于矩陣變流器得共模電壓波形階躍較小，使其自身比較容易濾波。圖16是矩陣變流器和傳統(tǒng)兩級(jí)逆變器中的共模電壓的比較。矩陣變流器中的共模電壓較低，所以共模電流、轉(zhuǎn)軸電

32、壓和軸承電流也較小。因此矩陣變流器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)本身使其更易于濾波。利用不同濾波器的集成以實(shí)現(xiàn)低噪聲、較低地電流和較高安全裕量的驅(qū)動(dòng)器是本篇文章的推動(dòng)力。從矩陣變流器提供操作說(shuō)明中，可以說(shuō)矩陣變流器的性能與矩陣變流器很相似。由于矩陣變流器是固有的可再生驅(qū)動(dòng)器，所以把它和背靠背型的三級(jí)電壓源型逆變器相比是合理的。突出的比較特點(diǎn)：1. 矩陣變流器使用9個(gè)相反的大塊半導(dǎo)體開關(guān)設(shè)備，而相比之下背靠背型的三級(jí)電壓源型逆變器使用24個(gè)。2. 矩陣變流器不需要濾波的直流總線電容和相應(yīng)的軟充電電路。3.在背靠背型的電壓源型逆變器中，輸入相中的兩相或三相總是連在一起的，這會(huì)在輸入終端產(chǎn)生大幅值的開關(guān)頻率成分。為了減

33、少其對(duì)電力系統(tǒng)的影響，需要大濾波電感器和一些功率分頻成分。在矩陣變流器中，既定的輸入相或者和電機(jī)相連或者懸浮。所以需要衰減的開關(guān)頻率的幅值成分很小，這樣輸入濾波器就小得多。4. 由于沒(méi)有直流總線電容所以矩陣變流器的控制原理圖很復(fù)雜，是靠器械將電壓源型變流器的前端PWM整流器和電機(jī)一側(cè)的逆變器分開的。然而，最近控制理論的進(jìn)步減輕了這一缺點(diǎn)的嚴(yán)重性。低噪聲電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)所需的各種濾波器都可以很容易的集成到矩陣變流器中。圖17為一個(gè)帶有輸入和輸出配置的矩陣變流器。除了標(biāo)準(zhǔn) 的輸入低通LC濾波器以外，還有一個(gè)小尺寸的輸入電磁干擾濾波器來(lái)降低電磁干擾。輸出部分包含普通濾波器（NMF）在電機(jī)終端提供正弦波輸

34、出電壓波形。為了衰減共模電壓和共模電流在輸出端使用了共模濾波器。轉(zhuǎn)軸電壓（共模電壓的仿造物）也減小了并有助于減小軸承電流。圖18為實(shí)際的環(huán)境友好型電力變流器一個(gè)完整的系統(tǒng)，其中包括集成濾波器和矩陣變流器。帶有集成濾波器的矩陣變流器的尺寸為：寬530mm，高700mm ，深290mm.等價(jià)的具有相似集成濾波器的背靠背式電壓源型變流器將比矩陣變流器的體積大出37% 。3.4 中壓矩陣變流器矩陣變流器的一個(gè)有趣的應(yīng)用就是它在中壓設(shè)備上的應(yīng)用。矩陣變流器可以以單元為單位產(chǎn)生合適的電壓。通過(guò)適當(dāng)改變每個(gè)單元載體的相角并把它們與電機(jī)線圈整合到一起，就能實(shí)現(xiàn)多步中壓等級(jí)。通過(guò)保證足夠高的載波頻率，相移載體的

35、電壓波形幾乎是正弦輸出。安川公司的工程師已經(jīng)開發(fā)出一種比較流行的類似方法。原理圖和矢量圖在圖19中可見。中壓矩陣變流器的特點(diǎn)是： 四象限操作 由于輸入變壓器的多級(jí)相位調(diào)整線圈，輸入電流波形非常好 靈活的設(shè)計(jì)：O 三個(gè)串聯(lián)的單元產(chǎn)生3.3kv,200到3,000kVA的系統(tǒng)O 六個(gè)串聯(lián)的單元產(chǎn)生6.6kv,200到6,000kVA的系統(tǒng) 通過(guò)相移載頻可實(shí)現(xiàn)多級(jí)配置所以 輸出電壓波形非常好 4 電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的前景電力半導(dǎo)體工業(yè)的發(fā)展進(jìn)步始于二十世紀(jì)六十年代，其發(fā)展直接影響到了電機(jī)驅(qū)動(dòng)器行業(yè)的發(fā)展。沿著這條直接的紐帶，可以說(shuō)正在進(jìn)行中的新型開關(guān)半導(dǎo)體裝置（如砷化鎵、碳化硅、氮化鎵等）的研究和實(shí)驗(yàn)將很快

