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变频器重点技术的开发现状

作者:不爱吃窝瓜时间:2016-03-14

1 随着变频器用途的扩大,各项应用所要求的性能也多种多样,特别是近年来机械设备的小型轻量化及节能需求的不断增长,同步电动机的可变速驱动技术也日益受到重视。与此相应,电动机控制性能的改进,坚固耐用性的提高,高精度化、功率变换效率改善、功率密度的提高,以及电磁环境的协调等,都是需要长期专心研究的重点技术。

本文阐述最新的无速度传感器控制技术和同步电动机控制技术,并介绍了今后将要应用的下一代功率器件与环境协调技术的开发动向。

2 电动机控制技术

近年来开发的电动机控制技术,既能实现无速度传感器的高控制性能,又能满足坚固耐用的可靠性要求。下面将介绍高可靠性的无速度传感器矢量控制,改善变频器速度控制性能的混合式无传感器控制,以及坚固可靠性与无传感器的同步电动机控制等重要技术。

2.1 感应电动机的无速度传感器矢量控制

为实现高精度化的通用变频器可变速控制,在不能设置速度传感器的环境下实现速度控制,积极开发研制了无速度传感器的矢量控制。包括:由V/f控制发展起来的速度补偿型,无传感器控制(以下简称开环型)和由磁场定向控制发展起来的速度推定值反馈型无传感器控制(以下简称闭环型)等。

开环型无传感器控制是通过电压指令,间接的控制电流,并保持磁通恒定的矢量控制,其组成结构如图1所示。与V/f 控制的不同点是,藉助矢量的电压补偿运算和速度补偿运算,能对所期望的电压、电流进行调控。各种补偿运算所需的电动

机电气常数,可在线(on-line turning)自动设定,并能根据参数的变化进行坚固耐用性控制。这种控制适合于风机、水泵等大范围的产业机械应用。

闭环型无传感器控制方框图如图2 所示,是能独立控制产生电动机磁通的励磁电流和产生转矩的转矩电流的(一种)高性能矢量控制。藉助磁通观测器,推定分配电流所需的磁通位置,并同时进行速度运算。将运算的速度通过反馈控制以后,则可适用于与带传感器有同样高性能

要求的应用场合。

2.2 感应电动机的混合式无传感器控制

闭环型无传感器控制,是在额定值1:200的速度控制范围内实现150%以上的高转矩驱动控制。

但在驱动频率为零的区间,难于推定速度。为解决这一课题,采用了高频率重叠法的无传感器控制。

而将高频电压重叠于指令电压时,又存在铁损和电流脉动增大的问题。因此,图3 的方框图结构,是在极低速的驱动时所适用的高频重叠法。而在通常的速度范围内则采用带观测器的混合式无传感器控制,以取代闭环型无传感器控制。由于这一结构中,观测器又起到了滤波器的作用,故能减小速度及相位推定的高频纹波成分。

图4 为在极低速时,施加100%脉动的再生转矩场合下的响应特性。由图可见,推定速度跟踪于因负荷变动所导致的实际速度变化。而且,即使在零频率附近原来控制不稳定的区间运转,磁通相位也几乎无变化。这说明零频率附近的速度控制是可能的。

2.3 同步电动机的无传感器控制

要实现同步电动机的无传感器控制,必须具有电动机的电阻、电感、感应电压等正确信息。这些电动机参数虽存在误差,但由于开发了以稳速控制补正功能为中心的同步电动机控制算法,故提高了可靠性。在原来的矢量控制中,速度控制单元与电流控制单元的参数要个别进行调整,而速度指令与实际速度的关系是由2 次近似的传递函数模型表示的。现在,速度控制系统与电流控制系统的响应可统一管理,这调整了相应于负荷条件的最佳增益。

与在最佳控制条件下运转的高效控制通用异步电动机变频驱动对比,调整同步电动机的无功电流,可提高约8%的综合效率。而且,在电压饱和区同样因调整了无功电流,能防止电压的饱和,从而实现恒定功率的控制。由于这种组合技术,同步电动机的无传感器控制,可提高耐用性和改善控制性能。

图5 为5%额定速度驱动时,施加100%脉冲负荷情况下的速度特性与转矩特性。已经确认,低速区的瞬时负荷可容量是足够的。图6为低速区的速度-转矩特性,具有100%以上转矩的负荷容量。

3 功率电路技术

由于功率器件的技术创新,变频器的功率电路,经历了从VS-616G3 系列到arispeed G7 系列大约10 年时间,功率密度已提高近2 倍,现已进入IGBT(绝缘栅双极晶体管)时代,功率特性的改善效果明显。

