1、基于開關線性復合技術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 243002）摘要：基于開關線性復合(SLH)技術提出一種新型高性能數(shù)字控制變頻調速系統(tǒng)研究方案，通過仿真驗證了該拓撲的可行性，實驗結果表明該變頻調速系統(tǒng)具有較高的靜動態(tài)性能，在克服低速轉矩脈動和抗負載擾動特性方面與傳統(tǒng)變頻調速系統(tǒng)相比具有明顯的優(yōu)勢。敘詞：開關線性復合；變頻器；轉矩脈動；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 引言交流異步電機傳動控制系統(tǒng)相比于直流調速系統(tǒng)具有非常明顯的優(yōu)越性，因而在工業(yè)現(xiàn)場獲得了廣泛應用，直接轉矩控制系統(tǒng)和矢量控制系統(tǒng)正成為當前的研究熱點，但兩者都存在難以克服的固有缺陷，在矢量控制系統(tǒng)中，轉子磁鏈難以準確觀測，并且系統(tǒng)特性受電機參數(shù)的影響較大，因而實際應用中難以獲得理論分析的效果。直接轉矩控制系統(tǒng)，把轉矩作為直接控制量，雖然在一定程度上使控制系統(tǒng)簡化，但仍需要建立復雜的電機數(shù)學

4、模型，穩(wěn)態(tài)運行時轉矩紋波也較大。兩者都需要采用復雜的控制策略，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，算法復雜，開發(fā)成本較高，國外進口變頻器占據(jù)了大部分國內市場，因而開發(fā)自主知識產(chǎn)權的國產(chǎn)高性能變頻器十分必要。開關線性復合技術(SLH)是一種將開關功率放大器與線性功率放大器有機結合而兼顧優(yōu)波、高效和負載適應性（含阻、感、容、非線性負載），抗沖擊負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。它是針對現(xiàn)有的純開關技術繼續(xù)提升綜合優(yōu)化性能，遇到技術瓶頸或過于復雜時而另辟新徑的探索。這一技術已經(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、無功補償與諧波治理、開關電源、UPS等領域。本文正是將開關線性復合技術應用于交流傳動領域，開發(fā)高性能通用變頻器，側重提高變頻調速系統(tǒng)低速甚至超低速(0.2Hz)性能，包括：轉矩紋波、負載魯棒性等。2 開關線性復合機理及拓撲結構2.1 開關線性復合(SLH)基本原理SLH技術創(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，那么就可以達到滿意的結果。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當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)了復合后的高效優(yōu)波特性，其中線性單元的效率最高可以達到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，所以器件損耗遠遠低于傳統(tǒng)的B類功率放大器。如圖2所示，在半波內，跟隨柵極電壓的負載電壓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，這種拓撲可以達到高效的任意波形的功率變換要求，只要設置的參考信號和所期望的負載波形在形狀、相位、頻率、成比例的幅值上保持一致，那么，就可以達到所要求的負載波形。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、復合特性。在音頻放大領域，強調高保真度而不考慮輸出魯棒性，只考慮恒定負載而不考慮可變負載。然而，在功率變換領域，經(jīng)常會遇到變負載的情況，兼顧優(yōu)波及高效率的同時，負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，因而可以獲得較強的魯棒性及抗干擾特性，以達到較強的負載適應性，負載可以從純阻性，變到感性負載，甚至容性負載，大大降低了

9、前后級的耦合影響。2.2 SLH拓撲結構前面提到的由開關紋波電源供電的線性功放電路，命名為開關線性復合功率變換器(SLH)，以區(qū)別于純開關變換器和線性變換器。如圖3所示，SLH 基本結構由開關濾波單元、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。從這一基本結構出發(fā)，可以拓展出一系列合理的SLH拓撲分支。圖3 SLH原理框圖基于以上介紹的基本原理,推導出基本的SLH拓撲如圖4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拓撲3 SLH變頻器系統(tǒng)拓撲結構在前期工作的基礎上我們已經(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線性復合技術具有

