基于開關(guān)線性復(fù)合技術(shù)的高性能變頻器研究

1、基于開關(guān)線性復(fù)合技術(shù)的高性能變頻器研究（劉曉東 姜克抗 劉宿城 安徽工業(yè)大學(xué) 243002）摘要：基于開關(guān)線性復(fù)合(SLH)技術(shù)提出一種新型高性能數(shù)字控制變頻調(diào)速系統(tǒng)研究方案，通過仿真驗證了該拓?fù)涞目尚行裕瑢嶒灲Y(jié)果表明該變頻調(diào)速系統(tǒng)具有較高的靜動態(tài)性能，在克服低速轉(zhuǎn)矩脈動和抗負(fù)載擾動特性方面與傳統(tǒng)變頻調(diào)速系統(tǒng)相比具有明顯的優(yōu)勢。敘詞：開關(guān)線性復(fù)合；變頻器；轉(zhuǎn)矩脈動；魯棒性；Abstract: Based on SLH scheme, a new type of excellent performance frequency inverter with digital control strat

2、egy is proposed. The validity of topology is verified through simulation, experimental results shown that this frequency inverter obsesses high static and dynamic performance. For overcoming low speed torque ripple and resisting load disturbance, the new frequency inverter has advantages over conven

3、tional frequency inverter.Keyword: Switch-Linear Hybrid, frequency inverter, torque ripple, robustness1 引言交流異步電機(jī)傳動控制系統(tǒng)相比于直流調(diào)速系統(tǒng)具有非常明顯的優(yōu)越性，因而在工業(yè)現(xiàn)場獲得了廣泛應(yīng)用，直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)和矢量控制系統(tǒng)正成為當(dāng)前的研究熱點，但兩者都存在難以克服的固有缺陷，在矢量控制系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)子磁鏈難以準(zhǔn)確觀測，并且系統(tǒng)特性受電機(jī)參數(shù)的影響較大，因而實際應(yīng)用中難以獲得理論分析的效果。直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)，把轉(zhuǎn)矩作為直接控制量，雖然在一定程度上使控制系統(tǒng)簡化，但仍需要建立復(fù)雜的電機(jī)數(shù)學(xué)

4、模型，穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時轉(zhuǎn)矩紋波也較大。兩者都需要采用復(fù)雜的控制策略，對控制系統(tǒng)要求較高，需要采用高性能的數(shù)字處理器芯片，算法復(fù)雜，開發(fā)成本較高，國外進(jìn)口變頻器占據(jù)了大部分國內(nèi)市場，因而開發(fā)自主知識產(chǎn)權(quán)的國產(chǎn)高性能變頻器十分必要。開關(guān)線性復(fù)合技術(shù)(SLH)是一種將開關(guān)功率放大器與線性功率放大器有機(jī)結(jié)合而兼顧優(yōu)波、高效和負(fù)載適應(yīng)性（含阻、感、容、非線性負(fù)載），抗沖擊負(fù)載擾動魯棒性等綜合優(yōu)化性能的電力電子功率變換技術(shù)。它是針對現(xiàn)有的純開關(guān)技術(shù)繼續(xù)提升綜合優(yōu)化性能，遇到技術(shù)瓶頸或過于復(fù)雜時而另辟新徑的探索。這一技術(shù)已經(jīng)經(jīng)過理論分析及實驗驗證，開發(fā)出的SLH裝置獲得了很好的綜合性能，技術(shù)條件已經(jīng)成熟。現(xiàn)正處于

