變頻器常用的控制方法介紹

1 變頻器簡(jiǎn)介
變頻調速技術(shù)是現代電力傳動(dòng)技術(shù)的重要發(fā)展方向， 而作為變頻調速系統的核心 —變頻器的性能也越來(lái)越成為調速性能優(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(shí)際出發(fā)，綜述了近年來(lái)各種變頻器控制方式的特點(diǎn)，并展望了今后的發(fā)展 方向。
1.1 變頻器的基本結構
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(shí)現電機的 變速運行的設備，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(jìn)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(lái)說(shuō)，有時(shí)還需 要一個(gè)進(jìn)行轉矩計算的 CPU 以及一些相應的電路。
1.2 變頻器的分類(lèi)
變頻器的分類(lèi)方法有多種，按照主電路工作方式分類(lèi)，可以分為電壓型變頻器和 電流型變頻器;按照開(kāi)關(guān)方式分類(lèi)，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(lèi)，可以分為 V/f 控制變頻器、轉差 頻率控制變頻器和矢量控制變頻器等;按照用途分類(lèi)，可以分為通用變頻器、高 性能專(zhuān)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)調控制、轉差頻率控制、矢量控 制、直接轉矩控制等。
(1) V/f 控制
V/f 控制是為了得到理想的轉矩-速度特性，基于在改變電源頻率進(jìn)行調速的同 時(shí)，又要保證電動(dòng)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。 控制變頻器結構非常簡(jiǎn)單， V/f 但是這種變頻器采用開(kāi)環(huán)控制方式， 不能達到較高的控制性能，而且，在低頻時(shí)，必須進(jìn)行轉矩補償，以改變低頻轉 矩特性。
(2) 轉差頻率控制
轉差頻率控制是一種直接控制轉矩的控制方式，它是在 V/f 控制的基礎上，按照 知道異步電動(dòng)機的實(shí)際轉速對應的電源頻率， 并根據希望得到的轉矩來(lái)調節變頻 器的輸出頻率，就可以使電動(dòng)機具有對應的輸出轉矩。這種控制方式，在控制系 統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定性，并對急速的加減速和 負載變動(dòng)有良好的響應特性。
(3) 矢量控制
矢量控制是通過(guò)矢量坐標電路控制電動(dòng)機定子電流的大小和相位， 以達到對電動(dòng) 機在 d、q、0 坐標軸系中的勵磁電流和轉矩電流分別進(jìn)行控制，進(jìn)而達到控制電 動(dòng)機轉矩的目的。通過(guò)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，達到各種不同的控制目的。例如形成開(kāi)關(guān)次數最少的 PWM 波以減少開(kāi)關(guān)損耗。 目前在變頻器中實(shí)際應用的矢量控制方式主要有基于轉差頻 率控制的矢量控制方式和無(wú)速度傳感器的矢量控制方式兩種。
基于轉差頻率的矢量控制方式與轉差頻率控制方式兩者的定常特性一致， 但是基
于轉差頻率的矢量控制還要經(jīng)過(guò)坐標變換對電動(dòng)機定子電流的相位進(jìn)行控制， 使 之滿(mǎn)足一定的條件，以消除轉矩電流過(guò)渡過(guò)程中的波動(dòng)。因此，基于轉差頻率的 矢量控制方式比轉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(dòng)機上安裝速度傳感器，因此，應用范 圍受到限制。
無(wú)速度傳感器矢量控制是通過(guò)坐標變換處理分別對勵磁電流和轉矩電流進(jìn)行控 制，然后通過(guò)控制電動(dòng)機定子繞組上的電壓、電流辨識轉速以達到控制勵磁電流 和轉矩電流的目的。這種控制方式調速范圍寬，啟動(dòng)轉矩大，工作可靠，操作方 便，但計算比較復雜，一般需要專(zhuān)門(mén)的處理器來(lái)進(jìn)行計算，因此，實(shí)時(shí)性不是太 理想，控制精度受到計算精度的影響。
(4) 直接轉矩控制
直接轉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(dòng)機的數 學(xué)模型，控制電動(dòng)機的磁鏈和轉矩，通過(guò)檢測定子電阻來(lái)達到觀(guān)測定子磁鏈的目 的，因此省去了矢量控制等復雜的變換計算，系統直觀(guān)、簡(jiǎn)潔，計算速度和精度 都比矢量控制方式有所提高。 即使在開(kāi)環(huán)的狀態(tài)下， 也能輸出 100%的額定轉矩， 對于多拖動(dòng)具有負荷平衡功能。
(5) 最優(yōu)控制
最優(yōu)控制在實(shí)際中的應用根據要求的不同而有所不同， 可以根據最優(yōu)控制的理論 對某一個(gè)控制要求進(jìn)行個(gè)別參數的最優(yōu)化。例如在高壓變頻器的控制應用中，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，例如自適 應控制、滑模變結構控制、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(zhuān)家系統、學(xué)習控制等。在變頻 器的控制中采用智能控制方式在具體應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 )控制方式應用在變頻器的控制中，一般是進(jìn)行比較復雜的系統控制，這 時(shí)對于系統的模型了解甚少，因此神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )既要完成系統辨識的功能，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 )的層數太多或者算法過(guò)于復雜都會(huì )在具體應 用中帶來(lái)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(dòng)機的升速時(shí)間得到控制，以 避免升速過(guò)快對電機使用壽命的影響以及升速過(guò)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。
(3) 專(zhuān)家系統
專(zhuān)家系統是利用所謂“專(zhuān)家”的經(jīng)驗進(jìn)行控制的一種控制方式，因此，專(zhuān)家系統 中一般要建立一個(gè)專(zhuān)家庫，存放一定的專(zhuān)家信息，另外還要有推理機制，以便于 根據已知信息尋求理想的控制結果。專(zhuān)家庫與推理機制的設計是尤為重要的，關(guān) 系著(zhù)專(zhuān)家系統控制的優(yōu)劣。應用專(zhuān)家系統既可以控制變頻器的電壓，又可以控制 其電流。
(4) 學(xué)習控制
學(xué)習控制主要是用于重復性的輸入，而規則的 PWM 信號(例如中心調制 PWM)恰好 滿(mǎn)足這個(gè)條件，因此學(xué)習控制也可用于變頻器的控制中。學(xué)習控制不需要了解太 多的系統信息，但是需要 1~2 個(gè)學(xué)習周期，因此快速性相對較差，而且，學(xué)習控 制的算法中有時(shí)需要實(shí)現超前環(huán)節，這用模擬器件是無(wú)法實(shí)現的，同時(shí)，學(xué)習控 制還涉及到一個(gè)穩定性的問(wèn)題，在應用時(shí)要特別注意