目前,IGBT 性能的提高已接近硅的理论极限,期待着新一代功率器件的出现以取代硅半导体。而且,随着IGBT的多用途化,因其高速的开关切换导致电磁噪音的增加,使对电动机有影响的微浪涌电压也相应的增加,并出现轴承电腐蚀问

题等,为减轻变频器对周边设备的不利影响,环境协调技术也愈益受到人们的重视。

3.1 碳化硅(SiC)功率器件

为实现变频器的低损耗化和提高功率密度,采用超过Si 特性的材料来制作功率器件。现在,最受期待的新一代功率器件材料是碳化硅(SiC)。

SiC 与Si 比较,绝缘击穿的电场速度为Si 的10倍;能带间隙(带隙能量,band gap)为Si 的3 倍,因为器件可高温操作与低阻抗化,故今后变频器的高功率密度化大有希望。

图7 所示为SiC 和Si的绝缘击穿电压与通态电阻率的理论极限。以DMOS为例,SiC 超过Si的极限,能大幅度降低通态电阻,SiC的绝缘击穿电压高,通态电阻也减小,故适用于要求高耐压的工业变频器主回路。图8为SiC 功率MOSFET(金属

氧化物半导体场效应管)与肖特基势垒二极管(SBD)组合成的功率模块,装在变频器主回路内,实际异步电动机运转时的典型波形示意图如图怨、图10所示。

图9 为二极管的回复(Vecovery)波形。图9(a)是Si-IGBT 与快速回复二极管(FRD)的组合;

图9(b)是SiC 的MOSFET 与SBD 的组合;SiC 与Si 对比,回复电流可减小到1/10 左右,损耗也能降低。

图10 为断开时的开关波形,断开时单极器件处于高速下,原来在Si-IGBT 中可见到的脉冲后尖头信号电流消失了,开关损耗也能大幅度减小。

(图中,VCE 为集电极与反射极之间的电压;IF为正向电流;Rg为栅极电阻;Iout为变频器输出电流。)

这次试制的样品采用了SiC 与用Si-IGBT 和二极管组合的比较,变频器主电路的损耗能减少约50%,如图11 所示。

变频器的高效率化和功率密度的提高是十分必要的,但SiC 功率模块目前仍存在批量化生产中一些急待解决的技术课题。


3.2 环境协调技术

现在的PWM 变频器,在克服电源高次谐波及EMI 等对周边环境的影响,以满足用户要求方面还存在一些问题。今后的变频器应解决电磁环境的课题,使变频器不对外围设备造成不利影响。

PWM 变频器需要解决的研究课题有:

(1)由电源高次谐波,共模式(Common-mode)电流,传导与放射噪音导致的周边机器的误动作;

(2)由电动机浪涌电压导致的电机绝缘劣化;

(3)由轴电流导致的电动机轴承损坏等。

电源高次谐波产生的原因是:电容输入型整流回路的输入电流为脉冲电流,结果在电源侧就形成了含大量高次谐波成分的电流。共模式电流是因产生的共模式电压通过电动机的电缆及寄生电容而流过的电流,这也是传导噪音的形成主因。

电动机的浪涌电压则是:变频器和电动机因连结电缆分布电路所产生电压波形的共振。电动机端子上会出现尖峰信号,其峰值电压将引起电动机线卷的局部放电。

起因于PWM变频器的轴承损坏原因是:在加有轴电压的电动机轴承上,因电气放电形成的轴电流而导致损坏。这一轴电压是由变频器输出的共模电压,经电动机各部的杂散电容分压出来的,轴电流的大小则取决于轴电压的高低或开关器件

dv/dt的大小。

为了解决这些课题,如图12 所示开发了滤波器电路。这是与矩阵式变换器组合的例子,也可以与变频器组合。滤波器回路包括:配置于矩阵变换器输出的标准模块滤波器和共模式滤波器,以及配置于输入侧的EMI(电磁干扰)滤波器。其中,标准模块滤波器能将输出的PWM(脉宽调制)波形变成正弦波,解决了微浪涌的问题。而共模式滤波器能抑制输出的共模成分,故能减小高频的泄漏电流。由于轴电流的减小则可避免轴承的损坏。同时,因为共模式滤波器能抑制输出共模成分,输入侧EMI 滤波器可大幅度减小尺寸(小型化),EMI滤波器旨在减小端子电压降低噪音;而且,EMI 滤波器的接地电容能达到极小化。一方面降低了发生触电事故危险的基波泄漏电流,一方面能清除端子杂音电压的超标值。图12为与原来PWM的波形对比,利用现在开发的滤波器能成功解决上述的诸项研究课题的矩阵式变换器。



关键词: 变频器 功率模块

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