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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(jìn)行調(diào)速的同時(shí)，又要保證電動機(jī)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,。V/f控制變頻器結(jié)構(gòu)非常簡單，但是這種變頻器采用開環(huán)控制方式,，不能達(dá)到較高的控制性能,，而且,，在低頻時(shí)，必須進(jìn)行轉(zhuǎn)矩補(bǔ)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(jī)的實(shí)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(jī)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(shí)還加有電流反饋,，對頻率和電流進(jìn)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(fù)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(biāo)電路控制電動機(jī)定子電流的大小和相位,，以達(dá)到對電動機(jī)在d,、q、0坐標(biāo)軸系中的勵(lì)磁電流和轉(zhuǎn)矩電流分別進(jìn)行控制,，進(jìn)而達(dá)到控制電動機(jī)轉(zhuǎn)矩的目的,。通過控制各矢量的作用順序和時(shí)間以及零矢量的作用時(shí)間，又可以形成各種PWM波,，達(dá)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(shí)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(biāo)變換對電動機(jī)定子電流的相位進(jìn)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(jī)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(biāo)變換處理分別對勵(lì)磁電流和轉(zhuǎn)矩電流進(jìn)行控制,，然后通過控制電動機(jī)定子繞組上的電壓,、電流辨識轉(zhuǎn)速以達(dá)到控制勵(lì)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(jì)算比較復(fù)雜,，一般需要專門的處理器來進(jìn)行計(jì)算，因此,，實(shí)時(shí)性不是太理想,，控制精度受到計(jì)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(biāo)的概念,，在定子坐標(biāo)系下分析交流電動機(jī)的數(shù)學(xué)模型,，控制電動機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩，通過檢測定子電阻來達(dá)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(jì)算,，系統(tǒng)直觀、簡潔,，計(jì)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(fù)荷平衡功能,。 (5) 最優(yōu)控制 最優(yōu)控制在實(shí)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(gè)控制要求進(jìn)行個(gè)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(shí)間分段控制和相位平移控制兩種策略，以實(shí)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(shí)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(shí)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(jìn)行比較復(fù)雜的系統(tǒng)控制,，這時(shí)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(jìn)行控制,。而且神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制方式可以同時(shí)控制多個(gè)變頻器，因此在多個(gè)變頻器級聯(lián)時(shí)進(jìn)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(shí)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(jī)的升速時(shí)間得到控制,，以避免升速過快對電機(jī)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(yàn)進(jìn)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(gè)專家?guī)?