变频调速的现状及发展趋势论文

变频调速技术的现状及发展趋势（12级自动化专业郭仁和201200171033）摘要:针对交流电动机这样一个非线性、多变量、强耦合的控制对象，为实现其调速系统的有效控制，获得优异的动态性能，国内外许多学者进行了大量的研究工作，并取得了很大的进展。早期的变频调速主要采用恒压比控制方式，20世纪70年代提出的矢量控制技术可以说是交流电动机控制理论领域具有里程碑意义的成果，它使得异步电动机的高性能控制得以实现；此后出现的直接转矩理论则提高了转矩响应的动态性能。近些年来，现代控制理论的发展、新型大功率电力电子器件的出现，以及微机数字控制技术的日臻完善，直接促进了变频调速技术的迅速发展。关键字：新型电力电子器件，矢量控制技术，直接转矩控制技术，PWM控制技术，高压变频技术发展趋势变频调速技术的发展现状变频调速技术涉及到电力、电子、电工、信息与控制等多个学科领域。随着电力电子技术、计算机技术和自动控制技术的进步，以变频调速为主要代表的近代交流调速技术有了飞速的发展。20世纪是电力电子变频技术由诞生到发展的全盛时期。最初的交流变频调速的理论诞生于20世纪20年代，直到60年代，由于电力电子器件技术的进步，才促进了变频调速技术向实用方向发展。进入90年代，由于新型电力电子器件如I绝缘栅双极晶体管（IGBT）集成门极换向型晶闸管（IGCT）等的发展、微处理器性能的大幅度提高，以及先进控制理论和技术的完善和发展等原因，极大地提高了变频调速的技术性能，促进了变频调速技术的发展使变频调速技术在调速范围、驱动能力、调速精度、动态响应、输出性能、功率因数、运行效率及使用的方便性等方便大大超过了其他常规的交流调速方式，其性能指标亦已超过了直流调速系统，达到了取代直流调速系统的地步。国外交流变频调速技术的现状具有以下特点：(1)在功率器件方面，近年来高电压、大电流的SCR、GTO、IGBT、IGCT等器件的生产以及并联、串联技术的应用，使高电压、大功率变频器产品的生产及应用成为现实。(2)在微电子技术方面，16位、32位的高速处理器以及DSP和ASIC（专用集成电路ApplicationSpecificIC）技术的快速发展，为实现变频器高精度、多功能化提供了硬件手段。(3)在控制理论方面，矢量控制、磁通控制、转矩控制、智能控制等新的控制理论为研制高性能变频器的发展提供了相关理论基础。(4)在产品化生产方面，基础工业和各种制造业的高速发展，促进了变频器相关配套件的社会化、专业化生产。在国家“八五”科技攻关计划中，交流调速技术被列为重点科技攻关项目。在“九五”计划中，交流调速及相关技术也受到重视。但是我国电力半导体器件虽然经过较长时间的发展，总体水平仍然很低，几乎不具备新产品的独立开发能力。IGBT、GTO器件的生产虽引进了国外技术，但一直未形成规模经济效益，变频器产品所用半导体功率器件的制造也几乎是空白，这在一定程度上影响了变频调速技术的发展。从总体上看我国电气传动的技术水平较国际先进水平差距10-15年。在大功率交-交变频技术、无换向器电机等方面，国内虽然有少数科研单位有能力制造，但在数字化及系统可靠性方面与国外相比，还有相当差距。在中小功率变频技术方面，国内几乎所有的产品都是采用普通V/F控制，仅有少量样机采用矢量控制，品种与质量还不能满足市场需要，只能靠大量进口产品满足需求。现代变频调速中的关键技术1.矢量控制技术随着交流电机在高动态性能调速领域的不断应用，对电机控制系统的设计要求也越来越高；再加上电力传动系统的复杂性和被控对象的特殊性，使得提高电力传动系统的调速性能成为当前研究的热点。矢量控制系统有可连续控制、调速范围宽等优点⋯，因此矢量控制系统是现代交流调速研究的重要方向之一。尽管交流电机矢量控制技术已在变频调速领域得到普遍使用，但其仍不够完善。模糊控制是一种不基于被控对象精确数学模型的智能控制方法，且能够保证系统的动静态特性。系统采用转速闭环，电流闭环的矢量控制。系统根据电流模型进行转子磁链观测，通过检测定子电流，并经过三相坐标系到转子磁场定向的两相同步旋转坐标系的变换，得到在dg坐标系上电机定子电流的转矩分量和励磁分量旧J。根据电流模型得到转子磁链，并经过转速方程计算出转差，就可以得出转子磁链的位置。定子电流的转矩分量和励磁分量通过各自的控制器输出，并通过两相同步旋转坐标系变换到两相静止坐标系再来控制脉宽。根据矢量控制理论，得到控制系统框图。矢量控制方法的提出，是交流传动系统的动态特性得到了显著的改善，这无疑是交流传动控制理论的一个质的飞跃。2.