變頻器重點(diǎn)技術(shù)的開(kāi)發(fā)現(xiàn)狀

1 概述

安川電機(jī)公司自1974 年對(duì)電動(dòng)機(jī)控制用的晶體管變頻器實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品化以來(lái)，一直推動(dòng)著電力電子技術(shù)與微電子技術(shù)的進(jìn)展，為變頻器驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域提供了配置最新技術(shù)的先進(jìn)產(chǎn)品。近年來(lái)，由于環(huán)保政策的要求，又相繼開(kāi)發(fā)了各項(xiàng)應(yīng)用中的控制新技術(shù)，即在變頻器小型化技術(shù)中提高功率器件的功率密度;以及進(jìn)一步的消減變頻器固有的電磁干擾等。利用這些重要的基本技術(shù)，旨在實(shí)現(xiàn)新一代的變頻驅(qū)動(dòng)。

隨著變頻器用途的擴(kuò)大，各項(xiàng)應(yīng)用所要求的性能也多種多樣，特別是近年來(lái)機(jī)械設(shè)備的小型輕量化及節(jié)能需求的不斷增長(zhǎng)，同步電動(dòng)機(jī)的可變速驅(qū)動(dòng)技術(shù)也日益受到重視。與此相應(yīng)，電動(dòng)機(jī)控制性能的改進(jìn)，堅(jiān)固耐用性的提高，高精度化、功率變換效率改善、功率密度的提高，以及電磁環(huán)境的協(xié)調(diào)等，都是需要長(zhǎng)期專(zhuān)心研究的重點(diǎn)技術(shù)。

本文闡述最新的無(wú)速度傳感器控制技術(shù)和同步電動(dòng)機(jī)控制技術(shù)，并介紹了今后將要應(yīng)用的下一代功率器件與環(huán)境協(xié)調(diào)技術(shù)的開(kāi)發(fā)動(dòng)向。

2 電動(dòng)機(jī)控制技術(shù)

近年來(lái)開(kāi)發(fā)的電動(dòng)機(jī)控制技術(shù)，既能實(shí)現(xiàn)無(wú)速度傳感器的高控制性能，又能滿足堅(jiān)固耐用的可靠性要求。下面將介紹高可靠性的無(wú)速度傳感器矢量控制，改善變頻器速度控制性能的混合式無(wú)傳感器控制，以及堅(jiān)固可靠性與無(wú)傳感器的同步電動(dòng)機(jī)控制等重要技術(shù)。

2.1 感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的無(wú)速度傳感器矢量控制

為實(shí)現(xiàn)高精度化的通用變頻器可變速控制，在不能設(shè)置速度傳感器的環(huán)境下實(shí)現(xiàn)速度控制，積極開(kāi)發(fā)研制了無(wú)速度傳感器的矢量控制。包括：由V/f控制發(fā)展起來(lái)的速度補(bǔ)償型，無(wú)傳感器控制(以下簡(jiǎn)稱(chēng)開(kāi)環(huán)型)和由磁場(chǎng)定向控制發(fā)展起來(lái)的速度推定值反饋型無(wú)傳感器控制(以下簡(jiǎn)稱(chēng)閉環(huán)型)等。

開(kāi)環(huán)型無(wú)傳感器控制是通過(guò)電壓指令，間接的控制電流，并保持磁通恒定的矢量控制，其組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。與V/f 控制的不同點(diǎn)是，藉助矢量的電壓補(bǔ)償運(yùn)算和速度補(bǔ)償運(yùn)算，能對(duì)所期望的電壓、電流進(jìn)行調(diào)控。各種補(bǔ)償運(yùn)算所需的電動(dòng)

機(jī)電氣常數(shù)，可在線(on-line turning)自動(dòng)設(shè)定，并能根據(jù)參數(shù)的變化進(jìn)行堅(jiān)固耐用性控制。這種控制適合于風(fēng)機(jī)、水泵等大范圍的產(chǎn)業(yè)機(jī)械應(yīng)用。

閉環(huán)型無(wú)傳感器控制方框圖如圖2 所示，是能獨(dú)立控制產(chǎn)生電動(dòng)機(jī)磁通的勵(lì)磁電流和產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)矩電流的(一種)高性能矢量控制。藉助磁通觀測(cè)器，推定分配電流所需的磁通位置，并同時(shí)進(jìn)行速度運(yùn)算。將運(yùn)算的速度通過(guò)反饋控制以后，則可適用于與帶傳感器有同樣高性能要求的應(yīng)用場(chǎng)合。

2.2 感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的混合式無(wú)傳感器控制

閉環(huán)型無(wú)傳感器控制，是在額定值1:200的速度控制范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)150%以上的高轉(zhuǎn)矩驅(qū)動(dòng)控制。

但在驅(qū)動(dòng)頻率為零的區(qū)間，難于推定速度。為解決這一課題，采用了高頻率重疊法的無(wú)傳感器控制。

而將高頻電壓重疊于指令電壓時(shí)，又存在鐵損和電流脈動(dòng)增大的問(wèn)題。因此，圖3 的方框圖結(jié)構(gòu)，是在極低速的驅(qū)動(dòng)時(shí)所適用的高頻重疊法。而在通常的速度范圍內(nèi)則采用帶觀測(cè)器的混合式無(wú)傳感器控制，以取代閉環(huán)型無(wú)傳感器控制。由于這一結(jié)構(gòu)中，觀測(cè)器又起到了濾波器的作用，故能減小速度及相位推定的高頻紋波成分。

