變頻器常用的控制方法介紹

1 變頻器簡介
變頻調(diào)速技術(shù)是現(xiàn)代電力傳動技術(shù)的重要發(fā)展方向， 而作為變頻調(diào)速系統(tǒng)的核心 —變頻器的性能也越來越成為調(diào)速性能優(yōu)劣的決定因素， 除了變頻器本身制造工 藝的“先天”條件外，對變頻器采用什么樣的控制方式也是非常重要的。本文從 工業(yè)實際出發(fā)，綜述了近年來各種變頻器控制方式的特點，并展望了今后的發(fā)展 方向。
1.1 變頻器的基本結(jié)構(gòu)
變頻器是把工頻電源(50Hz 或 60Hz)變換成各種頻率的交流電源，以實現(xiàn)電機的 變速運行的設(shè)備，其中控制電路完成對主電路的控制，整流電路將交流電變換成 直流電，直流中間電路對整流電路的輸出進行平滑濾波，逆變電路將直流電再逆 變成交流電。對于如矢量控制變頻器這種需要大量運算的變頻器來說，有時還需 要一個進行轉(zhuǎn)矩計算的 CPU 以及一些相應(yīng)的電路。
1.2 變頻器的分類
變頻器的分類方法有多種，按照主電路工作方式分類，可以分為電壓型變頻器和 電流型變頻器;按照開關(guān)方式分類，可以分為 PAM 控制變頻器、PWM 控制變頻器 和高載頻 PWM 控制變頻器;按照工作原理分類，可以分為 V/f 控制變頻器、轉(zhuǎn)差 頻率控制變頻器和矢量控制變頻器等;按照用途分類，可以分為通用變頻器、高 性能專用變頻器、高頻變頻器、單相變頻器和三相變頻器等。
2 變頻器中常用的控制方式
2.1 非智能控制方式
在交流變頻器中使用的非智能控制方式有 V/f 協(xié)調(diào)控制、轉(zhuǎn)差頻率控制、矢量控 制、直接轉(zhuǎn)矩控制等。
(1) V/f 控制
V/f 控制是為了得到理想的轉(zhuǎn)矩-速度特性，基于在改變電源頻率進行調(diào)速的同 時，又要保證電動機的磁通不變的思想而提出的，通用型變頻器基本上都采用這 種控制方式。 控制變頻器結(jié)構(gòu)非常簡單， V/f 但是這種變頻器采用開環(huán)控制方式， 不能達到較高的控制性能，而且，在低頻時，必須進行轉(zhuǎn)矩補償，以改變低頻轉(zhuǎn) 矩特性。
(2) 轉(zhuǎn)差頻率控制
轉(zhuǎn)差頻率控制是一種直接控制轉(zhuǎn)矩的控制方式，它是在 V/f 控制的基礎(chǔ)上，按照 知道異步電動機的實際轉(zhuǎn)速對應(yīng)的電源頻率， 并根據(jù)希望得到的轉(zhuǎn)矩來調(diào)節(jié)變頻 器的輸出頻率，就可以使電動機具有對應(yīng)的輸出轉(zhuǎn)矩。這種控制方式，在控制系 統(tǒng)中需要安裝速度傳感器， 有時還加有電流反饋， 對頻率和電流進行控制， 因此， 這是一種閉環(huán)控制方式，可以使變頻器具有良好的穩(wěn)定性，并對急速的加減速和 負載變動有良好的響應(yīng)特性。
(3) 矢量控制
矢量控制是通過矢量坐標電路控制電動機定子電流的大小和相位， 以達到對電動 機在 d、q、0 坐標軸系中的勵磁電流和轉(zhuǎn)矩電流分別進行控制，進而達到控制電 動機轉(zhuǎn)矩的目的。通過控制各矢量的作用順序和時間以及零矢量的作用時間，又 可以形成各種 PWM 波，達到各種不同的控制目的。例如形成開關(guān)次數(shù)最少的 PWM 波以減少開關(guān)損耗。 目前在變頻器中實際應(yīng)用的矢量控制方式主要有基于轉(zhuǎn)差頻 率控制的矢量控制方式和無速度傳感器的矢量控制方式兩種。
基于轉(zhuǎn)差頻率的矢量控制方式與轉(zhuǎn)差頻率控制方式兩者的定常特性一致， 但是基
于轉(zhuǎn)差頻率的矢量控制還要經(jīng)過坐標變換對電動機定子電流的相位進行控制， 使 之滿足一定的條件，以消除轉(zhuǎn)矩電流過渡過程中的波動。因此，基于轉(zhuǎn)差頻率的 矢量控制方式比轉(zhuǎn)差頻率控制方式在輸出特性方面能得到很大的改善。但是，這 種控制方式屬于閉環(huán)控制方式，需要在電動機上安裝速度傳感器，因此，應(yīng)用范 圍受到限制。
無速度傳感器矢量控制是通過坐標變換處理分別對勵磁電流和轉(zhuǎn)矩電流進行控 制，然后通過控制電動機定子繞組上的電壓、電流辨識轉(zhuǎn)速以達到控制勵磁電流 和轉(zhuǎn)矩電流的目的。這種控制方式調(diào)速范圍寬，啟動轉(zhuǎn)矩大，工作可靠，操作方 便，但計算比較復(fù)雜，一般需要專門的處理器來進行計算，因此，實時性不是太 理想，控制精度受到計算精度的影響。
