改善變頻器性能的若干技術

　　目前我國變頻器生產廠家所生產的變頻器大都是采用普通的V/f控制方式，只有為數不多的幾家對外宣稱采用了基于無速度的矢量控制技術。在國外品牌中基本上已經做到了開環、閉環、無速度控制三位一體的控制思想，尤其值得關注的是ABB公司的DTC控制方法在產品中已經有成功的應用。國內學術界在變頻調速系統的研究方面已經做了很多相應的工作，取得了一定的成果，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。如何將理論化的知識轉化到我國現有工業化產品實踐，提高我國變頻調速產品的性能和質量，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制技術兩個方面對目前的V/f控制和實現技術進行比較明說，供大家交流和探討。

　　通常V/f變頻器的系統結構是由控制、調制、主回路三個部分組成，其中控制部分和脈寬調制部分全部由軟件算法實現。這種控制方式是針對交流電機穩態模型得出的，不依賴電機參數及其變化，因而控制簡單，容易實現。但是調速范圍比較窄，僅適用于風機、水泵等對調速性能要求不高的負載。為了提高系統低速時候的帶載能力和系統的動態性能，滿足實際工業現場的需要，必須對現有的控制方法和脈寬調制策略進行相應的改進和提高。下面針對其中幾個關鍵的技術分別進行討論。

　　二、控制策略中的若干技術

　　1. 補償技術

　　補償技術在開環控制中是必不可少的。它包括力矩補償、滑差補償和死區效應補償。在低頻時定子電阻的壓降相對于變頻器輸出電壓來說已經不能忽略，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速明顯下降?；�差補償主要是針對電機在負載較大時實際輸出轉速會低于設定的轉速而設計的。這兩種補償方法在實現中可以采用簡單的固定值進行補償，改進的方法有利用三相電機電流進行計算補償，不過只是根據電流幅值的補償，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雜，同時對電機的部分參數有一定的依賴性，在實現過程中存在一些困難。

　　死區效應補償技術在開環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小諧波，同時能夠提高輸出電壓的有效值和減小電機電流的振蕩。特別是在要求靜音的環境下，人為的提高載波頻率，如果沒有死區補償，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補償技術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，死區電壓脈沖寬度補償方法，無電流傳感的死區時間預測補償方法等。電流過零點判斷的補償方法簡單易于實現，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?；�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坐標系中分解得到電流矢量角和死區電壓矢量之間的關系進行相應的補償，如果該方法和死區電壓脈沖寬度補償相結合，效果更為突出。相位角預測的死區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測，然后對死區時間做出相應的補償，預測的角度可以根據變頻器輸出容量的不同在軟件中設置，或者由外部修改設定。

　　該方法的優點是可以省掉電流傳感器，降低成本和系統體積，但是補償沒有根據外部負載變化而相應調整，因而精度和動態性能也會相應的降低。

　　2. 電流振蕩抑制技術

　　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會出現局部不穩定現象，這時電流幅值波動很大，輸出頻率也會有一定改變，電流的振蕩有可能會導致系統因為過電流而誤觸發報警，使系統不能穩定可靠的工作。引起振蕩的原因是多方面的，比較普遍的觀點是電機和變頻器在能量交換過程中引起的，它的出現也和死區效應有很大的關系。對死區效應進行補償后可以有效的減少振蕩的幅度，但是還不能從根本上抑制振蕩。一種有效的方法是當振蕩發生時，相應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，達到抑制振蕩的目的。但是這種方法也有一定的局限性。由于不同電機的振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，但是算法復雜，在通用的V/f控制平臺上實現比較困難。

　　3. 簡單磁通矢量控制方法

　　普通的V/f控制是建立在穩態電機模型上的，忽略了定子電阻壓降，因而對電機動態過程中的狀態不能控制，由于是開環控制，對負載的波動或者電機參數變化不敏感，動態性能不高。簡單磁通矢量控制方法是在普通V/f控制的基礎上對電機電流進行了控制，具體表現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，然后調節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預先存放在控制器的RAM中，針對某一型號電機這些參數基本上是常數。

　　4. 基于無速度傳感的矢量控制技術

　　對于高性能的交流調速控制系統，速度閉環是必不可少的，轉速閉環需要實時的電機轉速，目前速度反饋量的檢測多是采用光電脈沖編碼器、旋轉變壓器或測速發電機。速度傳感器價格比較昂貴，明顯增加了系統的硬件成本;對環境的適應能力不強，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速系統，對提高系統的可靠性、環境的適應性、進一步擴大交流調速系統的應用范圍具有重要意義，已經成為國內外學術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標是同時對電機轉速、轉子磁鏈以及電機參數進行精確的估計。對電機轉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:開環磁鏈估算和帶補償的磁鏈估算;模型參考自適應法(MRAS);閉環觀測器法?；�于非理想特性的方法�?利用齒諧波信號的轉速辨識方法;旋轉高頻注入轉子凸極檢測法;漏感脈動檢測法;dq阻抗差異定向法;飽和凸極檢測方法。對電機參數的檢測有離線式檢測和在線式檢測兩種方法。