基于开关线性复合技术的高性能变频器研究

1、基于开关线性复合技术的高性能变频器研究（刘晓东 姜克抗 刘宿城 安徽工业大学 243002）摘要：基于开关线性复合(SLH)技术提出一种新型高性能数字控制变频调速系统研究方案，通过仿真验证了该拓扑的可行性，实验结果表明该变频调速系统具有较高的静动态性能，在克服低速转矩脉动和抗负载扰动特性方面与传统变频调速系统相比具有明显的优势。叙词：开关线性复合；变频器；转矩脉动；鲁棒性；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 引言交流异步电机传动控制系统相比于直流调速系统具有非常明显的优越性，因而在工业现场获得了广泛应用，直接转矩控制系统和矢量控制系统正成为当前的研究热点，但两者都存在难以克服的固有缺陷，在矢量控制系统中，转子磁链难以准确观测，并且系统特性受电机参数的影响较大，因而实际应用中难以获得理论分析的效果。直接转矩控制系统，把转矩作为直接控制量，虽然在一定程度上使控制系统简化，但仍需要建立复杂的电机数学

4、模型，稳态运行时转矩纹波也较大。两者都需要采用复杂的控制策略，对控制系统要求较高，需要采用高性能的数字处理器芯片，算法复杂，开发成本较高，国外进口变频器占据了大部分国内市场，因而开发自主知识产权的国产高性能变频器十分必要。开关线性复合技术(SLH)是一种将开关功率放大器与线性功率放大器有机结合而兼顾优波、高效和负载适应性（含阻、感、容、非线性负载），抗冲击负载扰动鲁棒性等综合优化性能的电力电子功率变换技术。它是针对现有的纯开关技术继续提升综合优化性能，遇到技术瓶颈或过于复杂时而另辟新径的探索。这一技术已经经过理论分析及实验验证，开发出的SLH装置获得了很好的综合性能，技术条件已经成熟。现正处于

5、多分支发展阶段,包括高性能交流传动、无功补偿与谐波治理、开关电源、UPS等领域。本文正是将开关线性复合技术应用于交流传动领域，开发高性能通用变频器，侧重提高变频调速系统低速甚至超低速(0.2Hz)性能，包括：转矩纹波、负载鲁棒性等。2 开关线性复合机理及拓扑结构2.1 开关线性复合(SLH)基本原理SLH技术创新的目的是找到一种既能保证类似于线性功率放大的优波特性又能保证接近于同等级开关功率变换器的效率和容量的新的方法。优波特性是需要考虑的重要问题，因此，主体思路是基于线性功率放大电路。如果线性功率放大的低效率问题能够通过一种特殊的方法解决，那么就可以达到满意的结果。为了分析线性放大器的低效率

6、的优波特性，以工作在B类模式的OCL放大电路为例。首先，作为一个低阻输出的射极跟随器，具有很高的保真度和很强的鲁棒性。第二，它的效率最高不能超过78.5%（忽略器件饱和压降的理论值）。在传统的线性功率放大系统中，功率器件的电源都采用直流电源，导致了大量的能量损耗。因此，为了突破理论效率限制，同时保持最基本的波形特性，一种很好的办法是用交流电源代替直流电源向功率器件供电。这种特殊的交流电源应当保证功率器件在每一个暂态变化过程中只产生很小的压差，基于这个观点，前期的一系列论文都展现了复合后的高效优波特性，其中线性单元的效率最高可以达到97%。SLH思想最初是由高效率的音频放大电路移植而来，如图1所

7、示，B类（或AB类）放大器由叠加锯齿形纹波的交流电压供电，而不是由通常的直流电源供电，因此，功率器件只承受近似饱和管压降的压差，所以器件损耗远远低于传统的B类功率放大器。如图2所示，在半波内，跟随栅极电压的负载电压Vo略低于带纹波的电源电压。 图1 交流供电的B类放大器电路 图2电压跟随特性理论上只要采用射极跟随器的控制策略，这种拓扑可以达到高效的任意波形的功率变换要求，只要设置的参考信号和所期望的负载波形在形状、相位、频率、成比例的幅值上保持一致，那么，就可以达到所要求的负载波形。输出直流和正弦波的功率变换器只是其中的特例。即由开关滤波单元供电的线性射极跟随器单元可以获得高效率及优波的很好的

8、复合特性。在音频放大领域，强调高保真度而不考虑输出鲁棒性，只考虑恒定负载而不考虑可变负载。然而，在功率变换领域，经常会遇到变负载的情况，兼顾优波及高效率的同时，负载鲁棒性也需要考虑。由于BJT放大电路中的射极跟随器电路具有高阻输入低阻输出的特性，所以具有很好的稳定性及动态跟随特性。MOSFET和IGBT同样具有类似的源极跟随特性，而且源极跟随器电路具有更高的输入阻抗和更低的输出电阻，采用合适的栅极电压控制，就可以获得更好的效果。把它接于前级和后级单元之间，类似于一个功率缓冲器，因而可以获得较强的鲁棒性及抗干扰特性，以达到较强的负载适应性，负载可以从纯阻性，变到感性负载，甚至容性负载，大大降低了