5、多分支發(fā)展階段,包括高性能交流傳動、無功補(bǔ)償與諧波治理、開關(guān)電源、UPS等領(lǐng)域。本文正是將開關(guān)線性復(fù)合技術(shù)應(yīng)用于交流傳動領(lǐng)域，開發(fā)高性能通用變頻器，側(cè)重提高變頻調(diào)速系統(tǒng)低速甚至超低速(0.2Hz)性能，包括：轉(zhuǎn)矩紋波、負(fù)載魯棒性等。2 開關(guān)線性復(fù)合機(jī)理及拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)2.1 開關(guān)線性復(fù)合(SLH)基本原理SLH技術(shù)創(chuàng)新的目的是找到一種既能保證類似于線性功率放大的優(yōu)波特性又能保證接近于同等級開關(guān)功率變換器的效率和容量的新的方法。優(yōu)波特性是需要考慮的重要問題，因此，主體思路是基于線性功率放大電路。如果線性功率放大的低效率問題能夠通過一種特殊的方法解決，那么就可以達(dá)到滿意的結(jié)果。為了分析線性放大器的低效率

6、的優(yōu)波特性，以工作在B類模式的OCL放大電路為例。首先，作為一個低阻輸出的射極跟隨器，具有很高的保真度和很強(qiáng)的魯棒性。第二，它的效率最高不能超過78.5%（忽略器件飽和壓降的理論值）。在傳統(tǒng)的線性功率放大系統(tǒng)中，功率器件的電源都采用直流電源，導(dǎo)致了大量的能量損耗。因此，為了突破理論效率限制，同時保持最基本的波形特性，一種很好的辦法是用交流電源代替直流電源向功率器件供電。這種特殊的交流電源應(yīng)當(dāng)保證功率器件在每一個暫態(tài)變化過程中只產(chǎn)生很小的壓差，基于這個觀點，前期的一系列論文都展現(xiàn)了復(fù)合后的高效優(yōu)波特性，其中線性單元的效率最高可以達(dá)到97%。SLH思想最初是由高效率的音頻放大電路移植而來，如圖1所

7、示，B類（或AB類）放大器由疊加鋸齒形紋波的交流電壓供電，而不是由通常的直流電源供電，因此，功率器件只承受近似飽和管壓降的壓差，所以器件損耗遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)的B類功率放大器。如圖2所示，在半波內(nèi)，跟隨柵極電壓的負(fù)載電壓Vo略低于帶紋波的電源電壓。 圖1 交流供電的B類放大器電路 圖2電壓跟隨特性理論上只要采用射極跟隨器的控制策略，這種拓?fù)淇梢赃_(dá)到高效的任意波形的功率變換要求，只要設(shè)置的參考信號和所期望的負(fù)載波形在形狀、相位、頻率、成比例的幅值上保持一致，那么，就可以達(dá)到所要求的負(fù)載波形。輸出直流和正弦波的功率變換器只是其中的特例。即由開關(guān)濾波單元供電的線性射極跟隨器單元可以獲得高效率及優(yōu)波的很好的

8、復(fù)合特性。在音頻放大領(lǐng)域，強(qiáng)調(diào)高保真度而不考慮輸出魯棒性，只考慮恒定負(fù)載而不考慮可變負(fù)載。然而，在功率變換領(lǐng)域，經(jīng)常會遇到變負(fù)載的情況，兼顧優(yōu)波及高效率的同時，負(fù)載魯棒性也需要考慮。由于BJT放大電路中的射極跟隨器電路具有高阻輸入低阻輸出的特性，所以具有很好的穩(wěn)定性及動態(tài)跟隨特性。MOSFET和IGBT同樣具有類似的源極跟隨特性，而且源極跟隨器電路具有更高的輸入阻抗和更低的輸出電阻，采用合適的柵極電壓控制，就可以獲得更好的效果。把它接于前級和后級單元之間，類似于一個功率緩沖器，因而可以獲得較強(qiáng)的魯棒性及抗干擾特性，以達(dá)到較強(qiáng)的負(fù)載適應(yīng)性，負(fù)載可以從純阻性，變到感性負(fù)載，甚至容性負(fù)載，大大降低了

