引言

交流电动机特别是异步电动机由于结构简单、价格便宜、维修方便等优点被广泛使用。但其调速性能在以前赶不上直流电动机，所以交流电动机的调速技术一直是世界各国研究的课题。20世纪60年代以后，随着电力电子技术的发展，半导体变流技术应用到交流调速系统中，特别是大规模集成电路和计算机控制技术的发展，以及现代控制理论的应用，都为交流调速的进一步发展创造了条件。人们研究出很多类型的交流调速系统，其中有些方法的调速性能已可与直流调速系统相媲美。因此，交流调速得到日益广泛的应用，目前在调速传动领域交流电动机已有取代直流电动机的趋势。

　　早期的交流电动机调速方法，如采用绕线式异步电动机转子串电阻调速、笼型异步电动机变极调速，在定子绕组串电抗器调速等都存在效率低，不经济等缺点。交流变频调速的优越性早在20世纪20年代就已被人们认识，但受到元器件的限制，当时只能用闸流管构成逆变器，由于技资大，效率低，体积大而未能推广。20世纪50年代中期，晶闸管的研制成功，开创了电力电子技术发展的新时代。由于晶闸管具有体积小、重量轻、响应快、管压低等一系列优点，交流电动机调速技术有了飞跃发展，出现了交流异步电动机调压调速、串级调速等系统。20世纪70年代发展起来的变频调速，比上述两种调速方式效率更高，性能更好，在近30年得到了迅速发展。

　　变频调速系统

　　变频调速具有高效率、宽范围和高精度等特点，是目前运用最广泛且最有发展前途的调速方式。交流电动机变频调速系统的种类很多，从早期提出的电压源型变频器开始，相继发展了电流源型，脉宽调制等各种变频器。目前变频调速的主要方案有:交-交变频调速，交-直-交变频调速，同步电动机自控式变频调速，正弦波脉宽调制(SPWM)变频调速，矢量控制变频调速等。这些变频调速技术的发展很大程度上依赖于大功率半导体器件的制造水平。随着电力电子技术的发展，特别是可关断晶闹管GT0，电力晶体管GTR，绝缘门极晶体管IGBT，MOS晶闸管及MTC等具有自关断能力全控功率元件的发展，再加上控制单元也从分离元件发展到大规模数字集成电路及采用微机控制，从而使变频装置的快速性，可靠性及经济性不断提高，变频调速系统的性能也得到不断完善。

　　SPWM控制技术

　　正弦波脉宽调制(SPWM)技术在变频器中得到广泛的应用。SPWM变频器调压调频一次完成，整流器无需控制，简化了电路结构，而且由于以全波整流代替了相控整流，因而提高了输入端的功率因数，减小了高次谐波对电网的影响。此外，由于输出波形由方波改进为PWM波，减少了低次谐波，从而解决了电动机在低频区的转矩脉动问题，也降低了电动机的谐波损耗和噪声。PWM技术的应用是变频器的发展主流。SPWM的调制原理是使变频器的输出脉冲电压的面积与所希望输出的正弦波在相应区间内面积相等，改变调制波的频率和幅值即可调节逆变器输出电压的频率和幅值。

　　SPWM变频器的输出电压虽然接近于正弦波，但感应电动机本身因为气隙磁通、转速与转子电流是强藕合的，所以调速性能不如直流电动机，采用矢量控制技术可提高其调速性能。矢量控制的原理是采用坐标变换的方法，以产生相同的旋转磁势和变换后功率不变为准则，建立三相交流绕组，两相交流绕组和直流绕组三者之间的等效关系，从而求出与交流电机等效的直流电机模型，即实现交流电动机的解耦，以便按照对直流电动机的控制方法对交流电动机进行控制，矢量控制要求由磁通观测器测出实际转子磁链幅值及相位，因此如何利用先进理论和技术实现转子磁链位置的精确观测是矢量控制技术的重要课题。

　　PWM技术的新发展

　　变频调速系统是由主电路和控制电路两部分组成，近年来变频调速技术的发展重点在于控制电路部分，即PWM技术的产生和实现方法。

　　电流控制PWM技术

　　电流控制PWM技术是一种新颖的控制技术，近年来得到了相当大的发展及较广泛的应用。电流控制PWM技术有不同的线路方案来实现，其共同特点是:通过监测电感电流直接反馈去控制功率开关的占空比，使功率开关的峰值电流直接跟随电压反馈回路中误差放大器输出的信号变化而变化。

　　电流控制PWM技术常用的控制方法有:1 线性电流控制:线性电流控制也叫正弦-三角形电流调节器或斜坡比较电流调节器，它适用于大量应用场合，尤其适用于中、低性能的传动，具有控制简单、对负载参数不敏感及具有较强鲁棒性的特点，而且它的性能随着现代功率器件开关频率的增加而得到改善。2 滞环电流控制:滞环电流控制是一种瞬态反馈系统，逆变器输出电流跟随给定电流。因为给定电流为正弦波，所以实际输出电流被限制在正弦波形的给定电流周围脉动，基本上是正弦波。该方法的优点是快速的瞬态响应，高度的准确性及较强的鲁棒性。然而，滞环电流控制与当今的全数字化趋势不相适应，因为它的瞬态响应性会被ADC及微机中断延时所降低。3 预测电流控制:预测电流控制是在每个调节周期开始时，根据实际电流误差，负载参数及其它负载变量，来预测电流误差矢量趋势，因此下一个调节周期PWM产生的电流矢量必将减小所预测的误差。该方法的优点是，若给调节器除误差外更多的信息，则可获得比较快速，准确的晌应。目前这类调节器的局限性是响应速度及过程模型系数参数的准确性。