，存放一定的專家信息，另外還要有推理機(jī)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(jī)制的設(shè)計(jì)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(gè)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(gè)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(shí)需要實(shí)現(xiàn)超前環(huán)節(jié),，這用模擬器件是無法實(shí)現(xiàn)的，同時(shí),，學(xué)習(xí)控制還涉及到一個(gè)穩(wěn)定性的問題,，在應(yīng)用時(shí)要特別注意,。 3 變頻器控制的展望 隨著電力電子技術(shù),、微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)等高新技術(shù)的發(fā)展,，變頻器的控制方式今后將向以下幾個(gè)方面發(fā)展,。 (1) 數(shù)字控制變頻器的實(shí)現(xiàn) 現(xiàn)在,，變頻器的控制方式用數(shù)字處理器可以實(shí)現(xiàn)比較復(fù)雜的運(yùn)算，變頻器數(shù)字化將是一個(gè)重要的發(fā)展方向,，目前進(jìn)行變頻器數(shù)字化主要采用單片機(jī)MCS51或80C196MC等,，輔助以SLE4520或EPLD液晶顯示器等來實(shí)現(xiàn)更加完善的控制性能。 (2) 多種控制方式的結(jié)合 單一的控制方式有著各自的優(yōu)缺點(diǎn),，并沒有“萬能”的控制方式,，在有些控制場合，需要將一些控制方式結(jié)合起來,，例如將學(xué)習(xí)控制與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制相結(jié)合,，自適應(yīng)控制與模糊控制相結(jié)合，直接轉(zhuǎn)矩控制與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制相結(jié)合,，或者稱之為“混合控制”,，這樣取長補(bǔ)短，控制效果將會更好,。 (3) 遠(yuǎn)程控制的實(shí)現(xiàn) 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展,，使“天涯若咫尺”，依靠計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)對變頻器進(jìn)行遠(yuǎn)程控制也是一個(gè)發(fā)展方向,。通過RS485接口及一些網(wǎng)絡(luò)協(xié)議對變頻器進(jìn)行遠(yuǎn)程控制,，這樣在有些不適合于人類進(jìn)行現(xiàn)場操作的場合，也可以很容易的實(shí)現(xiàn)控制目標(biāo),。 (4) 綠色變頻器 隨著可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的提出,，對于環(huán)境的保護(hù)越來越受到人們的重視。變頻器產(chǎn)生的高次諧波對電網(wǎng)會帶來污染,，降低變頻器工作時(shí)的噪聲以及增強(qiáng)其工作的可靠性,、安全性等等這些問題，都試圖通過采取合適的控制方式來解決,，設(shè)計(jì)出綠色變頻器,。 4 結(jié)束語 變頻器的控制方式是一個(gè)值得研究的問題，依靠致力于這項(xiàng)工作的有識之士的共同努力,，使國產(chǎn)變頻器早日走向世界市場并且成為一流的產(chǎn)品,。 二、變頻器控制方式 低壓通用變頻輸出電壓為380～650V,，輸出功率為0.75～400kW,，工作頻率為0～400Hz，它的主電路都采用交直交電路,。其控制方式經(jīng)歷了以下四代,。 1、U/f=C的正弦脈寬調(diào)制（SPWM）控制方式 其特點(diǎn)是控制電路結(jié)構(gòu)簡單、成本較低,，機(jī)械特性硬度也較好,，能夠滿足一般傳動的平滑調(diào)速要求，已在產(chǎn)業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用,。但是,，這種控制方式在低頻時(shí)，由于輸出電壓較低,，轉(zhuǎn)矩受定子電阻壓降的影響比較顯著,，使輸出最大轉(zhuǎn)矩減小。另外,，其機(jī)械特性終究沒有直流電動機(jī)硬,，動態(tài)轉(zhuǎn)矩能力和靜態(tài)調(diào)速性能都還不盡如人意，且系統(tǒng)性能不高,、控制曲線會隨負(fù)載的變化而變化,，轉(zhuǎn)矩響應(yīng)慢、電機(jī)轉(zhuǎn)矩利用率不高,，低速時(shí)因定子電阻和逆變器死區(qū)效應(yīng)的存在而性能下降,，穩(wěn)定性變差等。因此人們又研究出矢量控制變頻調(diào)速,。 2,、電壓空間矢量（SVPWM）控制方式 它是以三相波形整體生成效果為前提，以逼近電機(jī)氣隙的理想圓形旋轉(zhuǎn)磁場軌跡為目的,，一次生成三相調(diào)制波形,，以內(nèi)切多邊形逼近圓的方式進(jìn)行控制的。