淺談改善變頻器性能的若干技術(shù)

1 引言

目前我國變頻器生產(chǎn)廠家所生產(chǎn)的變頻器大都是采用普通的V/f控制方式，只有為數(shù)不多的幾家對外宣稱采用了基于無速度的矢量控制技術(shù)。在國外品牌中基本上已經(jīng)到了開環(huán)、閉環(huán)、無速度控制三位一體的控制思想，尤其值得關(guān)注的是ABB公司的DTC控制方法在產(chǎn)品中已經(jīng)有成功的應(yīng)用。國內(nèi)學(xué)術(shù)界的變頻調(diào)速系統(tǒng)的研究方面已經(jīng)做了很多相應(yīng)的工作，取的了一定的成果，但是相對于國外來說工程化的實踐和積累還有一定的差距。如果將理論化的知識轉(zhuǎn)化到我國現(xiàn)有工業(yè)化產(chǎn)品實踐，提高我國變頻調(diào)速產(chǎn)品的性能和質(zhì)量，是一個比較迫切的值得研究的問題。本文試圖從控制策略和調(diào)制技術(shù)兩個方面對目前的V/f控制和實現(xiàn)技術(shù)進行比較說明，供大家交流和探討。 通常V/f變頻器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是控制、調(diào)制、主回路三個部分組成，其中控制部分和脈寬調(diào)制部分全部由軟件算法實現(xiàn)。這種控制方法是針對交流電機穩(wěn)態(tài)模型得出的，不依賴電機參數(shù)及其變化，因而控制簡單，容易實現(xiàn)。但是調(diào)速范圍比較窄，僅適應(yīng)于風(fēng)機、水泵等對調(diào)速性能要求不高的負載。為了提高系統(tǒng)低速時候的帶載能力和系統(tǒng)的動態(tài)性能，滿足實際工業(yè)現(xiàn)場的需要，必須對現(xiàn)有的控制方法和脈寬調(diào)制策略進行相應(yīng)的改進和提高。下面針對其中幾個關(guān)鍵的技術(shù)分別進行討論。

2 控制策略中的若干技術(shù)

2.1 補償技術(shù)

補償技術(shù)在開環(huán)控制中是不可少的。它包括力矩補償、滑差補償和死區(qū)效應(yīng)補償。在低頻時定子電阻的壓降相對于變頻器輸出來說已經(jīng)不能忽略，必須進行補償，否則輸出電壓不夠，電機在低頻時不動或者轉(zhuǎn)速明顯下降?；钛a償主要是針對電機在負載較大時實際輸出轉(zhuǎn)速會低于設(shè)定的轉(zhuǎn)速而設(shè)計。這兩種補償方法在實際中可以采用簡單的固定值進行補償，改進的方法利用三相電機電流進行計算補償，不過只是根據(jù)電流幅值的補償，實際上該方法是標量補償；更為精確的補償方法是將三相電機交流電流進行矢量分解，同時將電機的損耗參與計算，這樣的補償效果更好。但是這種方法計算比較復(fù)雜，同時對電機的部分參數(shù)有一定的依賴性，在實現(xiàn)過程中存在一些困難。 死區(qū)效應(yīng)補償技術(shù)在開環(huán)控制中占有很重要的作用，它能有效的提高輸出電流波形的平滑度和減少諧波，同時能夠提高輸出電壓的有效值和減少電機電流的震蕩。特別是在要求靜音的環(huán)境下，人為的提高載波頻率，如果沒有死區(qū)補償，在低頻時電機即使空載也可能不能運行。目前比較常用的死區(qū)補償技術(shù)有電流過零點直接補償法，基于定子磁場定向的電流分解方法，死區(qū)電壓脈沖寬度補償方法，無電流傳感器的死區(qū)時間預(yù)測補償方法等。電流過零點判斷的補償方法簡單易于實現(xiàn)，但是由于電流波形中噪聲成分大，同時負載的波動和外界的任何干擾都會引起過零點的判斷失誤，過零點有一個死區(qū)平臺影響低頻補償效果，特別是載波頻率比較高時尤為顯著。基于定子磁場定向的方法不直接判斷電流過零點，而是將定子電流在旋轉(zhuǎn)坐標系中分解得到電流矢量角和死區(qū)電壓矢量之間的關(guān)系進行相應(yīng)的補償，如果該方法和死區(qū)電壓脈沖寬度補償相結(jié)合，效果更為突出。相位角預(yù)測的死區(qū)時間補償方法是一種省掉電流傳感器的固定補償方法，該方法首先對電流相位角進行預(yù)測，然后對死區(qū)時間做出相應(yīng)的補償，預(yù)測的角度可以根據(jù)變頻器輸出容量的不同在軟件中設(shè)置，或者由外部修改設(shè)定。該方法的優(yōu)點是可以省掉電流傳感器，降低成本和系統(tǒng)體積，但是補償沒有根據(jù)外部負載變化而相應(yīng)調(diào)整，因而精度和動態(tài)性能也會相應(yīng)的降低。

　　2.2 電流震蕩抑制技術(shù)