　　综上所述，电流控制PWM技术还存在一些局限性，而应用现代控制理论可以克服这些缺点，所以应用现代控制论是它的必然发展趋势。

　　电压矢量"等效"三电平PWM变频调速

　　电压矢量"等效"三电平PWM变频调速方式是一种新型的PWM变频调速方式，其工作原理是使变频器瞬时输出三相脉冲电压合成空间电压矢量与届时所期望输出的三相正弦波电压的合成空间电压矢量的模相等，而它的幅角按一定的间隔跳变。由于当电压一定时，三相正弦电压合成空间电压矢量的模是一个常量，这就给控制带来了很大的方便。电压矢量"等效"三电平PWM变频器用了12个元件构成主回路接线，使变频器实现了三电平电压输出。在控制方面引人空间电压矢量的概念，把变频器的输出状态转化为六角形基本空间电压矢量图，直接利用该图的内在关系，对变频器的输出实行频率、电压和PWM菱形调制。

　　这种变频调速方式除了具有SPWM变频调速方式各方面的优异性能外，还具有SPWM变频调整方式望尘莫及的优异性能，如很小的输出电压谐波分量(〈3%)和非常好的低速特性。只要功率元件合适，可以做成大、中、小不同容量的变频调速装置，目前最大输出功率已达1000KW。

　　变频调速控制技术的发展趋势

　　随着电力电子器件制造技术的发展和新型电路变换器的不断出现，现代控制理论向交流调速领域的渗透，特别是微型计算机及大规模集成电路的发展，交流电动机调速技术正向高频化、数字化和智能化方向发展。

　　控制策略的应用:由于电力电子电路良好的控制特性及现代微电子技术的不断进步，使几乎所有新的控制理论，控制方法都得以在交流调速装

置上应用和尝试。从最简单的转速开环恒压频比控制发展到基于动态模型按转子磁链定向的矢量控制和基于动态模型保持定子磁链恒定的直接转矩控制。

　　近年来电力电子装置的控制技术研究十分活跃，各种现代控制理论，如自适应控制和滑模变结构控制，以及智能控制(如专家系统、模糊控制、神经网络、遗传算法等)和无速度传感的高动态性能控制都是研究的热点，这些研究必将把交流调速技术发展到一个新的水平。

　　微机数字控制:微机控制或称数字控制，其优点是:使硬件简化，柔性的控制算法使控制灵活、可靠，易实现复杂的控制规律，便于故障诊断和监视。控制系统的软化对CPU芯片提出了更高的要求，为了实现高性能的交流调速，要进行矢量的坐标变换，磁通矢量的在线计算和适应参数变化而修正磁通模型，以及内部的加速度、速度、位置的重叠外环控制的在线实时调节等，都需要存储多种数掘和快速实时处理大量信息。可以预见，随着计算机芯片容量的增加和运算速度的加快，交流调速系统的性能将得到很大的提高。

　　谐振软开关技术的应用

　　在常规的PWM逆变电路中，电力电子开关器件工作在硬开状态，硬开关工作的四大缺陷即开通关断损耗大、感性关断问题、容性开通问题、二级管反向恢复问题妨碍了开关器件工作频率的提高，而高频化是电力电子主要发展趋势之一，因为它能带来一系列的优点，如使电力电子系统体积减小、重量减轻、工作时噪声减小或无噪声、成本下降、性能提高。

　　克服上述矛盾的有效方法就是采用谐振软开关技术。谐振软开关技术是在常规PWM技术和谐振变换技术基础上发展起来的一种新型电力电子变换技术。它使功率开关器件在零电压或零电流条件下开关，有效地降低了高频下的开关损耗，提高了开关器件工作的可靠性。

　　国际上，把现代控制论用于谐振软开关的控制近年发展较快，它将大大改善系统的性能，具有很好的发展前景。另一方面，软开关PWM变频器高频是大趋势，现在的IGBT大都可以工作在50Hz以上，开关周期小于20μs，在这样短的时间内完成工作时序及其他控制策略的计算，只有DSP能胜任。可以预言，在软开关PWM变换器中采用DSP控制是软开关技术的发展趋势。

　　"绿色"电力电子变换器:电力电子功率变换器的输出电压和电流，除基波分量处，还含有一系列的谐波分量，这些谐波会使电机产生转矩脉冲，增加电机的附加损棍和电磁噪声，也会使转矩出现周期性的波动，从而影响电机平稳运行和调速范围。随着电力电子变换器的日益普及，谐波和无功电流给电网带来"电力公害"越来越引起人们的重视。以前解决此问题的方案是采用有源滤波和无功补偿装置。现在的趋势是采用"绿色"电力电子变换器，它的功率因数可控，各次谐波分量均小于国际和国家标准允许的限度。目前已经开发的"绿色"变换器有:中压多电平变换器，多个逆变单元串联的变换器，二电平或三电平的双PWM交-直-交变换器、变-交矩阵式变换器等。

　　结束语

　　当今科学的发展趋势是各学科之间已没有严格的界线，它们相互影响，相互渗透，从发展的角度来看，把神经网络、模糊控制、滑模变结构控制等现代控制理论用于PWM技术有着极其重要的意义和广阔的前景，可以认为这将是PWM变频调速技术的发展方向之一。此外，控制领域的其他新技术如现场总线、自适应控制、遗传算法等，也将引入到交流传动领域，给变频调速的控制技术带来重大的影响。因此如何把其他学科新的技术理论方法，新的科学成果应用到交流传动领域中既是交流调速技术的发展方向，也是一个十分迫切的问题。