變頻器基礎講座（四）

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。 變頻器中常用的控制方式： 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協調控制、轉差頻率控制、矢量控制、直接轉矩控制等。 (1) V/f正弦脈寬調制（SPWM）控制方式 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行調速的同時，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。V/f控制變頻器結構非常簡單，但是這種變頻器采用開環控制方式，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，按照知道異步電動機的實際轉速對應的電源頻率，并根據希望得到的轉矩來調節變頻器的輸出頻率，就可以使電動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有良好的響應特性。 (3) 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，以逼近電機氣隙的理想圓形旋轉磁場軌跡為目的，一次生成三相調制波形，以內切多邊形逼近圓的方式進行控制的。經實踐使用后又有所改進，即引入頻率補償，能消除速度控制的誤差；通過反饋估算磁鏈幅值，消除低速時定子電阻的影響；將輸出電壓、電流閉環，以提高動態的精度和穩定度。但控制電路環節較多，且沒有引入轉矩的調節，所以系統性能沒有得到根本改善。 (4) 矢量控制（VC）方式 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矩電流分別進行控制，進而達到控制電動機轉矩的目的。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。例如形成開關次數最少的PWM波以減少開關損耗。目前在變頻器中實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，以消除轉矩電流過渡過程中的波動。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控制方式，需要在電動機上安裝速度傳感器，因此，應用范圍受到限制。 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，啟動轉矩大，工作可靠，操作方便，但計算比較復雜，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。 矢量控制是怎樣使電機具有大的轉矩的？ 1: 轉矩提升 　　 此功能增加變頻器的輸出電壓，以使電機的輸出轉矩和電壓的平方成正比的關系增加，從而改善電機的輸出轉矩。 　　 改善電機低速輸出轉矩不足的技術 　　 使用"矢量控制"，可以使電機在低速,如(無速度傳感器時)1Hz（對4極電機，其轉速大約為30r/min）時的輸出轉矩可以達到電機在50Hz供電輸出的轉矩（最大約為額定轉矩的150％）。 　　 對于常規的V/F控制，電機的電壓降隨著電機速度的降低而相對增加，這就導致由于勵磁不足，而使電機不能獲得足夠的旋轉力。為了補償這個不足，變頻器中需要通過提高電壓，來補償電機速度降低而引起的電壓降。變頻器的這個功能叫做"轉矩提升"（*1）。 　　 轉矩提升功能是提高變頻器的輸出電壓。然而即使提高很多輸出電壓，電機轉矩并不能和其電流相對應的提高。 因為電機電流包含電機產生的轉矩分量和其它分量（如勵磁分量）。 　　 "矢量控制"把電機的電流值進行分配，從而確定產生轉矩的電機電流分量和其它電流分量（如勵磁分量）的數值。 　　 "矢量控制"可以通過對電機端的電壓降的響應，進行優化補償，在不增加電流的情況下，允許電機產出大的轉矩。此功能對改善電機低速時溫升也有效。 (5) 直接轉矩控制（DTC）方式 1985年，德國魯爾大學的DePenbrock教授首次提出了直接轉矩控制變頻技術。該技術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、簡潔明了的系統結構、優良的動靜態性能得到了迅速發展。目前，該技術已成功地應用在電力機車牽引的大功率交流傳動上。 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機的數學模型，控制電動機的磁鏈和轉矩，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雜的變換計算，系統直觀、簡潔，計算速度和精度都比矢量控制方式有所提高。即使在開環的狀態下，也能輸出100%的額定轉矩，對于多拖動具有負荷平衡功能。 (6) 最優控制 最優控制在實際中的應用根據要求的不同而有所不同，可以根據最優控制的理論對某一個控制要求進行個別參數的最優化。例如在高壓變頻器的控制應用中，就成功的采用了時間分段控制和相位平移控制兩種策略，以實現一定條件下的電壓最優波形。 (7) 矩陣式交—交控制方式 VVVF變頻、矢量控制變頻、直接轉矩控制變頻都是交－直－交變頻中的一種。其共同缺點是輸入功率因數低，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，即不能進行四象限運行。為此，矩陣式交－交變頻應運而生。由于矩陣式交－交變頻省去了中間直流環節，從而省去了體積大、價格貴的電解電容。它能實現功率因數為l，輸入電流為正弦且能四象限運行，系統的功率密度大。該技術目前雖尚未成熟，但仍吸引著眾多的學者深入研究。其實質不是間接的控制電流、磁鏈等量，而是把轉矩直接作為被控制量來實現的。具體方法是： ——控制定子磁鏈引入定子磁鏈觀測器，實現無速度傳感器方式； ——自動識別（ID）依靠精確的電機數學模型，對電機參數自動識別； ——算出實際值對應定子阻抗、互感、磁飽和因素、慣量等算出實際的轉矩、定子磁鏈、轉子速度進行實時控制； ——實現BandBand控制按磁鏈和轉矩的Band－Band控制產生PWM信號，對逆變器開關狀態進行控制。 矩陣式交-交變頻具有快速的轉矩響應（<2ms），很高的速度精度（±2％，無PG反饋），高轉矩精度（<＋3％）；同時還具有較高的起動轉矩及高轉矩精度，尤其在低速時（包括0速度時），可輸出150％～200％轉矩。 (8)其他非智能控制方式 在實際應用中，還有一些非智能控制方式在變頻器的控制中得以實現，例如自適應控制、滑模變結構控制、差頻控制、環流控制、頻率控制等。 2 智能控制方式 智能控制方式主要有神經網絡控制、模糊控制、專家系統、學習控制等。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) 神經網絡控制 神經網絡控制方式應用在變頻器的控制中，一般是進行比較復雜的系統控制，這時對于系統的模型了解甚少，因此神經網絡既要完成系統辨識的功能，又要進行控制。而且神經網絡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時進行控制比較適合。但是神經網絡的層數太多或者算法過于復雜都會在具體應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) 專家系統 專家系統是利用所謂“專家”的經驗進行控制的一種控制方式，因此，專家系統中一般要建立一個專家庫，存放一定的專家信息，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。專家庫與推理機制的設計是尤為重要的，關系著專家系統控制的優劣。應用專家系統既可以控制變頻器的電壓，又可以控制其電流。 (4) 學習控制 學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)恰好滿足這個條件，因此學習控制也可用于變頻器的控制中。學習控制不需要了解太多的系統信息，但是需要1~2個學習周期，因此快速性相對較差，而且，學習控制的算法中有時需要實現超前環節，這用模擬器件是無法實現的，同時，學習控制還涉及到一個穩定性的問題，在應用時要特別注意。 3 變頻器控制的展望 隨著電力電子技術、微電子技術、計算機網絡等高新技術的發展，變頻器的控制方式今后將向以下幾個方面發展。 (1) 數字控制變頻器的實現 現在，變頻器的控制方式用數字處理器可以實現比較復雜的運算，變頻器數字化將是一個重要的發展方向，目前進行變頻器數字化主要采用單片機MCS51或80C196MC等，輔助以SLE4520或EPLD液晶顯示器等來實現更加完善的控制性能。 (2) 多種控制方式的結合 單一的控制方式有著各自的優缺點，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合起來，例如將學習控制與神經網絡控制相結合，自適應控制與模糊控制相結合，直接轉矩控制與神經網絡控制相結合，或者稱之為“混合控制”，這樣取長補短，控制效果將會更好。 (3) 遠程控制的實現 計算機網絡的發展，使“天涯若咫尺”，依靠計算機網絡對變頻器進行遠程控制也是一個發展方向。通過RS485接口及一些網絡協議對變頻器進行遠程控制，這樣在有些不適合于人類進行現場操作的場合，也可以很容易的實現控制目標。 (4) 綠色變頻器 隨著可持續發展戰略的提出，對于環境的保護越來越受到人們的重視。變頻器產生的高次諧波對電網會帶來污染，降低變頻器工作時的噪聲以及增強其工作的可靠性、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，設計出綠色變頻器。 4 結束語 變頻器的控制方式是一個值得研究的問題，依靠致力于這項工作的有識之士的共同努力，使國產變頻器早日走向世界市場并且成為一流的產品。