經(jīng)實(shí)踐使用后又有所改進(jìn),，即引入頻率補(bǔ)償,，能消除速度控制的誤差；通過反饋估算磁鏈幅值,，消除低速時(shí)定子電阻的影響,；將輸出電壓、電流閉環(huán),，以提高動態(tài)的精度和穩(wěn)定度,。但控制電路環(huán)節(jié)較多，且沒有引入轉(zhuǎn)矩的調(diào)節(jié),，所以系統(tǒng)性能沒有得到根本改善,。 3、矢量控制（VC）方式 矢量控制變頻調(diào)速的做法是將異步電動機(jī)在三相坐標(biāo)系下的定子電流Ia,、Ib,、Ic,、通過三相－二相變換，等效成兩相靜止坐標(biāo)系下的交流電流Ia1Ib1,，再通過按轉(zhuǎn)子磁場定向旋轉(zhuǎn)變換,，等效成同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的直流電流Im1,、It1（Im1相當(dāng)于直流電動機(jī)的勵(lì)磁電流,；It1相當(dāng)于與轉(zhuǎn)矩成正比的電樞電流），然后模仿直流電動機(jī)的控制方法,，求得直流電動機(jī)的控制量,，經(jīng)過相應(yīng)的坐標(biāo)反變換，實(shí)現(xiàn)對異步電動機(jī)的控制,。其實(shí)質(zhì)是將交流電動機(jī)等效為直流電動機(jī),，分別對速度，磁場兩個(gè)分量進(jìn)行獨(dú)立控制,。通過控制轉(zhuǎn)子磁鏈,，然后分解定子電流而獲得轉(zhuǎn)矩和磁場兩個(gè)分量，經(jīng)坐標(biāo)變換,，實(shí)現(xiàn)正交或解耦控制,。矢量控制方法的提出具有劃時(shí)代的意義。然而在實(shí)際應(yīng)用中,，由于轉(zhuǎn)子磁鏈難以準(zhǔn)確觀測,，系統(tǒng)特性受電動機(jī)參數(shù)的影響較大，且在等效直流電動機(jī)控制過程中所用矢量旋轉(zhuǎn)變換較復(fù)雜,，使得實(shí)際的控制效果難以達(dá)到理想分析的結(jié)果,。 4、直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC）方式 1985年,，德國魯爾大學(xué)的DePenbrock教授首次提出了直接轉(zhuǎn)矩控制變頻技術(shù),。該技術(shù)在很大程度上解決了上述矢量控制的不足，并以新穎的控制思想,、簡潔明了的系統(tǒng)結(jié)構(gòu),、優(yōu)良的動靜態(tài)性能得到了迅速發(fā)展。目前,，該技術(shù)已成功地應(yīng)用在電力機(jī)車牽引的大功率交流傳動上,。直接轉(zhuǎn)矩控制直接在定子坐標(biāo)系下分析交流電動機(jī)的數(shù)學(xué)模型，控制電動機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩,。它不需要將交流電動機(jī)等效為直流電動機(jī),，因而省去了矢量旋轉(zhuǎn)變換中的許多復(fù)雜計(jì)算；它不需要模仿直流電動機(jī)的控制,，也不需要為解耦而簡化交流電動機(jī)的數(shù)學(xué)模型,。 5,、矩陣式交—交控制方式 VVVF變頻、矢量控制變頻,、直接轉(zhuǎn)矩控制變頻都是交－直－交變頻中的一種,。其共同缺點(diǎn)是輸入功率因數(shù)低，諧波電流大,，直流電路需要大的儲能電容,，再生能量又不能反饋回電網(wǎng)，即不能進(jìn)行四象限運(yùn)行,。為此,，矩陣式交－交變頻應(yīng)運(yùn)而生。由于矩陣式交－交變頻省去了中間直流環(huán)節(jié),，從而省去了體積大,、價(jià)格貴的電解電容。它能實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)為l,，輸入電流為正弦且能四象限運(yùn)行,，系統(tǒng)的功率密度大。該技術(shù)目前雖尚未成熟,，但仍吸引著眾多的學(xué)者深入研究,。其實(shí)質(zhì)不是間接的控制電流、磁鏈等量,，而是把轉(zhuǎn)矩直接作為被控制量來實(shí)現(xiàn)的,。具體方法是： · 控制定子磁鏈引入定子磁鏈觀測器，實(shí)現(xiàn)無速度傳感器方式,； · 自動識別（ID）依靠精確的電機(jī)數(shù)學(xué)模型,，對電機(jī)參數(shù)自動識別； · 算出實(shí)際值對應(yīng)定子阻抗,、互感,、磁飽和因素、慣量等算出實(shí)際的轉(zhuǎn)矩,、定子磁鏈,、轉(zhuǎn)子速度進(jìn)行實(shí)時(shí)控制； · 實(shí)現(xiàn)BandBand控制按磁鏈和轉(zhuǎn)矩的Band－Band控制產(chǎn)生PWM信號,，對逆變器開關(guān)狀態(tài)進(jìn)行控制,。 矩陣式交交變頻具有快速的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)（<2ms），很高的速度精度（±2％,，無PG反饋）,，高轉(zhuǎn)矩精度（<＋3％）；同時(shí)還具有較高的起動轉(zhuǎn)矩及高轉(zhuǎn)矩精度,，尤其在低速時(shí)（包括0速度時(shí)）,，可輸出150％～200％轉(zhuǎn)矩,。 三、變頻器控制方式的合理選用 控制方式是決定變頻器使用性能的關(guān)鍵所在,。