电机驱动技术的发展现状与前景展望(3)

电机与电器学科最新发展动态 应该遵循以下两个约束条件：a.避免输入线短路 ；b.避免输出开路。

一些遵循以上两个约束条件的多步换流方案被提出。四步换流技术或许是最流行最广泛使用的方法。然而，在所有的技术中，施加的选通信号和实际的双向开关的闭合与断开是不同的，因为每个开关的实际闭合与断开时间是受输出电流的方向和输入电压的幅值所影响的。这样，在换流序列期间，矩阵变流器的输出电压可能出现不期望的失真，这与传统电压源逆变器的上下两开关之间的死区时间引起的电压失真相似。许多研究人员致力于此课题，并提出多种多样的可靠的软硬件应用技术。在所有技术中，唯一可能解决低速情况下的失真问题就是采用一些补偿手段来调节由于换流延误所造成的输出电压的损失。

矩阵变流器的输入是交流电压源，然而其负载是感性电动机，其本质是感性的。由于输入感性负载的电流从一相变为另一相，就可能对输入交流电源产生干扰。为了防止其发生，在矩阵变流器的输入端采用交流电容器，它能够吸收开关脉动电流成分。为了防止外部电源的谐波耦合到输入电容器中，使用了电感器，形成低通输入滤波器。输入LC 滤波器被选择过滤掉矩阵变流器的载波频率成分。矩阵变流器和输入低通LC滤波器产生正弦输入交流电流。低通输入LC滤波器提供了稳定的中性点并且进一步促进滤波器的集成。表2列出了矩阵变流器与两级电压源型逆变器相比的

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优点。

矩阵变流器输出相电压有三级，因为它是由三个可用输入相电压构成的。由于输出电压等级要经过三个可用输入电压中的中间电压，输出电压和共模电压的阶跃变化通常要比传统的电压源型PWM逆变器低。由于矩阵变流器得共模电压波形阶跃较小，使其自身比较容易滤波。

图16是矩阵变流器和传统两级逆变器中的共模电压的比较。矩阵变流器中的共模电压较低，所以共模电流、转轴电压和轴承电流也较小。因此矩阵变流器的拓扑结构本身使其更易于滤波。利用不同滤波器的集成以实现低噪声、较低地电流和较高安全裕量的驱动器是本篇文章的推动力。

从矩阵变流器提供操作说明中，可以说矩阵变流器的性能与矩阵变流器

电机与电器学科最新发展动态 很相似。由于矩阵变流器是固有的可再生驱动器，所以把它和背靠背型的三级电压源型逆变器相比是合理的。突出的比较特点：

1. 矩阵变流器使用9个相反的大块半导体开关设备，而相比之下背靠背型的三级电压源型逆变器使用24个。 2. 矩阵变流器不需要滤波的直流总线电容和相应的软充电电路。

3.在背靠背型的电压源型逆变器中，输入相中的两相或三相总是连在一起的，这会在输入终端产生大幅值的开关频率成分。为了减少其对电力系统的影响，需要大滤波电感器和一些功率分频成分。在矩阵变流器中，既定的输入相或者和电机相连或者悬浮。所以需要衰减的开关频率的幅值成分很小，这样输入滤波器就小得多。 4. 由于没有直流总线电容所以矩阵变流器的控制原理图很复杂，是靠器械将电压源型变流器的前端PWM整流器和电机一侧的逆变器分开的。然而，最近控制理论的进步减轻了这一缺点的严重性。低噪声电机驱动系统所需的各种滤波器都可以很容易的集成到

矩阵变流器中。图17为一个带有输入和输出配置的矩阵变流器。除了标准 的输入低通LC滤波器以外，还有一个小尺寸的输入电磁干扰滤波器来降低电磁干扰。

输出部分包含普通滤波器（NMF）在电机终端提供正弦波输出电压波形。为了衰减共模电压和共模电流在输出端使用了共模滤波器。转轴电压（共模电压的仿造物）也减小了并有助于减小轴承电流。

