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(duì)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(duì)于國外來說工程化的實(shí)踐和積累還有一定的差距。如果將理論化的知識(shí)轉(zhuǎn)化到我國現(xiàn)有工業(yè)化產(chǎn)品實(shí)踐，提高我國變頻調(diào)速產(chǎn)品的性能和質(zhì)量，是一個(gè)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(gè)方面對(duì)目前的V/f控制和實(shí)現(xiàn)技術(shù)進(jìn)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(gè)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(shí)現(xiàn)。這種控制方法是針對(duì)交流電機(jī)穩(wěn)態(tài)模型得出的，不依賴電機(jī)參數(shù)及其變化，因而控制簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)。但是調(diào)速范圍比較窄，僅適應(yīng)于風(fēng)機(jī)、水泵等對(duì)調(diào)速性能要求不高的負(fù)載。為了提高系統(tǒng)低速時(shí)候的帶載能力和系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，滿足實(shí)際工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的需要，必須對(duì)現(xiàn)有的控制方法和脈寬調(diào)制策略進(jìn)行相應(yīng)的改進(jìn)和提高。下面針對(duì)其中幾個(gè)關(guān)鍵的技術(shù)分別進(jìn)行討論。

2 控制策略中的若干技術(shù)

2.1 補(bǔ)償技術(shù)

補(bǔ)償技術(shù)在開環(huán)控制中是不可少的。它包括力矩補(bǔ)償、滑差補(bǔ)償和死區(qū)效應(yīng)補(bǔ)償。在低頻時(shí)定子電阻的壓降相對(duì)于變頻器輸出來說已經(jīng)不能忽略，必須進(jìn)行補(bǔ)償，否則輸出電壓不夠，電機(jī)在低頻時(shí)不動(dòng)或者轉(zhuǎn)速明顯下降。滑差補(bǔ)償主要是針對(duì)電機(jī)在負(fù)載較大時(shí)實(shí)際輸出轉(zhuǎn)速會(huì)低于設(shè)定的轉(zhuǎn)速而設(shè)計(jì)。這兩種補(bǔ)償方法在實(shí)際中可以采用簡(jiǎn)單的固定值進(jìn)行補(bǔ)償，改進(jìn)的方法利用三相電機(jī)電流進(jìn)行計(jì)算補(bǔ)償，不過只是根據(jù)電流幅值的補(bǔ)償，實(shí)際上該方法是標(biāo)量補(bǔ)償；更為精確的補(bǔ)償方法是將三相電機(jī)交流電流進(jìn)行矢量分解，同時(shí)將電機(jī)的損耗參與計(jì)算，這樣的補(bǔ)償效果更好。但是這種方法計(jì)算比較復(fù)雜，同時(shí)對(duì)電機(jī)的部分參數(shù)有一定的依賴性，在實(shí)現(xiàn)過程中存在一些困難。 死區(qū)效應(yīng)補(bǔ)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(shí)能夠提高輸出電壓的有效值和減少電機(jī)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(bǔ)償，在低頻時(shí)電機(jī)即使空載也可能不能運(yùn)行。目前比較常用的死區(qū)補(bǔ)償技術(shù)有電流過零點(diǎn)直接補(bǔ)償法，基于定子磁場(chǎng)定向的電流分解方法，死區(qū)電壓脈沖寬度補(bǔ)償方法，無電流傳感器的死區(qū)時(shí)間預(yù)測(cè)補(bǔ)償方法等。電流過零點(diǎn)判斷的補(bǔ)償方法簡(jiǎn)單易于實(shí)現(xiàn)，但是由于電流波形中噪聲成分大，同時(shí)負(fù)載的波動(dòng)和外界的任何干擾都會(huì)引起過零點(diǎn)的判斷失誤，過零點(diǎn)有一個(gè)死區(qū)平臺(tái)影響低頻補(bǔ)償效果，特別是載波頻率比較高時(shí)尤為顯著?；诙ㄗ哟艌?chǎng)定向的方法不直接判斷電流過零點(diǎn)，而是將定子電流在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)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(jìn)行相應(yīng)的補(bǔ)償，如果該方法和死區(qū)電壓脈沖寬度補(bǔ)償相結(jié)合，效果更為突出。相位角預(yù)測(cè)的死區(qū)時(shí)間補(bǔ)償方法是一種省掉電流傳感器的固定補(bǔ)償方法，該方法首先對(duì)電流相位角進(jìn)行預(yù)測(cè)，然后對(duì)死區(qū)時(shí)間做出相應(yīng)的補(bǔ)償，預(yù)測(cè)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(diǎn)是可以省掉電流傳感器，降低成本和系統(tǒng)體積，但是補(bǔ)償沒有根據(jù)外部負(fù)載變化而相應(yīng)調(diào)整，因而精度和動(dòng)態(tài)性能也會(huì)相應(yīng)的降低。

　　2.2 電流震蕩抑制技術(shù)