9、前后級的耦合影響。2.2 SLH拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)前面提到的由開關(guān)紋波電源供電的線性功放電路，命名為開關(guān)線性復(fù)合功率變換器(SLH)，以區(qū)別于純開關(guān)變換器和線性變換器。如圖3所示，SLH 基本結(jié)構(gòu)由開關(guān)濾波單元、線性單元、參考信號單元、采樣單元、電壓放大單元幾個部分組成。從這一基本結(jié)構(gòu)出發(fā)，可以拓展出一系列合理的SLH拓?fù)浞种АD3 SLH原理框圖基于以上介紹的基本原理,推導(dǎo)出基本的SLH拓?fù)淙鐖D4所示，經(jīng)過理論分析和前期的實驗研究，已經(jīng)證實了其基本原理的可行性。圖4 基本的SLH拓?fù)? SLH變頻器系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在前期工作的基礎(chǔ)上我們已經(jīng)獲得了非常好的優(yōu)波高效特性，理論及實驗都已證明開關(guān)線性復(fù)合技術(shù)具有

10、非常廣泛的應(yīng)用前景，幾乎大多數(shù)開關(guān)變換器都可以加復(fù)合級，提升系統(tǒng)整體性能。將開關(guān)線性復(fù)合技術(shù)應(yīng)用于傳統(tǒng)變頻調(diào)速系統(tǒng)，設(shè)計新型變頻器命名為 SLH變頻器，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖5所示。圖5 SLH變頻器系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)4 SLH變頻器系統(tǒng)設(shè)計A主電路設(shè)計基于開關(guān)線性復(fù)合技術(shù)，將其延伸到電氣傳動領(lǐng)域，設(shè)計開發(fā)一種新型變頻調(diào)速系統(tǒng)，側(cè)重于解決傳統(tǒng)異步電機(jī)低頻運(yùn)行時綜合性能下降的不足。頻率范圍可以達(dá)到0.2Hz-60Hz，主電路拓?fù)洳捎肰VVF-SLH的結(jié)構(gòu)形式。控制系統(tǒng)采用單片機(jī)數(shù)字控制方式，使得硬件電路系統(tǒng)得以簡化，可靠性更高，控制功能更完善。主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖5所示，主電路采用AC-DC-AC(即交-直-交)

11、的電路結(jié)構(gòu)，輸入為交流電網(wǎng)電壓，經(jīng)過不控整流單元，變?yōu)槊}動的直流電壓，再經(jīng)過大電容濾波(直流環(huán)節(jié))，變?yōu)榉€(wěn)定的直流電壓，送入逆變單元。單片機(jī)控制逆變器的功率開關(guān)器件的導(dǎo)通或者關(guān)斷，在輸出端獲得一系列寬度不等的矩形脈沖。通過改變脈沖的寬度控制逆變器輸出交流基波電壓的幅值，改變調(diào)制周期控制輸出頻率，從而在逆變器上同時進(jìn)行輸出電壓幅值和頻率的協(xié)調(diào)控制。逆變器輸出經(jīng)LC濾波后作為線性復(fù)合單元的紋波輸入電壓，紋波電壓與線性單元復(fù)合，在這里線性復(fù)合單元的IGBT構(gòu)成射極跟隨器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，由于其具有極高的波形穩(wěn)定性及較強(qiáng)的動態(tài)跟隨特性，因而只要給定所需的柵極參考信號，輸出跟隨給定，就可以獲得高正弦度輸出電壓，

12、驅(qū)動三相感應(yīng)電機(jī)。在變頻器與電機(jī)之間加一級復(fù)合單元的目的就是為了克服變頻器輸出波形差的缺點，在電機(jī)進(jìn)線側(cè)提高電源質(zhì)量。同時由于射極跟隨器的低阻輸入高阻輸出的特性又可以克服電機(jī)運(yùn)行過程中變參數(shù)及非線性因素對變頻器的不利影響。從而在整體上提高調(diào)速系統(tǒng)的靜動態(tài)性能，包括超低速性能，抗負(fù)載波動魯棒性。B 控制電路設(shè)計控制系統(tǒng)主要采用凌陽SPMC75系列變頻控制專用單片機(jī)實現(xiàn)，該系列單片機(jī)是凌陽科技公司設(shè)計開發(fā)的高性能16位通用MCU，具有很強(qiáng)的抗干擾性能、豐富易用的資源以及優(yōu)良的結(jié)構(gòu)，特別是增強(qiáng)的定時計數(shù)器和 PWM 輸出功能，適合用于交流電機(jī)變頻驅(qū)動控制?？刂葡到y(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示，單片機(jī)產(chǎn)生的PWM驅(qū)