图18为实际的环境友好型电力变流器——一个完整的系统，其中包括集成滤波器和矩阵变流器。带有集成滤波器的矩阵变流器的尺寸为：宽530mm，高700mm ，深290mm.等价的具有相似集成滤波器的背靠背式电压源型变流器将比矩阵变流器的体积大出37% 。

3.4 中压矩阵变流器

矩阵变流器的一个有趣的应用就是它在中压设备上的应用。矩阵变流器可以以单元为单位产生合适的电压。通过适当改变每个单元载体的相

角并把它们与电机线圈整合到一起，

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就能实现多步中压等级。通过保证足够高的载波频率，相移载体的电压波

电机与电器学科最新发展动态 形几乎是正弦输出。安川公司的工程师已经开发出一种比较流行的类似方法。原理图和矢量图在图19中可见。中压矩阵变流器的特点是：

? 四象限操作

? 由于输入变压器的多级相位调

整线圈，输入电流波形非常好 ? 灵活的设计：

O 三个串联的单元产生

3.3kv,200到3,000kVA的系统

O 六个串联的单元产生

6.6kv,200到6,000kVA的系统

? 通过相移载频可实现多级配置

所以 输出电压波形非常好

4 电机驱动器的前景

电力半导体工业的发展进步始于二十世纪六十年代，其发展直接影响到了电机驱动器行业的发展。沿着这条直接的纽带，可以说正在进行中的新型开关半导体装置（如砷化镓、碳化硅、氮化镓等）的研究和实验将很快主宰电机驱动器行业。将实现更高的开关频率和更小的电能损失。冷却系统的主要改变有希望彻底改变电机驱动器行业。

4.1 碳化硅(SiC)设备的优势与挑战

碳化硅设备可以在超高温环境下工作不用考虑像传统的硅设备的损失和性能下降。碳化硅可以轻易的在150摄氏度甚至更高的温度下工作。有些研究人员已经尝试了250摄氏度。更高的操作温度明显减少了冷却系统的体积和成本。碳化硅市场的另一参与者是功率因数调整设备行业。大部分电器配件使用电源和碳化硅设备，由于它能够在高频高温下工作整体效率显著提高，而且冷却系统显著减小。高频操作意味着和开关作用的无源元件更小。开关电源变压器的尺寸变小并且整个设备的成本降低。

尽管碳化硅设备提供了很多优势，但仍有一些需要解决的问题。首先就是成本问题。无缺陷产量所占比重很低而且以碳化硅肖特基二极管为例材料成本本身就占整个产品的75% .这和传统的硅材料设备十分不同，传统的硅材料设备中材料成本占整个商品成本的10% 到20% 左右。另一个需

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要解决的难题就是做成稳定的氧化

电机与电器学科最新发展动态 层。这一点制约其不能用作可控开关。MOSFET 和IGBT需要这样的氧化层来控制大部分晶体管。由于存在着和氧化层相关的制造问题，所以碳化硅材料的IGBT或MOSFET还在开发中。然而，JFET和BJT不需要此氧化层，所以有些制造商正在计划推出碳化硅型JFET和BJT。碳化硅电力BJT可以实现典型的20倍放大系数。

4.2 氮化镓(GaN)设备的优势与挑战

氮化镓设备可以承受高压而不会退化。这些设备可以开合高频高压所以其在电力系统工程和大功率电机驱动器中应用越来越多。氮化镓最近被植入硅晶片中，有4‖ 型和6‖型。这是一项卓越的改进因为它减少了瑕疵品并且使其在电力电子中得到广泛应用。基于氮化镓设备的功率密度一般为硅设备的6倍甚至更高，把它利用在大功率开关设备上很有前景。氮化镓设备也能在高温下工作。因此，研究人员普遍主张氮化镓设备可能更适合高压大功率场合——这给发电和配电行业保留了希望。氮化镓设备成本估计不会比现行的硅电力设备高，这是氮化硅设备的一个优势。然而，现在还太早不能验证此类设备如何适用到电力电子和电机驱动器上。异质结构的氮化镓FET正在开发阶段但主要是为无线电行业使用。可能还要过几年才能研究出在电机驱动器上使用的细节。

