變頻器重點技術的開發現狀

1 概述

安川電機公司自1974 年對電動機控制用的晶體管變頻器實現產品化以來，一直推動著電力電子技術與微電子技術的進展，為變頻器驅動領域提供了配置最新技術的先進產品。近年來，由于環保政策的要求，又相繼開發了各項應用中的控制新技術，即在變頻器小型化技術中提高功率器件的功率密度;以及進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，旨在實現新一代的變頻驅動。

隨著變頻器用途的擴大，各項應用所要求的性能也多種多樣，特別是近年來機械設備的小型輕量化及節能需求的不斷增長，同步電動機的可變速驅動技術也日益受到重視。與此相應，電動機控制性能的改進，堅固耐用性的提高，高精度化、功率變換效率改善、功率密度的提高，以及電磁環境的協調等，都是需要長期專心研究的重點技術。

本文闡述最新的無速度傳感器控制技術和同步電動機控制技術，并介紹了今后將要應用的下一代功率器件與環境協調技術的開發動向。

2 電動機控制技術

近年來開發的電動機控制技術，既能實現無速度傳感器的高控制性能，又能滿足堅固耐用的可靠性要求。下面將介紹高可靠性的無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傳感器控制，以及堅固可靠性與無傳感器的同步電動機控制等重要技術。

2.1 感應電動機的無速度傳感器矢量控制

為實現高精度化的通用變頻器可變速控制，在不能設置速度傳感器的環境下實現速度控制，積極開發研制了無速度傳感器的矢量控制。包括：由V/f控制發展起來的速度補償型，無傳感器控制(以下簡稱開環型)和由磁場定向控制發展起來的速度推定值反饋型無傳感器控制(以下簡稱閉環型)等。

開環型無傳感器控制是通過電壓指令，間接的控制電流，并保持磁通恒定的矢量控制，其組成結構如圖1所示。與V/f 控制的不同點是，藉助矢量的電壓補償運算和速度補償運算，能對所期望的電壓、電流進行調控。各種補償運算所需的電動

機電氣常數，可在線(on-line turning)自動設定，并能根據參數的變化進行堅固耐用性控制。這種控制適合于風機、水泵等大范圍的產業機械應用。

閉環型無傳感器控制方框圖如圖2 所示，是能獨立控制產生電動機磁通的勵磁電流和產生轉矩的轉矩電流的(一種)高性能矢量控制。藉助磁通觀測器，推定分配電流所需的磁通位置，并同時進行速度運算。將運算的速度通過反饋控制以后，則可適用于與帶傳感器有同樣高性能要求的應用場合。

2.2 感應電動機的混合式無傳感器控制

閉環型無傳感器控制，是在額定值1:200的速度控制范圍內實現150%以上的高轉矩驅動控制。

但在驅動頻率為零的區間，難于推定速度。為解決這一課題，采用了高頻率重疊法的無傳感器控制。

而將高頻電壓重疊于指令電壓時，又存在鐵損和電流脈動增大的問題。因此，圖3 的方框圖結構，是在極低速的驅動時所適用的高頻重疊法。而在通常的速度范圍內則采用帶觀測器的混合式無傳感器控制，以取代閉環型無傳感器控制。由于這一結構中，觀測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，施加100%脈動的再生轉矩場合下的響應特性。由圖可見，推定速度跟蹤于因負荷變動所導致的實際速度變化。而且，即使在零頻率附近原來控制不穩定的區間運轉，磁通相位也幾乎無變化。這說明零頻率附近的速度控制是可能的。

2.3 同步電動機的無傳感器控制

要實現同步電動機的無傳感器控制，必須具有電動機的電阻、電感、感應電壓等正確信息。這些電動機參數雖存在誤差，但由于開發了以穩速控制補正功能為中心的同步電動機控制算法，故提高了可靠性。在原來的矢量控制中，速度控制單元與電流控制單元的參數要個別進行調整，而速度指令與實際速度的關系是由2 次近似的傳遞函數模型表示的。現在，速度控制系統與電流控制系統的響應可統一管理，這調整了相應于負荷條件的最佳增益。

與在最佳控制條件下運轉的高效控制通用異步電動機變頻驅動對比，調整同步電動機的無功電流，可提高約8%的綜合效率。而且，在電壓飽和區同樣因調整了無功電流，能防止電壓的飽和，從而實現恒定功率的控制。由于這種組合技術，同步電動機的無傳感器控制，可提高耐用性和改善控制性能。

圖5 為5%額定速度驅動時，施加100%脈沖負荷情況下的速度特性與轉矩特性。已經確認，低速區的瞬時負荷可容量是足夠的。圖6為低速區的速度-轉矩特性，具有100%以上轉矩的負荷容量。

3 功率電路技術

由于功率器件的技術創新，變頻器的功率電路，經歷了從VS-616G3 系列到arispeed G7 系列大約10 年時間，功率密度已提高近2 倍，現已進入IGBT(絕緣柵雙極晶體管)時代，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以取代硅半導體。而且，隨著IGBT的多用途化，因其高速的開關切換導致電磁噪音的增加，使對電動機有影響的微浪涌電壓也相應的增加，并出現軸承電腐蝕問

題等，為減輕變頻器對周邊設備的不利影響，環境協調技術也愈益受到人們的重視。

3.1 碳化硅(SiC)功率器件

為實現變頻器的低損耗化和提高功率密度，采用超過Si 特性的材料來制作功率器件。現在，最受期待的新一代功率器件材料是碳化硅(SiC)。

SiC 與Si 比較，絕緣擊穿的電場速度為Si 的10倍;能帶間隙(帶隙能量，band gap)為Si 的3 倍，因為器件可高溫操作與低阻抗化，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電阻率的理論極限。以DMOS為例，SiC 超過Si的極限，能大幅度降低通態電阻，SiC的絕緣擊穿電壓高，通態電阻也減小，故適用于要求高耐壓的工業變頻器主回路。圖8為SiC 功率MOSFET(金屬

氧化物半導體場效應管)與肖特基勢壘二極管(SBD)組合成的功率模塊，裝在變頻器主回路內，實際異步電動機運轉時的典型波形示意圖如圖怨、圖10所示。

圖9 為二極管的回復(Vecovery)波形。圖9(a)是Si-IGBT 與快速回復二極管(FRD)的組合;

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

圖10 為斷開時的開關波形，斷開時單極器件處于高速下，原來在Si-IGBT 中可見到的脈沖后尖頭信號電流消失了，開關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。