湖南天羽能源科技股份有限公司
摘要：新型智能电机节电系统以电力电子技术为基础，采用双PWM变流（PWM整流技术、PWM逆变技术）及转子磁场定向的矢量控制等技术，自动跟踪监测电机运行中的负载变化，通过控制逆变器，动态地调整运行的电流和电压，使电机始终在最佳效率状态下工作，达到电机节能降耗目的。
关键词：智能 节能 双PWM 矢量控制
1 引言
智能电机节电系统以电力电子技术为基础，采用最新集成智能化的微处理控制器，双PWM变流技术及转子磁场定向的矢量控制等技术，实现电机智能化负载跟踪调节、动态无功补偿、有源滤波消谐、变频调速等多项节能技术的有机融合。
2 节能原理
智能电机节电系统不会改变电源的频率，它是通过检测程序来监控输给电机的电压和电流之间的相位角的变化，通过切削电压波形而降低电机电压，当电机的电压降低，磁损耗也就相应的减少，有功损耗和无功损耗也相应的减少，同时使电机的功率因数提高，降低了电机的定子电流，供电线路损耗、电机绕组的铜损耗显著减少，电机的铁损下降，提高了电机的效率。另外智能电机节电系统可设置相关参数对需要调速的设备进行变频调速运行，因此相对于变频器来说其应用范围更广。
3 系统架构
智能电机节电系统是一个由进线电抗器、整流器、滤波电容、逆变器和交流电动机组成的交-直-交变换系统。其中交流电源采用三相对称交流电压源，整流环节采用PWM整流技术，直流环节采用直流电容器保证输出直流电压的稳定，逆变环节采用三相电压型逆变器。控制系统采用带有转矩、磁联内环和转速外环的异步电机矢量控制方案，整流级采用电流内环，电压内环呈双闭环结构，逆变级采用转子磁场定向的矢量控制系统，实现转矩和定子磁链的解耦。
4 系统创新技术
4.1双PWM变流技术
智能电机节电系统采用双PWM变流技术，在双PWM结构，整流桥和逆变桥都采样全控的IGBT管，由于IGBT管的全控性，可任意控制其关断，这样当出现能量回馈时，能进行快速关断，不会产生过电流，实现交流电机快速四象限运行。通过PWM整流控制，可以实现整流环节网侧电流正弦化，运行于单位功率因数，且能实现能量的双向流动。由于PWM整流器采样直流输出电，因此还能对直流电压进行调整，在负载变化时，具有较快的响应速度，使直流输出电压稳定在一定的设定值。因此说采用PWM整流器取代传统交一直一交变频器中不可控整流部分，不仅克服了上述传统变频器的缺点，还具有网侧电流为正弦波，网侧功率因数近似为1，较快的动态响应，易于模块化，易于冗余设计和电能双向传输等诸多优点，实现了调速节能和“绿色环保”高度结合。
4.2双PWM变频滤波技术
由于智能电机节电系统采用PWM整流技术，双PWM在调节控制过程中，输入电流含有功率电路开关频率附近的高次谐波，这些高次谐波产生的高频电磁感应会对电网中的控制和通讯设备以及精密仪器产生干扰。为进一步提高系统功率传输能力，降低系统对电网电源质量及周边设备的影响，在系统输入侧加装新型滤波器。新型滤波器由电感L1、L2、L3、L4；电容C1、C2、C3；阻尼电阻R总体构成，截止频率为0.5 fs（fs为双PWM变频器的开关频率），其中C1、C2、L3、L4构成双调谐滤波支路，滤除较大含量的fs和2fs开关谐波，L1、L2、C3和阻尼电阻R，滤除0.5 fs以上的高频谐波。
.png)
图1 滤波器电气原理图
将滤波器安装在输入环节，使得双PWM变频器具有网侧输入电流波形接近正弦、单位功率因数等优点的同时，有效抑制PWM整流技术导致的高次谐波，不仅可有效防止高次谐波产生的高频电磁感应对电网中的控制及对通讯设备、精密仪器的干扰，还能同时满足双PWM变频器功率传输能力的要求，避免滤波器与系统阻抗之间的谐振问题。
5 控制方案
空间矢量SVPWM从三相输出电压的整体效果出发，使得输出电流波形尽可能接近于理想的正弦波形。如果忽电机定子绕组电阻，当定子绕组施加三相理想正弦电压时，由于电压合成空间矢量为等幅旋转矢量，故气隙磁通以恒定角速度旋转，轨迹为圆形。在实际运行中逆变器只有6个有效开关矢量U1～U4及两个零开关矢量U0和U7共8种状态，如图2所示。因此，只能用U0～U7 8个矢量的线性组合去接近、近似等效矢量Ur。
.png)
图2 电压空间矢量图
按照平行四边形法则，利用这8个空间矢量可以合成任意的电压矢量。以第扇区为例，由平均值等效原理可得
.png)
由上式和三角形的正弦定理可得
.png)
.png)
.png)
式中：α为参考矢量与该扇区第一矢量的夹角，0°＜α＜60°；Ts为开关周期；Ts为调制系数，T4为开关矢量U4的作用时间；T6为开关矢量U6的作用时间；T0为零矢量的作用时间。
为保证平均值等效原理的有效性，应满足T4+T6≤TS。该条件保证了输出波形无畸变，也决定了SVPWM的最大输出限定。
6 结束语
智能电机节电系统以电力电子技术为基础，采用智能化集成芯片，双PWM 架构，及转子磁场定向的矢量控制等技术。新型双PWM控制系统同，对整流和逆变环节进行一体化控制，有效解决常规变频调速系统中体积大，动态性能差的问题，同时由于采用双DSP主从结构，主DSP处理前后变流桥的算法问题，从DSP负载PWM波的发波与驱动问题，更有利于系统集成，简化了系统的硬件构成，具有很强的灵活性。另外系统采用的智能化集成芯片具有强大的数据处理能力，使得在这个平台上能够实现更为复杂的控制算法，应用前景比较广阔。
参考文献：
1、赵争鸣，张海涛，袁立强，白华，杨志。基于IGCT的高压三电平变频器失效机理及保护策略[J]；电工技术学报，2006年05期
3、韦立祥，孙旭东，刘丛伟，李发海。一种新型的双PWM三电平调速系统控制方法[J]。清华大学学报（自然科学版），2002年03期
3、翁海清，孙旭东，刘丛伟，韦立祥。三电平逆变器直流侧电压平衡控制方法的改进[J]，中国电机工程学报，2002年09期