圖4 為在極低速時(shí)，施加100%脈動(dòng)的再生轉(zhuǎn)矩場(chǎng)合下的響應(yīng)特性。由圖可見(jiàn)，推定速度跟蹤于因負(fù)荷變動(dòng)所導(dǎo)致的實(shí)際速度變化。而且，即使在零頻率附近原來(lái)控制不穩(wěn)定的區(qū)間運(yùn)轉(zhuǎn)，磁通相位也幾乎無(wú)變化。這說(shuō)明零頻率附近的速度控制是可能的。

2.3 同步電動(dòng)機(jī)的無(wú)傳感器控制

要實(shí)現(xiàn)同步電動(dòng)機(jī)的無(wú)傳感器控制，必須具有電動(dòng)機(jī)的電阻、電感、感應(yīng)電壓等正確信息。這些電動(dòng)機(jī)參數(shù)雖存在誤差，但由于開(kāi)發(fā)了以穩(wěn)速控制補(bǔ)正功能為中心的同步電動(dòng)機(jī)控制算法，故提高了可靠性。在原來(lái)的矢量控制中，速度控制單元與電流控制單元的參數(shù)要個(gè)別進(jìn)行調(diào)整，而速度指令與實(shí)際速度的關(guān)系是由2 次近似的傳遞函數(shù)模型表示的?，F(xiàn)在，速度控制系統(tǒng)與電流控制系統(tǒng)的響應(yīng)可統(tǒng)一管理，這調(diào)整了相應(yīng)于負(fù)荷條件的最佳增益。

與在最佳控制條件下運(yùn)轉(zhuǎn)的高效控制通用異步電動(dòng)機(jī)變頻驅(qū)動(dòng)對(duì)比，調(diào)整同步電動(dòng)機(jī)的無(wú)功電流，可提高約8%的綜合效率。而且，在電壓飽和區(qū)同樣因調(diào)整了無(wú)功電流，能防止電壓的飽和，從而實(shí)現(xiàn)恒定功率的控制。由于這種組合技術(shù)，同步電動(dòng)機(jī)的無(wú)傳感器控制，可提高耐用性和改善控制性能。

圖5 為5%額定速度驅(qū)動(dòng)時(shí)，施加100%脈沖負(fù)荷情況下的速度特性與轉(zhuǎn)矩特性。已經(jīng)確認(rèn)，低速區(qū)的瞬時(shí)負(fù)荷可容量是足夠的。圖6為低速區(qū)的速度-轉(zhuǎn)矩特性，具有100%以上轉(zhuǎn)矩的負(fù)荷容量。

3 功率電路技術(shù)

由于功率器件的技術(shù)創(chuàng)新，變頻器的功率電路，經(jīng)歷了從VS-616G3 系列到arispeed G7 系列大約10 年時(shí)間，功率密度已提高近2 倍，現(xiàn)已進(jìn)入IGBT(絕緣柵雙極晶體管)時(shí)代，功率特性的改善效果明顯。

目前，IGBT 性能的提高已接近硅的理論極限，期待著新一代功率器件的出現(xiàn)以取代硅半導(dǎo)體。而且，隨著IGBT的多用途化，因其高速的開(kāi)關(guān)切換導(dǎo)致電磁噪音的增加，使對(duì)電動(dòng)機(jī)有影響的微浪涌電壓也相應(yīng)的增加，并出現(xiàn)軸承電腐蝕問(wèn)

題等，為減輕變頻器對(duì)周邊設(shè)備的不利影響，環(huán)境協(xié)調(diào)技術(shù)也愈益受到人們的重視。

3.1 碳化硅(SiC)功率器件

為實(shí)現(xiàn)變頻器的低損耗化和提高功率密度，采用超過(guò)Si 特性的材料來(lái)制作功率器件?，F(xiàn)在，最受期待的新一代功率器件材料是碳化硅(SiC)。

SiC 與Si 比較，絕緣擊穿的電場(chǎng)速度為Si 的10倍;能帶間隙(帶隙能量，band gap)為Si 的3 倍，因?yàn)槠骷筛邷夭僮髋c低阻抗化，故今后變頻器的高功率密度化大有希望。

圖7 所示為SiC 和Si的絕緣擊穿電壓與通態(tài)電阻率的理論極限。以DMOS為例，SiC 超過(guò)Si的極限，能大幅度降低通態(tài)電阻，SiC的絕緣擊穿電壓高，通態(tài)電阻也減小，故適用于要求高耐壓的工業(yè)變頻器主回路。圖8為SiC 功率MOSFET(金屬

氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管)與肖特基勢(shì)壘二極管(SBD)組合成的功率模塊，裝在變頻器主回路內(nèi)，實(shí)際異步電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的典型波形示意圖如圖怨、圖10所示。

圖9 為二極管的回復(fù)(Vecovery)波形。圖9(a)是Si-IGBT 與快速回復(fù)二極管(FRD)的組合;

圖9(b)是SiC 的MOSFET 與SBD 的組合;SiC 與Si 對(duì)比，回復(fù)電流可減小到1/10 左右，損耗也能降低。

圖10 為斷開(kāi)時(shí)的開(kāi)關(guān)波形，斷開(kāi)時(shí)單極器件處于高速下，原來(lái)在Si-IGBT 中可見(jiàn)到的脈沖后尖頭信號(hào)電流消失了，開(kāi)關(guān)損耗也能大幅度減小。

(圖中，VCE 為集電極與反射極之間的電壓;IF為正向電流;Rg為柵極電阻;Iout為變頻器輸出電流。)

這次試制的樣品采用了SiC 與用Si-IGBT 和二極管組合的比較，變頻器主電路的損耗能減少約50%，如圖11 所示。