36、主宰電機(jī)驅(qū)動(dòng)器行業(yè)。將實(shí)現(xiàn)更高的開關(guān)頻率和更小的電能損失。冷卻系統(tǒng)的主要改變有希望徹底改變電機(jī)驅(qū)動(dòng)器行業(yè)。4.1 碳化硅(SiC)設(shè)備的優(yōu)勢(shì)與挑戰(zhàn)碳化硅設(shè)備可以在超高溫環(huán)境下工作不用考慮像傳統(tǒng)的硅設(shè)備的損失和性能下降。碳化硅可以輕易的在150攝氏度甚至更高的溫度下工作。有些研究人員已經(jīng)嘗試了250攝氏度。更高的操作溫度明顯減少了冷卻系統(tǒng)的體積和成本。碳化硅市場(chǎng)的另一參與者是功率因數(shù)調(diào)整設(shè)備行業(yè)。大部分電器配件使用電源和碳化硅設(shè)備，由于它能夠在高頻高溫下工作整體效率顯著提高，而且冷卻系統(tǒng)顯著減小。高頻操作意味著和開關(guān)作用的無(wú)源元件更小。開關(guān)電源變壓器的尺寸變小并且整個(gè)設(shè)備的成本降低。盡管碳化硅設(shè)

37、備提供了很多優(yōu)勢(shì)，但仍有一些需要解決的問(wèn)題。首先就是成本問(wèn)題。無(wú)缺陷產(chǎn)量所占比重很低而且以碳化硅肖特基二極管為例材料成本本身就占整個(gè)產(chǎn)品的75% .這和傳統(tǒng)的硅材料設(shè)備十分不同，傳統(tǒng)的硅材料設(shè)備中材料成本占整個(gè)商品成本的10% 到20% 左右。另一個(gè)需要解決的難題就是做成穩(wěn)定的氧化層。這一點(diǎn)制約其不能用作可控開關(guān)。MOSFET 和IGBT需要這樣的氧化層來(lái)控制大部分晶體管。由于存在著和氧化層相關(guān)的制造問(wèn)題，所以碳化硅材料的IGBT或MOSFET還在開發(fā)中。然而，JFET和BJT不需要此氧化層，所以有些制造商正在計(jì)劃推出碳化硅型JFET和BJT。碳化硅電力BJT可以實(shí)現(xiàn)典型的20倍放大系數(shù)。4.

38、2 氮化鎵(GaN)設(shè)備的優(yōu)勢(shì)與挑戰(zhàn)氮化鎵設(shè)備可以承受高壓而不會(huì)退化。這些設(shè)備可以開合高頻高壓所以其在電力系統(tǒng)工程和大功率電機(jī)驅(qū)動(dòng)器中應(yīng)用越來(lái)越多。氮化鎵最近被植入硅晶片中，有4” 型和6”型。這是一項(xiàng)卓越的改進(jìn)因?yàn)樗鼫p少了瑕疵品并且使其在電力電子中得到廣泛應(yīng)用?；诘壴O(shè)備的功率密度一般為硅設(shè)備的6倍甚至更高，把它利用在大功率開關(guān)設(shè)備上很有前景。氮化鎵設(shè)備也能在高溫下工作。因此，研究人員普遍主張氮化鎵設(shè)備可能更適合高壓大功率場(chǎng)合這給發(fā)電和配電行業(yè)保留了希望。氮化鎵設(shè)備成本估計(jì)不會(huì)比現(xiàn)行的硅電力設(shè)備高，這是氮化硅設(shè)備的一個(gè)優(yōu)勢(shì)。然而，現(xiàn)在還太早不能驗(yàn)證此類設(shè)備如何適用到電力電子和電機(jī)驅(qū)動(dòng)器上

39、。異質(zhì)結(jié)構(gòu)的氮化鎵FET正在開發(fā)階段但主要是為無(wú)線電行業(yè)使用?？赡苓€要過(guò)幾年才能研究出在電機(jī)驅(qū)動(dòng)器上使用的細(xì)節(jié)。盡管碳化硅和氮化鎵設(shè)備都能在高溫高頻下工作，但不要忘了這些設(shè)備的開關(guān)輔助電路也必須能在高溫環(huán)境下工作。因此，還需處理這些領(lǐng)域的問(wèn)題。4.3 永磁電機(jī)驅(qū)動(dòng)器永磁（PM）電機(jī)在電梯和水泵等工業(yè)場(chǎng)合越來(lái)越流行。住宅市場(chǎng)將很快在抽水泵，井水，和高壓交流電中采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。所有這些場(chǎng)合永磁電機(jī)都適用。這些場(chǎng)合中許多都不需要嚴(yán)格的位置控制，也不需要向伺服那樣的高性能。在住宅和其他不精確的應(yīng)用場(chǎng)合采用這些電機(jī)的主要目的是減小尺寸和提高效率。大部分場(chǎng)合需要測(cè)器控制能力。包括安川公司在內(nèi)的驅(qū)動(dòng)器制造商