　　交流電機在PWM方式供電的條件下在電機輕載或者空載的時候由于某些原因電機會在一個比較寬的頻率段系統(tǒng)會出現(xiàn)局部不穩(wěn)定現(xiàn)象，這時電流幅度值波動很大，輸出頻率也會有一定改變，電流的震蕩有可能會導(dǎo)致系統(tǒng)因為過電流而誤觸發(fā)報警，使系統(tǒng)不能穩(wěn)定可靠的工作。引起震蕩的原因是多方面的，比較普通的觀點是電機和變頻器在能量交換過程中引起的，它的出現(xiàn)也和死區(qū)效應(yīng)有很大的關(guān)系。對死區(qū)效應(yīng)進行補償后可以有效的減少震蕩的幅度，但是還不能從根本上抑制震蕩。一種有效的方法是當(dāng)震蕩發(fā)生時，相應(yīng)改變實際輸出的頻率或者電壓，通過電流形成一個簡單的負反饋系統(tǒng)，達到抑制震蕩的目的。但是這種方法也是有一定的局限性。由于不同電機的震蕩頻率范圍是不一樣的，從5Hz～30Hz左右變化，而采用電流的幅值控制，只是一個標量，這就使得控制的效果不佳，系統(tǒng)的魯棒性降低。如果將定子電流進行分解，直接控制影響能量交換的磁通勵磁電流分量，抑制效果就會有較大的提高。更為精確有效的方法是采用智能控制的方法，但是算法復(fù)雜，在復(fù)雜的V/f控制平臺上實現(xiàn)比較困難。

2.3 簡單磁通矢量控制方法

普通的V/f控制是建立在穩(wěn)態(tài)電機模型上的，忽略了定子電阻壓降，因而對電機動態(tài)過程中的狀態(tài)不能控制，由于是開環(huán)控制，對負載的波動或者電機參數(shù)變化不敏感，動態(tài)性能不高。簡單磁通矢量控制方法是在普通V/f控制的基礎(chǔ)上對電機電流進行了控制，具體表現(xiàn)在通過把變頻器輸出的電流進行矢量分解計算得到力矩電流分量和勵磁電流分量，然后調(diào)節(jié)電壓使電機電流和負載力矩相匹配，從而改善低速力矩特性。該方法在6Hz時可以提供200%的額定力矩。矢量計算所用到的一些電機參數(shù)預(yù)先存放在控制器的RAM中，針對某一型號電機這些參數(shù)基本上是常數(shù)。

2.4 基于無速度傳感器的矢量控制技術(shù)

對于高性能的交流調(diào)速控制系統(tǒng)，速度閉環(huán)是必不可少的，轉(zhuǎn)速閉環(huán)需要實時的電機轉(zhuǎn)速，目前速度反饋量的檢測多是采用光電脈沖編碼器、旋轉(zhuǎn)變壓器或測速發(fā)電機。速度傳感器價格比較昂貴，明顯增加了系統(tǒng)的硬件成本；對環(huán)境的適應(yīng)能力不強，不利于使用在高溫或者振動的場合；信號傳輸距離受到限制不能在長距離的線路中可靠的工作。因此研究無速度傳感器交流調(diào)速系統(tǒng)，對提高系統(tǒng)的可靠性、環(huán)境的適應(yīng)性、進一步擴大交流調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用范圍具有重要意義，已經(jīng)成為國內(nèi)外學(xué)術(shù)界和工程界近年來的研究熱點。 無速度傳感器控制的最終目的是同時對電動機轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)子磁鏈以及電動機參數(shù)進行精確的估記。對電機轉(zhuǎn)速和磁鏈的估算方法有好多種，基于理想模型的觀測和估計方法有：開環(huán)磁鏈估算和帶補償?shù)拇沛湽浪?；模型參考自適應(yīng)法（MRAS）；閉環(huán)觀測器法?；诜抢硐胩匦缘姆椒ㄓ校豪谬X諧波信號的轉(zhuǎn)速辨識方法；旋轉(zhuǎn)高頻注入轉(zhuǎn)子凸極檢測法；漏感脈動檢測法；dq阻抗差異定向法；飽和凸極檢測方法；對電機參數(shù)的檢測有離線式檢測和在線式檢測兩種方法。 無速度傳感器矢量控制技術(shù)在實現(xiàn)中有幾個特別值得關(guān)注的方面它們對系統(tǒng)控制性能和控制精度有著十分重要的影響。這幾個方面是：

（1） 電流及電壓信號的檢測和信號處理技術(shù) 其中信號的處理技術(shù)主要是對檢測到的電流電壓信號如何進行有效精度的濾波，既能重現(xiàn)有效信號同時不產(chǎn)生幅值衰減和相位滯后。比較實用的方法有簡化的擴展卡爾曼濾波器，形態(tài)濾波器等。

（2） 定子電阻的在線調(diào)整問題 定子電阻阻值在電機運行時隨著溫度升高有很大的變化，最大變化可以達到額定值的150%，如何在運行中在線檢測定子電阻，同時調(diào)整相應(yīng)的控制量，對系統(tǒng)性能的影響是很重要的。

（3） 死區(qū)效應(yīng)的補償技術(shù)

（4） 建立精確的動態(tài)電機模型問題 在線或者離線測得的電機參數(shù)只是在某一時刻得到的，如果參數(shù)在運行中 發(fā)生變化，電機的模型也應(yīng)該相應(yīng)的改變，以達到最佳的控制效果。目前實用研究中使用的較多的是模型參考自適應(yīng)的方法。

（5） 逆變器模型的重構(gòu)問題 這個技術(shù)主要是針對在極限情況下0Hz運行時提出的。這種情況下功率器件的飽和壓降和集電極電流的時間關(guān)系都要加以考慮。

3 PWM調(diào)制策略的若干技術(shù)

早期的PWM調(diào)制方法基本上是通過硬件電路模擬產(chǎn)生，主要以正弦波脈寬調(diào)制為主，后來發(fā)展到模擬和數(shù)字電路混合控制，當(dāng)前的調(diào)制技術(shù)基本上是通過軟件算法直接實現(xiàn)的，軟件實現(xiàn)有著非常明顯的優(yōu)勢：程序編寫靈活，修改方便，在相同的硬件條件下可以實現(xiàn)多種調(diào)制策略，