浅析高性能大容量交流电机调速技术的现状及展望

徐涛

摘 要：随着我国经济社会的不断发展，人们对电能的需求也在不断上升，这就对高性能大容量交流电机的调速技术提出了新的要求。文章首先对高性能大容量交流电机调速技术的发展现状进行了分析与研究，再对PWM控制技术进行了探索，最后对我国高性能大容量交流电机调速技术的未来发展趋势进行了展望。

关键词：高性能；大容量交流电机；调速技术

引言

当前来讲，人类所面临的两个重要发展问题便是能源消耗及环境污染。我国针对这种情况，提出了节能降耗的发展目标，其中的一项重要内容便是逐步发展高性能大容量交流电机调速技术，从而通过较低的能源消耗来支撑我国国民经济的持续健康发展[1]。但是，我国的高性能大容量交流电机调速技术与国外相比，还存在一定的差距，特别是在对技术的研究与应用上面，还存在许多不足之处。所以，我国需要逐步重视强化对高性能大容量交流电机调速技术的研究与应用，从而实现国民经济的飞速发展。

1 高性能大容量交流电机调速技术的发展现状

1.1 传统的大功率逆变电路

一般来讲，传统的大功率交流电机调速系统通常采用的变换器有以下几种：首先是普通的交直交三相逆变器，其次是能够实现降压升压的普通变频器，再次是交交变频器，最后是能够实现变压器耦合的多脉冲逆变器。我国对上面几种大功率变换电路的研究较为成熟，但在如何实现大功率交流传动时，却还没有取得实质性的突破。除此之外，由于传统大功率逆变电路的构造复杂，所需的各类装置较多，所以会在一定程度上影响到相应的控制可靠性，同时还有可能会污染电网，导致功率因数较低，无功损耗量加大等现象[2]。所以，我们需要增加相应的谐波治理装置，这就会影响到设备的实际运行成本。一些专家开始注重新型高压大功率逆变器的运用，特别是对电压型多电平变换器拓扑的研究，得到了他们的广泛关注。

1.2 新型的多电平电压型逆变器

1.2.1 二极管钳位的多电平逆变器

目前应用较为广泛、出现时间较早的便是二极管钳位式的多电平结构。这种结构主要是利用多个二极管来钳位好相应的开关元件，从而使之输出合适的M电平的相电压。虽然二极管钳位式的拓扑结构具备了多电平逆变器较多的共同特点，但与此同时，其自身也存在相应的不足之处[3]。这些不足之处主要体现在以下几个方面：一是二极管钳位在具体承受相应的电压时，会出现承受电压不均匀的情况。二是由于器件之间所需要的额定电流之间存在一定的差异，所以在按照最大的额定值进行电流设定时，容易产生开关元件容量上的浪费，从而导致了实际利用效率较低的现象出现。三是由于直流侧电容在一个周期中的流入与流出电流可能存在差异，就会出现不同级的直流侧电容电压在实施有功传递时出现功率不均衡的情况。要想逐步改善其存在的不足之处，就需要在两个相邻钳位的二极管两端加上相应的钳位电容来改进拓扑结构。除此之外，还可以将两个相同的变换器通过背对背的使用形式来促进结构的改善。

1.2.2 电容钳位的多电平逆变器

电容钳位的多电平逆变器的工作原理与二极管钳位电路存在诸多相似之处，这种逆变器虽然可以节省较多的二极管，但还需要引进较多的电容。这对于高压大容量系统来说，会出现占地面积大，运行成本高，封装困难等情况。引进电容可以增加合成电压的可选性，使得在具体选择开关的过程中，拥有了较大的灵活性[4]。我们可以在同一电平上实施符合实际情况的开关组合，从而保证电容电压能够维持一个均衡的状态，进而更好实现系统的有功调节与变频调速。