10、非常廣泛的應用前景，幾乎大多數(shù)開關變換器都可以加復合級，提升系統(tǒng)整體性能。將開關線性復合技術應用于傳統(tǒng)變頻調速系統(tǒng)，設計新型變頻器命名為 SLH變頻器，拓撲結構如圖5所示。圖5 SLH變頻器系統(tǒng)拓撲結構4 SLH變頻器系統(tǒng)設計A主電路設計基于開關線性復合技術，將其延伸到電氣傳動領域，設計開發(fā)一種新型變頻調速系統(tǒng)，側重于解決傳統(tǒng)異步電機低頻運行時綜合性能下降的不足。頻率范圍可以達到0.2Hz-60Hz，主電路拓撲采用VVVF-SLH的結構形式。控制系統(tǒng)采用單片機數(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。主電路拓撲結構如圖5所示，主電路采用AC-DC-AC(即交-直-交)

11、的電路結構，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。單片機控制逆變器的功率開關器件的導通或者關斷，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，改變調制周期控制輸出頻率，從而在逆變器上同時進行輸出電壓幅值和頻率的協(xié)調控制。逆變器輸出經(jīng)LC濾波后作為線性復合單元的紋波輸入電壓，紋波電壓與線性單元復合，在這里線性復合單元的IGBT構成射極跟隨器拓撲結構，由于其具有極高的波形穩(wěn)定性及較強的動態(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、驅動三相感應電機。在變頻器與電機之間加一級復合單元的目的就是為了克服變頻器輸出波形差的缺點，在電機進線側提高電源質量。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運行過程中變參數(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速系統(tǒng)的靜動態(tài)性能，包括超低速性能，抗負載波動魯棒性。B 控制電路設計控制系統(tǒng)主要采用凌陽SPMC75系列變頻控制專用單片機實現(xiàn)，該系列單片機是凌陽科技公司設計開發(fā)的高性能16位通用MCU，具有很強的抗干擾性能、豐富易用的資源以及優(yōu)良的結構，特別是增強的定時計數(shù)器和 PWM 輸出功能，適合用于交流電機變頻驅動控制。控制系統(tǒng)結構如圖4所示，單片機產(chǎn)生的PWM驅

13、動信號經(jīng)光耦隔離驅動主電路IGBT功率模塊，同時單片機根據(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)光耦隔離放大到復合級所需要的電壓等級，驅動復合級IGBT柵極。同時單片機檢測主電路的電壓、電流、溫度，一旦檢測到過壓、過流或過熱，系統(tǒng)保護電路動作，單片機封鎖輸出驅動信號及參考輸出信號，保護主電路。同時系統(tǒng)具有顯示及程序設定模塊，控制變頻器的運行狀態(tài)。單片機外圍設有通訊接口，可以實現(xiàn)單片機與上位計算機的通信，系統(tǒng)控制靈活性加強，可以實現(xiàn)上位監(jiān)測及控制。圖6 SLH變頻控制系統(tǒng)結構框圖5 仿真結果分析利用PSPICE仿真軟件對SLH變頻器主電路拓撲進行了仿真驗證, 輸出

14、基波頻率設為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，電機轉動脈動較大，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為開關線性復合變頻器輸出三相線電壓波形。可以看出，波形正弦度很高，諧波大為減少，因而提高了電機靜動態(tài)性能。可見，開關線性復合式變頻器與傳統(tǒng)變頻器相比，波形質量大為提高，對前級開關單元的紋波抑制效果明顯，同時在低頻甚至超低頻運行時，輸出波形正弦度仍較高，這大大改善了電機低速運行的困難。 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 開關線性復合式變頻器輸出線電壓波形6 結論本文介紹了一種采用開關線性復合技術的高性能變頻器研究方案，通過理論分析與仿真驗證，開關線性復合式變頻器拓撲結構方案可行，變頻器輸出電壓波形正弦度較高，在負載突變的情況下，輸出波形波動很小，系統(tǒng)具有較高的抗負載擾動魯棒性，同時在克服低速轉矩脈動方面與傳統(tǒng)變頻調速系統(tǒng)相比具有明顯的優(yōu)勢。參考文獻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 周謙之,李定,許海濱.開關線性復合變換低阻輸出特性對系統(tǒng)的優(yōu)化.上海交通大學學報,2003,37(9):137513794 康華光,陳大欽.電子技術基礎(模擬部分).北京:高等教育出版社,19995 Qianzhi Zhou, et al., “Switch-linearity(CTA