9、前后级的耦合影响。2.2 SLH拓扑结构前面提到的由开关纹波电源供电的线性功放电路，命名为开关线性复合功率变换器(SLH)，以区别于纯开关变换器和线性变换器。如图3所示，SLH 基本结构由开关滤波单元、线性单元、参考信号单元、采样单元、电压放大单元几个部分组成。从这一基本结构出发，可以拓展出一系列合理的SLH拓扑分支。图3 SLH原理框图基于以上介绍的基本原理,推导出基本的SLH拓扑如图4所示，经过理论分析和前期的实验研究，已经证实了其基本原理的可行性。图4 基本的SLH拓扑3 SLH变频器系统拓扑结构在前期工作的基础上我们已经获得了非常好的优波高效特性，理论及实验都已证明开关线性复合技术具有

10、非常广泛的应用前景，几乎大多数开关变换器都可以加复合级，提升系统整体性能。将开关线性复合技术应用于传统变频调速系统，设计新型变频器命名为 SLH变频器，拓扑结构如图5所示。图5 SLH变频器系统拓扑结构4 SLH变频器系统设计A主电路设计基于开关线性复合技术，将其延伸到电气传动领域，设计开发一种新型变频调速系统，侧重于解决传统异步电机低频运行时综合性能下降的不足。频率范围可以达到0.2Hz-60Hz，主电路拓扑采用VVVF-SLH的结构形式。控制系统采用单片机数字控制方式，使得硬件电路系统得以简化，可靠性更高，控制功能更完善。主电路拓扑结构如图5所示，主电路采用AC-DC-AC(即交-直-交)

11、的电路结构，输入为交流电网电压，经过不控整流单元，变为脉动的直流电压，再经过大电容滤波(直流环节)，变为稳定的直流电压，送入逆变单元。单片机控制逆变器的功率开关器件的导通或者关断，在输出端获得一系列宽度不等的矩形脉冲。通过改变脉冲的宽度控制逆变器输出交流基波电压的幅值，改变调制周期控制输出频率，从而在逆变器上同时进行输出电压幅值和频率的协调控制。逆变器输出经LC滤波后作为线性复合单元的纹波输入电压，纹波电压与线性单元复合，在这里线性复合单元的IGBT构成射极跟随器拓扑结构，由于其具有极高的波形稳定性及较强的动态跟随特性，因而只要给定所需的栅极参考信号，输出跟随给定，就可以获得高正弦度输出电压，

12、驱动三相感应电机。在变频器与电机之间加一级复合单元的目的就是为了克服变频器输出波形差的缺点，在电机进线侧提高电源质量。同时由于射极跟随器的低阻输入高阻输出的特性又可以克服电机运行过程中变参数及非线性因素对变频器的不利影响。从而在整体上提高调速系统的静动态性能，包括超低速性能，抗负载波动鲁棒性。B 控制电路设计控制系统主要采用凌阳SPMC75系列变频控制专用单片机实现，该系列单片机是凌阳科技公司设计开发的高性能16位通用MCU，具有很强的抗干扰性能、丰富易用的资源以及优良的结构，特别是增强的定时计数器和 PWM 输出功能，适合用于交流电机变频驱动控制。控制系统结构如图4所示，单片机产生的PWM驱

13、动信号经光耦隔离驱动主电路IGBT功率模块，同时单片机根据系统控制要求控制外围正弦信号发生器芯片产生三相正弦参考信号，参考信号经光耦隔离放大到复合级所需要的电压等级，驱动复合级IGBT栅极。同时单片机检测主电路的电压、电流、温度，一旦检测到过压、过流或过热，系统保护电路动作，单片机封锁输出驱动信号及参考输出信号，保护主电路。同时系统具有显示及程序设定模块，控制变频器的运行状态。单片机外围设有通讯接口，可以实现单片机与上位计算机的通信，系统控制灵活性加强，可以实现上位监测及控制。图6 SLH变频控制系统结构框图5 仿真结果分析利用PSPICE仿真软件对SLH变频器主电路拓扑进行了仿真验证, 输出

14、基波频率设为50Hz。 图7为传统变频器输出电压波形，PWM波形含有大量谐波，同时在低频输出时，窄脉冲传递能量困难，电机转动脉动较大，会出现断续。图8为变频器输出加LC滤波器输出线电压波形，波形有了较大改善谐波含量下降明显，但仍具有较大的谐波成分。图9为开关线性复合变频器输出三相线电压波形。可以看出，波形正弦度很高，谐波大为减少，因而提高了电机静动态性能。可见，开关线性复合式变频器与传统变频器相比，波形质量大为提高，对前级开关单元的纹波抑制效果明显，同时在低频甚至超低频运行时，输出波形正弦度仍较高，这大大改善了电机低速运行的困难。 图7 普通变频器输出线电压Uab波形 图8 变频器输出加LC滤

15、波器输出线电压波形 图9 开关线性复合式变频器输出线电压波形6 结论本文介绍了一种采用开关线性复合技术的高性能变频器研究方案，通过理论分析与仿真验证，开关线性复合式变频器拓扑结构方案可行，变频器输出电压波形正弦度较高，在负载突变的情况下，输出波形波动很小，系统具有较高的抗负载扰动鲁棒性，同时在克服低速转矩脉动方面与传统变频调速系统相比具有明显的优势。参考文献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 周谦之,李定,许海滨.开关线性复合变换低阻输出特性对系统的优化.上海交通大学学报,2003,37(9):137513794 康华光,陈大钦.电子技术基础(模拟部分).北京:高等教育出版社,19995 Qianzhi Zhou, et al., “Switch-linearity(CTA