　　交流電機(jī)在PWM方式供電的條件下在電機(jī)輕載或者空載的時(shí)候由于某些原因電機(jī)會(huì)在一個(gè)比較寬的頻率段系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)局部不穩(wěn)定現(xiàn)象，這時(shí)電流幅度值波動(dòng)很大，輸出頻率也會(huì)有一定改變，電流的震蕩有可能會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)因?yàn)檫^電流而誤觸發(fā)報(bào)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(diǎn)是電機(jī)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(duì)死區(qū)效應(yīng)進(jìn)行補(bǔ)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(shí)，相應(yīng)改變實(shí)際輸出的頻率或者電壓，通過電流形成一個(gè)簡(jiǎn)單的負(fù)反饋系統(tǒng)，達(dá)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(jī)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(gè)標(biāo)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(jìn)行分解，直接控制影響能量交換的磁通勵(lì)磁電流分量，抑制效果就會(huì)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(tái)上實(shí)現(xiàn)比較困難。

2.3 簡(jiǎn)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(jī)模型上的，忽略了定子電阻壓降，因而對(duì)電機(jī)動(dòng)態(tài)過程中的狀態(tài)不能控制，由于是開環(huán)控制，對(duì)負(fù)載的波動(dòng)或者電機(jī)參數(shù)變化不敏感，動(dòng)態(tài)性能不高。簡(jiǎn)單磁通矢量控制方法是在普通V/f控制的基礎(chǔ)上對(duì)電機(jī)電流進(jìn)行了控制，具體表現(xiàn)在通過把變頻器輸出的電流進(jìn)行矢量分解計(jì)算得到力矩電流分量和勵(lì)磁電流分量，然后調(diào)節(jié)電壓使電機(jī)電流和負(fù)載力矩相匹配，從而改善低速力矩特性。該方法在6Hz時(shí)可以提供200%的額定力矩。矢量計(jì)算所用到的一些電機(jī)參數(shù)預(yù)先存放在控制器的RAM中，針對(duì)某一型號(hào)電機(jī)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(duì)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(shí)時(shí)的電機(jī)轉(zhuǎn)速，目前速度反饋量的檢測(cè)多是采用光電脈沖編碼器、旋轉(zhuǎn)變壓器或測(cè)速發(fā)電機(jī)。速度傳感器價(jià)格比較昂貴，明顯增加了系統(tǒng)的硬件成本；對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力不強(qiáng)，不利于使用在高溫或者振動(dòng)的場(chǎng)合；信號(hào)傳輸距離受到限制不能在長(zhǎng)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(duì)提高系統(tǒng)的可靠性、環(huán)境的適應(yīng)性、進(jìn)一步擴(kuò)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(diǎn)。 無速度傳感器控制的最終目的是同時(shí)對(duì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)子磁鏈以及電動(dòng)機(jī)參數(shù)進(jìn)行精確的估記。對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速和磁鏈的估算方法有好多種，基于理想模型的觀測(cè)和估計(jì)方法有：開環(huán)磁鏈估算和帶補(bǔ)償?shù)拇沛湽浪悖荒Ｐ蛥⒖甲赃m應(yīng)法（MRAS）；閉環(huán)觀測(cè)器法?；诜抢硐胩匦缘姆椒ㄓ校豪谬X諧波信號(hào)的轉(zhuǎn)速辨識(shí)方法；旋轉(zhuǎn)高頻注入轉(zhuǎn)子凸極檢測(cè)法；漏感脈動(dòng)檢測(cè)法；dq阻抗差異定向法；飽和凸極檢測(cè)方法；對(duì)電機(jī)參數(shù)的檢測(cè)有離線式檢測(cè)和在線式檢測(cè)兩種方法。 無速度傳感器矢量控制技術(shù)在實(shí)現(xiàn)中有幾個(gè)特別值得關(guān)注的方面它們對(duì)系統(tǒng)控制性能和控制精度有著十分重要的影響。這幾個(gè)方面是：

（1） 電流及電壓信號(hào)的檢測(cè)和信號(hào)處理技術(shù) 其中信號(hào)的處理技術(shù)主要是對(duì)檢測(cè)到的電流電壓信號(hào)如何進(jìn)行有效精度的濾波，既能重現(xiàn)有效信號(hào)同時(shí)不產(chǎn)生幅值衰減和相位滯后。比較實(shí)用的方法有簡(jiǎn)化的擴(kuò)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(jī)運(yùn)行時(shí)隨著溫度升高有很大的變化，最大變化可以達(dá)到額定值的150%，如何在運(yùn)行中在線檢測(cè)定子電阻，同時(shí)調(diào)整相應(yīng)的控制量，對(duì)系統(tǒng)性能的影響是很重要的。

（3） 死區(qū)效應(yīng)的補(bǔ)償技術(shù)

（4） 建立精確的動(dòng)態(tài)電機(jī)模型問題 在線或者離線測(cè)得的電機(jī)參數(shù)只是在某一時(shí)刻得到的，如果參數(shù)在運(yùn)行中 發(fā)生變化，電機(jī)的模型也應(yīng)該相應(yīng)的改變，以達(dá)到最佳的控制效果。目前實(shí)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(gè)技術(shù)主要是針對(duì)在極限情況下0Hz運(yùn)行時(shí)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(shí)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(shí)現(xiàn)的，軟件實(shí)現(xiàn)有著非常明顯的優(yōu)勢(shì)：程序編寫靈活，修改方便，在相同的硬件條件下可以實(shí)現(xiàn)多種調(diào)制策略，