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文檔簡介

1、變頻器常用的幾種控制方式變頻調(diào)速技術(shù)是現(xiàn)代電力傳動技術(shù)的重要發(fā)展方向, 而作為變頻調(diào)速系統(tǒng)的核心變頻器的性能也越來越成為調(diào)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)實際出發(fā), 綜述了近年來各種變頻器控制方式的特點, 并展望了今后 的發(fā)展方向。1、變頻器簡介1.1 變頻器的基本結(jié)構(gòu)變頻器是把工頻電源(50Hz或60Hz)變換成各種頻率的交流電源,以實現(xiàn)電機(jī)的變速運行的設(shè)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

2、如矢量控制變頻器這種需要大量運算的變頻器來說,有時還需要一個進(jìn)行轉(zhuǎn)矩計算的CPU以及一些相應(yīng)的電路。1.2 變頻器的分類變頻器的分類方法有多種, 按照主電路工作方式分類, 可以分為電壓型變頻器和電流型變頻器;按照開關(guān)方式分類,可以分為PAM空制變頻器、PWME制變頻器和高載頻PWMI制變頻器;按照工作原理分類,可以分為V/f控制變頻 器、 轉(zhuǎn)差頻率控制變頻器和矢量控制變頻器等; 按照用途分類, 可以分為通用變 頻器、高性能專用變頻器、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(diào)控制、轉(zhuǎn)差頻率控制、矢量控制

3、、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, 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,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

4、速度傳感器,有時還加有電流反饋,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間以及零矢量的作用時問,又可以形成各種PW班,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PWMfc以減少開關(guān)損耗。目前在變頻器中實際應(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

5、兩種?;谵D(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,但計算比較復(fù)雜

6、,一般需要專門的處理器來進(jìn)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。(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)雜的變換計算,系統(tǒng)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(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控制要求進(jìn)行個別參數(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

7、間分段控制和相位平移控制兩種策略, 以實現(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)控制方式可以同時控制多個變頻器, 因此在多個變頻

8、器級聯(lián)時進(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)中一般要建立一個專家?guī)欤?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)計是尤為重要的, 關(guān)系著專家系統(tǒng)控制

9、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&號(例如中心調(diào)制pwM好滿足這個條件,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 12個學(xué)習(xí)周期, 因此快速性相對較差, 而且, 學(xué)習(xí)控制的算法中有時需要實現(xiàn)超前環(huán)節(jié),這用模擬器件是無法實現(xiàn)的,同時, 學(xué)習(xí)控制還涉及到一個穩(wěn)定性的問題,在應(yīng)用時要特別注意。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方面發(fā)展。(1) 數(shù)字控制變頻器的實現(xiàn)現(xiàn)在,變頻器

10、的控制方式用數(shù)字處理器可以實現(xiàn)比較復(fù)雜的運算,變頻器數(shù)字化將是一個重要的發(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?,輔助以SLE4520或EPLD夜晶顯示器等來實現(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,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)程控制的實現(xiàn)計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展,使“天涯若咫尺”,依靠計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)對變頻器進(jìn)行遠(yuǎn)程控制也是一個發(fā)展方向。通過RS485®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, 降低變頻器工作時的噪聲以及增強(qiáng)其 工作的可靠性、安全性等

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