40、已經(jīng)推出能在開環(huán)情況下控制永磁電機(jī)的產(chǎn)品。為了達(dá)到可接受的性能，需要精確的掌握一些電機(jī)參數(shù)。在缺少這些信息的情況下，驅(qū)動(dòng)器需要裝配自動(dòng)調(diào)整裝置，以精確的確定所需的d 軸和q 軸電感值和電機(jī)阻抗等。鑒于通用性驅(qū)動(dòng)器現(xiàn)在采用的微處理器有所改善，這項(xiàng)任務(wù)相對(duì)簡(jiǎn)單了。然而，挑戰(zhàn)在于不采用高端處理器就解決這些問(wèn)題。高性能的具有編碼器的永磁電機(jī)驅(qū)動(dòng)器能很容易做到如果同性能的無(wú)編碼器的驅(qū)動(dòng)器能實(shí)現(xiàn)。IPM（嵌入式永磁）電機(jī)更適于測(cè)器控制。在2006年4月一個(gè)由安川公司設(shè)計(jì)的測(cè)器控制的IPM電機(jī)驅(qū)動(dòng)的交通機(jī)器人在在北九州國(guó)際機(jī)場(chǎng)使用。此電機(jī)為滿足機(jī)器人的應(yīng)用需求而細(xì)心設(shè)計(jì)使其更易于基于凸極的測(cè)器控制（無(wú)傳感器

41、控制）。當(dāng)機(jī)器人的速度從零到最大值變化時(shí)，許多輪電機(jī)的速度和位置是由驅(qū)動(dòng)器放大器和一個(gè)信號(hào)動(dòng)作控制器控制的。有兩種機(jī)器人，一種是兩輪差分驅(qū)動(dòng)，另一種是全方位驅(qū)動(dòng)，被用來(lái)運(yùn)輸人和貨物。機(jī)器人中使用的無(wú)傳感器技術(shù)向電機(jī)中注入高頻信號(hào)以檢測(cè)電機(jī)內(nèi)部磁極的位置然后跟蹤磁極旋轉(zhuǎn)。此項(xiàng)應(yīng)用目的是為了幫助機(jī)場(chǎng)和超市的治安保衛(wèi)人員，并能協(xié)助機(jī)場(chǎng)范圍內(nèi)的包裹運(yùn)輸。圖20為這樣的兩輪運(yùn)貨車的照片，輪子內(nèi)的實(shí)際電機(jī)如圖21所示。在九州國(guó)際機(jī)場(chǎng)試用時(shí)，兩輪差分驅(qū)動(dòng)型是由人駕駛的，全方位驅(qū)動(dòng)型在一個(gè)距離25米的軌道上自動(dòng)控制。機(jī)器人（后者）的絕對(duì)位置可以由激光范圍探測(cè)器更正，這是在考慮了運(yùn)載貨物需要精確位置信息而且輪胎

42、又會(huì)在拋光面上打滑這一情況之后改進(jìn)的。4.4 線性電機(jī)高效晶圓傳輸技術(shù)是不斷增長(zhǎng)的半導(dǎo)體制造業(yè)實(shí)現(xiàn)更高生產(chǎn)能力的關(guān)鍵。能減少灰塵污染風(fēng)險(xiǎn)的自動(dòng)晶圓處理系統(tǒng)總是采用線性電機(jī)?，F(xiàn)代半導(dǎo)體制造機(jī)器很大并需要相對(duì)較長(zhǎng)沖程的線性電機(jī)以完成高效晶圓運(yùn)輸。高效晶圓運(yùn)輸技術(shù)對(duì)提高生產(chǎn)能力很重要。有兩種類型的永磁同步線性電機(jī)，動(dòng)磁式類型和動(dòng)圈式類型。動(dòng)磁式類型（MM）的磁場(chǎng)在移動(dòng)而動(dòng)圈式類型（MC）線圈在移動(dòng)。在動(dòng)磁式類型中，線圈中的損耗隨著沖程的增長(zhǎng)而增加，因此不適于長(zhǎng)途運(yùn)輸場(chǎng)合。另一方面，在動(dòng)圈式類型線性電機(jī)系統(tǒng)中，需要大量的高價(jià)磁極沿整個(gè)沖程長(zhǎng)度的導(dǎo)軌分布，這使得系統(tǒng)造價(jià)十分昂貴。最近，動(dòng)磁式類型線性電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在長(zhǎng)沖程領(lǐng)域的應(yīng)用有了一些發(fā)展。在發(fā)展中，整個(gè)機(jī)體被分割成許多小部分。每一部分由一個(gè)獨(dú)立的伺服放大器來(lái)驅(qū)動(dòng)。在這個(gè)結(jié)構(gòu)中，線圈中的損失減少，