1.2.3 电压自平衡式的多电平变频器拓扑

电压自平衡式的多电平变频器拓扑不需要通过附加电路，便可以有效抑制直流侧电容的电压偏移现象，这从理论上实现了多电平结构的实用性。中点电压的控制是高压大容量多电平电路中的一个技术难点，就像是三电平及以上电平数的拓扑结构，如果没有有效控制好中点电压的话，就会使这种结构在大容量的电能变换中，缺乏实用性[5]。针对这些情况，当拓扑结构的电压大于三电平时，我们就需要对相关直流电源进行隔离处理，与此同时，还可以通过附加电路结构的方式来保证中点电压的平衡。这些措施的运用，可以使拓扑结构自身拥有调节电压平衡的功能，从而在应对各种类型的逆变器控制结构及负载现状时，都可以实现对中点电压的有效控制。

2 PWM控制技术

高性能大容量交流電机调速技术的发展，也促进了PWM控制技术的创新。传统的PWM控制技术主要运用在对两电平逆变器的门极控制上面，它的原理是比较载波和调制波，进而得出二者之间相应的交点。另外，还可以通过微机计算的方式来获得门极触发脉冲控制的具体信号。随着近几年我国PWM控制技术的发展，它可以有效按照相应的谐波含量、谐波畸变率及转矩脉动等目标函数来优化PWM的控制波形。就像是电压的实际利用率升高时，便可以通过有效减少开关次数来达到特定的优化目标。但随着电平数量的不断增加，进而也加大了开关模式的相应计算量，而且所需的内存也会出现增加现象。因为开关模式的实际冗余选择性比较大，因此合理选择好具体矢量，便可以达到有效消除共模电压的目的。与此同时，对于二极管钳位式的多电平逆变器来说，便可以逐步减少或者是消除直流侧电容电压的不平衡性。

3 高性能大容量交流电机调速技术的展望

随着我国在研制功率器件及拓扑结构上面所取得的突破，也使得高性能大容量交流电机调速技术呈现蓬勃发展的态势。一般来讲，我国传统的大功率逆变电路具有性能差、体积较大的特点，同时还容易对相应的电网产生过多的谐波，所以在实际应用过程中越来越受到现实条件的制约。但是，新型多电平逆变器具备了较好的动态性能，可以有效减少在实际工作中，电网及电机上所产生的谐波，再加上高压性能等特点，因此得到了社会各界的充分肯定。当我们将PWM控制技术运用多电平逆变器中时，可以提出一些相应的改进方案，从而促进了高性能大容量逆变器的广泛应用。当前我国主要是运用低压、小容量调速的电动机调速技术，要想运用高压、高效的变频调速设备，就需要依靠进口。虽然我国与其他国家相比，在技术应用方面还存在相应的差距，但我国具有自身的资源优势，可以通过有效借鉴国外的先进发展经验来促进调速技术的研究与应用。

4 结束语

总而言之，随着我国节能降耗措施的提出，低碳经济的逐步发展，使得我国发展与应用高性能大容量交流电机调速技术的条件已然成熟。我们需要逐步加大对调速技术的研究力度，才能实现经济效益与社会效益的和谐统一。

参考文献

[1]吴镜峰.对高性能交流电动机调速系统发展现状的探讨[J].河北工业大学成人教育学院学报，2012，4：8-11.

[2]李永东.高性能大容量交流电机调速技术的现状及展望[J].电工技术学报，2013，2：1-10.

[3]李永东，李敏.高性能大容量交流电机调速技术-现状及展望[A].中国电工技术学会.中国电工技术学会电力电子学会五届三次理事会议暨学术报告会论文集[C].中国电工技术学会，2011：12.

[4]李永东.高性能大容量交流电机调速节能技术—现状及展望[A].中国电工技术学会.第九届全国电技术节能学术会议论文集[C].中国电工技术学会，2011：9.

[5]李永东，李敏.大容量交流电动机调速技术现状及展望[J].电气时代，2011，10：2-5.