一、前言

　　高壓變頻器行業在我國經歷了認知階段、組裝階段和研發制造階段;上世紀90年代以來我國國內企業開始進入高壓變頻器行業。本土企業的興起推動高壓變頻器市場價格下降，隨著應用的普及其用戶群不斷擴大，逐步形成產業規模。在過去的幾年里，國內高壓變頻器行業迅速發展，部分企業開始研制矢量控制和四象限(PWM能量反饋)等高性能變頻器，爭取在高端市場應用方面取得突破，打破目前傳統兩象限產品局限于中低端市場的現狀，逐步具備全面替代外資品牌產品的技術實力。

　　目前國內的煤礦提升機調速系統主要有直流調速系統和交流調速系統，直流調速系統采用磁場換向的晶閘管直流可逆調速系統，交流調速系統分為同步機調速系統和異步機調速系統，異步電機主要用轉子串電阻調速。上述調速方式落后，運行成本大，且運行效果不理想。采用具有能量回饋特性的矢量控制型四象限高壓變頻器直接驅動籠式異步電機系統，具有類似直流電機的優良機械特性，具有接近于1的功率因數和大于98%的能量轉換效率，節電效果非常顯著。

　　億思特電氣自主研發的“IDrive矢量控制四象限高壓變頻器”，將主要應用于需要能量回饋的頻繁加減速或正反轉等工況場合，如礦井提升機、軋機等。

　　二、IDrive矢量控制四象限變頻器簡介

　　2.1系統主電路拓撲

　　采用單元級聯式結構，其軟件算法主要包含網側有源逆變及電機側矢量控制算法。單元級聯式多電平高壓變頻器，電壓范圍可達10kV，甚至更高;具有極低的輸出諧波，極低的轉矩脈動和電機噪聲，功率因數可達0.98，每個單元設計是完全一致，便于替換，因此易于實現冗余設計;拓撲結構如下圖所示;

　　2.2單元主電路拓撲結構

　　由于二極管不控整流器能量傳輸的不可逆，產生的再生電能傳輸到直流側濾波電容上，產生泵升電壓。而以GTR、IGBT為代表的全控型器件耐壓較低，過高的泵升電壓有可能損壞開關器件、電解電容，甚至會破壞電機的絕緣，從而威脅系統安全工作，這就限制了普通高壓變頻器的應用范圍;基于能量反饋的系統方案解決上述問題，并且實現了真正的節能目標而不是浪費掉能量。

　　能量回饋型功率單元，控制信號由一個單獨的控制模塊實現，這個控制模塊里面包括采樣變壓器二次側繞組的電壓信號，以及直流母線電壓和電感電流信號，通過直接電流控制實現單元模塊的四象限功能和功率因數控制，即此部分的最終結果是保證輸出直流母線電壓的良好動靜態性能。而逆變側的控制部分和以前的通用高壓變頻器一致，通過主控芯片實現逆變側的多電平控制。

　　輸入為隔離變壓器副邊降壓繞組的三相，IGBT的控制信號為經光纖傳輸過來的PWM信號控制其導通和關斷，輸出經單元串聯后到電機。單元拓撲結構圖如下所示;

　　2.3高壓變頻器電機矢量控制實現

　　2.3.1 變頻器電機控制算法簡介

　　高壓變頻器的主控算法采用載波移相算法控制實現電壓疊加，但其核心VF或VC等算法思路基本沿用了低壓變頻器，在低壓變頻器領域，其軟件算法經歷了四代：

　　第一代 以U/f = C，正弦脈寬調制(SPWM) ：

　　高壓變頻應用工作原理：單元級聯模式高壓變頻器采用載波移相算法，一般采用預期正弦波作為調制波，標準三角波作為載波，異步/同步調制方式進行比較移相后輸出一系列標準正弦脈寬方波，由等面積法，可得到預期的疊加正弦波;其控制原理/控制電路簡單，在這種控制方式下異步電動機表現出來的機械特性硬度較好，能夠滿足一般傳動的平滑調速要求，已在各個領域如電廠、水泥廠等很多工況的風機、泵類負載廣泛應用。但這種控制方式在低頻時，由于輸出電壓較小，受定子電阻壓降的影響比較顯著，故造成輸出最大轉矩減小。且其控制原理是基于電機的穩態方程而來，所以動態轉矩及靜態調速性能都還不盡如人意，不適宜用于高性能的調速場合。