目前市場上低壓通用變頻器品牌很多,，包括歐、美,、日及國產(chǎn)的共約50多種,。選用變頻器時(shí)不要認(rèn)為檔次越高越好，而要按負(fù)載的特性,，以滿足使用要求為準(zhǔn),，以便做到量才使用,、經(jīng)濟(jì)實(shí)惠,。表1中所列參數(shù)供選用時(shí)參考。 四,、轉(zhuǎn)矩控制型變頻器的選型及相關(guān)問題 在推出PWM磁通矢量控制的變頻器數(shù)年后,，1998年末又出現(xiàn)采用DTC控制技術(shù)的變頻器。ABB公司的ACS600系列是第一代采用DTC技術(shù)的變頻器,，它能夠用開環(huán)方式對轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩進(jìn)行準(zhǔn)確控制,，而且動態(tài)和靜態(tài)指標(biāo)已優(yōu)于PWM閉環(huán)控制指標(biāo)。直接轉(zhuǎn)矩控制以測量電機(jī)電流和直流電壓作為自適應(yīng)電機(jī)模型的輸入,。該模型每隔25μs產(chǎn)生一組精確的轉(zhuǎn)矩和磁通實(shí)際值,，轉(zhuǎn)矩比較器和磁通比較器將轉(zhuǎn)矩和磁通的實(shí)際值與轉(zhuǎn)矩和磁通的給定值進(jìn)行比較，以確定最佳開關(guān)位置,。由此可以看出它是通過對轉(zhuǎn)矩和磁通的測量,，即刻調(diào)整逆變電路的開關(guān)狀態(tài)，進(jìn)而調(diào)整電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和磁通,，以達(dá)到精確控制的目的,。 1、選型原則 首先要根據(jù)機(jī)械對轉(zhuǎn)速(最高,、最低)和轉(zhuǎn)矩(起動,、連續(xù)及過載)的要求，確定機(jī)械要求的最大輸入功率(即電機(jī)的額定功率最小值),。有經(jīng)驗(yàn)公式 P=nT/9950(kW) 式中：P——機(jī)械要求的輸入功率(kW),；n——機(jī)械轉(zhuǎn)速(r/min)；T——機(jī)械的最大轉(zhuǎn)矩(N·m),。 然后,，選擇電機(jī)的極數(shù)和額定功率。電機(jī)的極數(shù)決定了同步轉(zhuǎn)速,，要求電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速盡可能地覆蓋整個(gè)調(diào)速范圍,，使連續(xù)負(fù)載容量高一些,。為了充分利用設(shè)備潛能，避免浪費(fèi),，可允許電機(jī)短時(shí)超出同步轉(zhuǎn)速,，但必須小于電機(jī)允許的最大轉(zhuǎn)速。轉(zhuǎn)矩取設(shè)備在起動,、連續(xù)運(yùn)行,、過載或最高轉(zhuǎn)速等狀態(tài)下的最大轉(zhuǎn)矩。最后,，根據(jù)變頻器輸出功率和額定電流稍大于電機(jī)的功率和額定電流的原則來確定變頻器的參數(shù)與型號,。需要注意的是，變頻器的額定容量及參數(shù)是針對一定的海拔高度和環(huán)境溫度而標(biāo)出的,，一般指海拔1000m以下,，溫度在40℃或25℃以下。若使用環(huán)境超出該規(guī)定,，則在確定變頻器參數(shù),、型號時(shí)要考慮到環(huán)境造成的降容因素。 2,、變頻器的外部配置及應(yīng)注意的問題 （ 1）選擇合適的外部熔斷器,，以避免因內(nèi)部短路對整流器件的損壞變頻器的型號確定后，若變頻器內(nèi)部整流電路前沒有保護(hù)硅器件的快速熔斷器,，變頻器與電源之間應(yīng)配置符合要求的熔斷器和隔離開關(guān),，不能用空氣斷路器代替熔斷器和隔離開關(guān)。 （ 2）選擇變頻器的引入和引出電纜根據(jù)變頻器的功率選擇導(dǎo)線截面合適的三芯或四芯屏蔽動力電纜,。尤其是從變頻器到電機(jī)之間的動力電纜一定要選用屏蔽結(jié)構(gòu)的電纜,，且要盡可能短，這樣可降低電磁輻射和容性漏電流,。當(dāng)電纜長度超過變頻器所允許的輸出電纜長度時(shí),，電纜的雜散電容將影響變頻器的正常工作，為此要配置輸出電抗器,。對于控制電纜,，尤其是I/0信號電纜也要用屏蔽結(jié)構(gòu)的。對于變頻器的外圍元件與變頻器之間的連接電纜其長度不得超過10m,。 （ 3）在輸入側(cè)裝交流電抗器或EMC濾波器根據(jù)變頻器安裝場所的其它設(shè)備對電網(wǎng)品質(zhì)的要求,，若變頻器工作時(shí)已影響到這些設(shè)備的正常運(yùn)行，可在變頻器輸入側(cè)裝交流電抗器或EMC濾波器,，抑制由功率器件通斷引起的電磁干擾,。若與變頻器連接的電網(wǎng)的變壓器中性點(diǎn)不接地，則不能選用EMC濾波器,。當(dāng)變頻器用500V以上電壓驅(qū)動電機(jī)時(shí),，需在輸出側(cè)配置du/dt濾波器,，以抑制逆變輸出電壓尖峰和電壓的變化，有利于保護(hù)電機(jī),，同時(shí)也降低了容性漏電流和電機(jī)電纜的高頻輻射,，以及電機(jī)的高頻損耗和軸承電流。使用du/dt濾波器時(shí)要注意濾波器上的電壓降將引起電機(jī)轉(zhuǎn)矩的稍微降低,；變頻器與濾波器之間電纜長度不得超過3m,。 |
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