13、動信號經(jīng)光耦隔離驅(qū)動主電路IGBT功率模塊，同時單片機(jī)根據(jù)系統(tǒng)控制要求控制外圍正弦信號發(fā)生器芯片產(chǎn)生三相正弦參考信號，參考信號經(jīng)光耦隔離放大到復(fù)合級所需要的電壓等級，驅(qū)動復(fù)合級IGBT柵極。同時單片機(jī)檢測主電路的電壓、電流、溫度，一旦檢測到過壓、過流或過熱，系統(tǒng)保護(hù)電路動作，單片機(jī)封鎖輸出驅(qū)動信號及參考輸出信號，保護(hù)主電路。同時系統(tǒng)具有顯示及程序設(shè)定模塊，控制變頻器的運(yùn)行狀態(tài)。單片機(jī)外圍設(shè)有通訊接口，可以實現(xiàn)單片機(jī)與上位計算機(jī)的通信，系統(tǒng)控制靈活性加強(qiáng)，可以實現(xiàn)上位監(jiān)測及控制。圖6 SLH變頻控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖5 仿真結(jié)果分析利用PSPICE仿真軟件對SLH變頻器主電路拓?fù)溥M(jìn)行了仿真驗證, 輸出

14、基波頻率設(shè)為50Hz。 圖7為傳統(tǒng)變頻器輸出電壓波形，PWM波形含有大量諧波，同時在低頻輸出時，窄脈沖傳遞能量困難，電機(jī)轉(zhuǎn)動脈動較大，會出現(xiàn)斷續(xù)。圖8為變頻器輸出加LC濾波器輸出線電壓波形，波形有了較大改善諧波含量下降明顯，但仍具有較大的諧波成分。圖9為開關(guān)線性復(fù)合變頻器輸出三相線電壓波形?？梢钥闯觯ㄐ握叶群芨?，諧波大為減少，因而提高了電機(jī)靜動態(tài)性能。可見，開關(guān)線性復(fù)合式變頻器與傳統(tǒng)變頻器相比，波形質(zhì)量大為提高，對前級開關(guān)單元的紋波抑制效果明顯，同時在低頻甚至超低頻運(yùn)行時，輸出波形正弦度仍較高，這大大改善了電機(jī)低速運(yùn)行的困難。 圖7 普通變頻器輸出線電壓Uab波形 圖8 變頻器輸出加LC濾

15、波器輸出線電壓波形 圖9 開關(guān)線性復(fù)合式變頻器輸出線電壓波形6 結(jié)論本文介紹了一種采用開關(guān)線性復(fù)合技術(shù)的高性能變頻器研究方案，通過理論分析與仿真驗證，開關(guān)線性復(fù)合式變頻器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)方案可行，變頻器輸出電壓波形正弦度較高，在負(fù)載突變的情況下，輸出波形波動很小，系統(tǒng)具有較高的抗負(fù)載擾動魯棒性，同時在克服低速轉(zhuǎn)矩脈動方面與傳統(tǒng)變頻調(diào)速系統(tǒng)相比具有明顯的優(yōu)勢。參考文獻(xiàn)1 Zhou Qianzhi, “Switch-Linearity Hybrid Power Conversion and Its ApplicationJ , ” Transactions of China Electro technic

16、al Society, vol. 19, no. 8, pp.28-33, 2004.2 Qianzhi Zhou and Lusheng Ge, “Switch-linearity hybrid power conversion (SLH) with low output resistanceJ,” in Proceedings of 4th International Power Electronics and Motion Control Conference, Xian, China, vol.1, pp. 96-98, 2004.3 13794 康華光,陳大欽.電子技術(shù)基礎(chǔ)(模擬部分).北京:高等教育出版社,19995 Qianzhi Zhou, et al., “Switch-linearity(CTA)