　　第二代 以電壓空間矢量(磁通軌跡法)，又稱SVPWM控制方式。

　　第三代 以矢量控制(磁場定向法)又稱VC控制：

　　矢量控制思想是將異步電動機在三相坐標系下的定子交流電流Ia、Ib、Ic、通過三相—二相變換，等效成兩相靜止坐標系下的交流電流Ia1Ib1，再通過按轉子磁場定向旋轉變換，等效成同步旋轉坐標系下的直流電流Im1、It1(Im1相當于直流電動機的勵磁電流;It1相當于與轉矩成正比的電樞電流)，然后模仿直流電動機的控制方法，求得直流電動機的控制量，經過相應的坐標反變換，輸出實時的三相正弦電壓值，通過載波移相控制算法，實現對異步電動機的控制。

　　第四代 直接轉矩控制，又稱DTC控制

　　1985年德國魯爾大學Depenbrock教授首先提出直接轉矩控制理論(Direct Torque Control簡稱DTC)。直接轉矩控制與矢量控制不同，它不是通過控制電流、磁鏈等量來間接控制轉矩，而是把轉矩直接作為被控量來控制。

　　2.3.2、矢量控制算法

　　其矢量系統的控制系統框圖為：

　　在基于轉子磁場定向的矢量控制系統中，首先把電機三相電流等同于兩相靜止的α-β軸坐標系，然后再轉換成旋轉的D-Q軸坐標系，此時：

　　注：

　　并使D軸與轉子磁通方向重合，此時轉子磁通的Q軸分量為零，可以得到：

　　把此式帶入上式，經過化簡可以得到：

　　矢量控制的目的是為了改善轉矩控制性能，而最終實施仍然是對定子電流的控制。借助于坐標變換，使各物理量從靜止坐標系轉換到同步旋轉坐標系，站在同步旋轉的坐標系上觀察，電動機的各空間矢量都變成了靜止矢量，在同步坐標系上的各空間矢量就都變成了直流量，可以根據上述轉矩公式的幾種形式，找到轉矩和被控矢量的各分量之間的關系，實時地計算出轉矩控制所需的被控矢量的各分量值——直流給定量。按這些給定量實時控制，就能達到直流電動機的控制性能。由于這些直流給定量在物理上是不存在的，是虛構的，因此，還必須再經過坐標的逆變換過程，從旋轉坐標系回到靜止坐標系，把上述的直流給定量變換成實際的交流給定量，在三相定子坐標系上對交流量進行控制，使其實際值等于給定值。在矢量變換的控制方法中，需用到靜止和旋轉的坐標系，以及矢量在各坐標系之間的變換，交流電機的矢量控制，需要把電機的ABC三相定子靜止坐標系的電流Ia、Ib、Ic、變換成α和β兩相靜止坐標系(Clarke變換)，也叫三相-二相變換，再從兩相靜止坐標系變換成同步旋轉磁場定向坐標系(Park變換)，等效成同步旋轉坐標系下的直流電流Iq、Id(Id相當于直流電動機的勵磁電流);Iq相當于與轉矩成正比的電樞電流)，然后模仿直流電動機的控制方法，求得直流電動機的控制量，經過相應的坐標逆變換(Park逆變換)(Clarke逆變換)，實現對電動機的控制。其實質是將交流電動機等效為直流電動機，分別對速度，磁場兩個分量進行獨立控制。通過控制轉子磁鏈，然后分解定子電流而獲得轉矩和磁場兩個分量，經坐標變換，實現正交解耦控制，實現低頻大轉矩能力。

　　IDrive矢量控制四象限變頻器，可廣泛應用于提升類負載、對轉速控制精度及速度要求苛刻、要求低頻大轉矩等復雜工況，幫助用戶進一步提高工藝自動化水平，節能減排，增加更多的經濟收益。