尽管碳化硅和氮化镓设备都能在高温高频下工作，但不要忘了这些设备的开关辅助电路也必须能在高温环境下工作。因此，还需处理这些领域

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的问题。

4.3 永磁电机驱动器

永磁（PM）电机在电梯和水泵等工业场合越来越流行。住宅市场将很快在抽水泵，井水，和高压交流电中采用电机驱动器。所有这些场合永磁电机都适用。这些场合中许多都不需要严格的位置控制，也不需要向伺服那样的高性能。在住宅和其他不精确的应用场合采用这些电机的主要目的是减小尺寸和提高效率。大部分场合需要测器控制能力。包括安川公司在内的驱动器制造商已经推出能在开环情况下控制永磁电机的产品。为了达到可接受的性能，需要精确的掌握一些电机参数。在缺少这些信息的情况下，驱动器需要装配自动调整装置，以精确的确定所需的d 轴和q 轴电感值和电机阻抗等。鉴于通用性驱动器现在采用的微处理器有所改善，这项任务相对简单了。然而，挑战在于不采用高端处理器就解决这些问题。

高性能的具有编码器的永磁电机驱动器能很容易做到如果同性能的无编码器的驱动器能实现。IPM（嵌入式永磁）电机更适于测器控制。在2006年4月一个由安川公司设计的测器控制的IPM电机驱动的交通机器人在在北九州国际机场使用。此电机为满足机器人的应用需求而细心设计使其更易于基于凸极的测器控制（无传感器控制）。当机器人的速度从零到最大值变化时，许多轮电机的速度和位置是由驱动器放大器和一个信号动作控制器控制的。有两种机器人，一种是两轮差分驱动，另一种是全方位驱动，

电机与电器学科最新发展动态 被用来运输人和货物。机器人中使用的无传感器技术向电机中注入高频信号以检测电机内部磁极的位置然后跟踪磁极旋转。此项应用目的是为了帮助机场和超市的治安保卫人员，并能协助机场范围内的包裹运输。图20为这样的两轮运货车的照片，轮子内的实际电机如图21所示。在九州国际机场试用时，两轮差分驱动型是由人驾驶的，全方位驱动型在一个距离25米的轨道上自动控制。机器人（后者）的绝对位置可以由激光范围探测器更正，这是在考虑了运载货物需要精确位置信息而且轮胎又会在抛光面上打滑这一情况之后改进的。

键。能减少灰尘污染风险的自动晶圆处理系统总是采用线性电机。现代半导体制造机器很大并需要相对较长冲程的线性电机以完成高效晶圆运输。高效晶圆运输技术对提高生产能力很重要。

有两种类型的永磁同步线性电机，动磁式类型和动圈式类型。动磁式类型（MM）的磁场在移动而动圈式类型（MC）线圈在移动。在动磁式类型中，线圈中的损耗随着冲程的增长而增加，因此不适于长途运输场合。另一方面，在动圈式类型线性电机系统中，需要大量的高价磁极沿整个冲程长度的导轨分布，这使得系统造价十分昂贵。

最近，动磁式类型线性电机驱动系统在长冲程领域的应用有了一些发展。在发展中，整个机体被分割成许多小部分。每一部分由一个独立的伺服放大器来驱动。在这个结构中，线圈中的损失减少，因为仅有需要推力那部分需要通电。然而，由于需要很

多专用的伺服放大器，所以系统很昂贵。此外，还需要有一个全局控制器来协调处理不同部分的激励，因此使系统复杂贵重。

安川公司的工程师发明了一种新奇的方法：在配有用于旋转电机的电线圈变换的前提下把动磁式类型线性电机应用于长冲程场合如图22和图23

4.4 线性电机

高效晶圆传输技术是不断增长的半导体制造业实现更高生产能力的关

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所示。

安川公司采用了分段核心结构及其他结构以制造高性能的伺服电机。和传统绕线结构相比这改善了线圈密

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