(4) 直接轉(zhuǎn)矩控制
直接轉(zhuǎn)矩控制是利用空間矢量坐標的概念， 在定子坐標系下分析交流電動機的數(shù) 學(xué)模型，控制電動機的磁鏈和轉(zhuǎn)矩，通過檢測定子電阻來達到觀測定子磁鏈的目 的，因此省去了矢量控制等復(fù)雜的變換計算，系統(tǒng)直觀、簡潔，計算速度和精度 都比矢量控制方式有所提高。 即使在開環(huán)的狀態(tài)下， 也能輸出 100%的額定轉(zhuǎn)矩， 對于多拖動具有負荷平衡功能。
(5) 最優(yōu)控制
最優(yōu)控制在實際中的應(yīng)用根據(jù)要求的不同而有所不同， 可以根據(jù)最優(yōu)控制的理論 對某一個控制要求進行個別參數(shù)的最優(yōu)化。例如在高壓變頻器的控制應(yīng)用中，就 成功的采用了時間分段控制和相位平移控制兩種策略， 以實現(xiàn)一定條件下的電壓 最優(yōu)波形。
(6)其他非智能控制方式
在實際應(yīng)用中，還有一些非智能控制方式在變頻器的控制中得以實現(xiàn)，例如自適 應(yīng)控制、滑模變結(jié)構(gòu)控制、差頻控制、環(huán)流控制、頻率控制等。
2.2 智能控制方式
智能控制方式主要有神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、模糊控制、專家系統(tǒng)、學(xué)習(xí)控制等。在變頻 器的控制中采用智能控制方式在具體應(yīng)用中有一些成功的范例。
(1) 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制
神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制方式應(yīng)用在變頻器的控制中，一般是進行比較復(fù)雜的系統(tǒng)控制，這 時對于系統(tǒng)的模型了解甚少，因此神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)既要完成系統(tǒng)辨識的功能，又要進行 控制。而且神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制方式可以同時控制多個變頻器，因此在多個變頻器級聯(lián) 時進行控制比較適合。 但是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的層數(shù)太多或者算法過于復(fù)雜都會在具體應(yīng) 用中帶來不少實際困難。
(2) 模糊控制
模糊控制算法用于控制變頻器的電壓和頻率，使電動機的升速時間得到控制，以 避免升速過快對電機使用壽命的影響以及升速過慢影響工作效率。 模糊控制的關(guān) 鍵在于論域、隸屬度以及模糊級別的劃分，這種控制方式尤其適用于多輸入單輸 出的控制系統(tǒng)。
(3) 專家系統(tǒng)
專家系統(tǒng)是利用所謂“專家”的經(jīng)驗進行控制的一種控制方式，因此，專家系統(tǒng) 中一般要建立一個專家?guī)欤娣乓欢ǖ膶＜倚畔?，另外還要有推理機制，以便于 根據(jù)已知信息尋求理想的控制結(jié)果。專家?guī)炫c推理機制的設(shè)計是尤為重要的，關(guān) 系著專家系統(tǒng)控制的優(yōu)劣。應(yīng)用專家系統(tǒng)既可以控制變頻器的電壓，又可以控制 其電流。
(4) 學(xué)習(xí)控制
學(xué)習(xí)控制主要是用于重復(fù)性的輸入，而規(guī)則的 PWM 信號(例如中心調(diào)制 PWM)恰好 滿足這個條件，因此學(xué)習(xí)控制也可用于變頻器的控制中。學(xué)習(xí)控制不需要了解太 多的系統(tǒng)信息，但是需要 1~2 個學(xué)習(xí)周期，因此快速性相對較差，而且，學(xué)習(xí)控 制的算法中有時需要實現(xiàn)超前環(huán)節(jié)，這用模擬器件是無法實現(xiàn)的，同時，學(xué)習(xí)控 制還涉及到一個穩(wěn)定性的問題，在應(yīng)用時要特別注意