直接转矩控制技术直接转矩控制（DirectTorqueControl——DTC），国外的原文有的也称为Directself-control——DSC，直译为直接自控制，这种“直接自控制”的思想以转矩为中心来进行综合控制，不仅控制转矩，也用于磁链量的控制和磁链自控制。直接转矩控制与矢量控制的区别是，它不是通过控制电流、磁链等量间接控制转矩，而是把转矩直接作为被控量控制，其实质是用空间矢量的分析方法，以定子磁场定向方式，对定子磁链和电磁转矩进行直接控制的。这种方法不需要复杂的坐标变换，而是直接在电机定子坐标上计算磁链的模和转矩的大小，并通过磁链和转矩的直接跟踪实现PWM脉宽调制和系统的高动态性能。直接转矩控制（DirectTorqueControl，DTC）变频调速，是继矢量控制技术之后又一新型的高效变频调速技术。20世纪80年代中期，德国鲁尔大学的M.Depenbrock教授和日本的I.Takahashi教授分别提出了六边形直接转矩控制方案和圆形直接转矩控制方案。1987年，直接转矩控制理论又被推广到弱磁调速范围。直接转矩控制技术用空间矢量的分析方法，直接在定子坐标系下计算与控制电动机的转矩，采用定子磁场定向，借助于离散的两点式调节（Band-Band）产生PWM波信号，直接对逆变器的开关状态进行最佳控制，以获得转矩的高动态性能。它省去了复杂的矢量变换与电动机的数学模型简化处理，没有通常的PWM信号发生器。它的控制思想新颖，控制结构简单，控制手段直接，信号处理的物理概念明确。直接转矩控制也具有明显的缺点即：转矩和磁链脉动。针对其不足之处，现在的直接转矩控制技术相对于早期的直接转矩控制技术有了很大的改进，主要体现在以下几个方面：（1）无速度传感器直接转矩控制系统的研究在实际应用中，安装速度传感器会增加系统成本，增加了系统的复杂性，降低系统的稳定性和可靠性，此外，速度传感器不实用于潮湿、粉尘等恶劣的环境下。因此，无速度传感器的研究便成了交流传动系统中的一个重要的研究方向，且取得了一定的成果。对转子速度估计的方法有很多，常用的有卡尔曼滤波器位置估计法、模型参考自适应法、磁链位置估计法、状态观测器位置估计法和检测电机相电感变化法等。有的学者从模型参考自适应理论出发，利用转子磁链方程构造了无速度传感器直接转矩控制系统，只要选择适当的参数自适应律，速度辨识器就可以比较准确地辨识出电机速度。（2）定子电阻变化的影响直接转矩最核心的问题之一是定子磁链观测，而定子磁链的观测要用到定子电阻。采用简单的u-i磁链模型，在中高速区，定子电阻的变化可以忽略不考虑，应用磁链的u-i磁链模型可以获得令人满意的效果；但在低速时定子电阻的变化将影响磁通发生畸变，使系统性能变差。因此，如果能够对定子电阻进行在线辨识，就可以从根本上消除定子电阻变化带来的影响。目前，常用的方法有参考模型自适应法、卡尔曼滤波法、神经网络以及模糊理论构造在线观测器的方法对定子电阻进行补偿，研究结果表明，在线辨识是一个有效的方法。（3）磁链和转矩滞环的改进传统的直接转矩控制一般对转矩和磁链采用单滞环控制，根据滞环输出的结果来确定电压矢量。因为不同的电压矢量对转矩和定子磁链的调节作用不相同，所以只有根据当前转矩和磁链的实时值来合理的选择电压矢量，才能有可能使转矩和磁链的调节过程达到比较理想的状态。显然，转矩和磁链的偏差区分的越细，电压矢量的选择就越精确，控制性能也就越好。（4）死区效应的解决为了避免上下桥臂同时导通造成直流侧短路，有必要引入足够大的互锁延时，结果带来了死区效应。死区效应积累的误差使逆变器输出电压失真，于是又产生电流失真，加剧转矩脉动和系统运行不稳定等问题，在低频低压时，问题更严重，还会引起转矩脉动。死区效应的校正，可由补偿电路检测并记录死区时间，进行补偿。这样既增加了成本，又降低了系统的可靠性。可用软件实现的方法，即计算出所有的失真电压，根据电流方向制成补偿电压指令表，再用前向反馈的方式补偿，这种新型方案还消除了零电压箝位现象。除了以上几种最主要的方面外，一些学者还通过其他途径试图提高系统的性能。直接转矩控制的特征是控制定子磁链，是直接在定子静止坐标系下，以空间矢量概念，通过检测到的定子电压、电流，直接在定子坐标系下计算与控制电动机的磁链和转矩，获得转矩的高动态性能。它不需要将交流电动机化成等效直流电动机，因而省去了矢量变换中的许多复杂计算，它也不需要模仿直流电动机的控制，从而也不需要为解耦而简化交流电动机的数学模型，而只需关心电磁转矩的大小，因此控制上对除定子电阻外的所有电机参数变化鲁棒性良好，所引入的定子磁链观测器能很容易得到磁链模型，并方便地估算出同步速度信息，同时也很容易得到转矩模型，磁链模型和转矩模型就构成了完整的电动机模型，因而能方便地实现无速度传感器控制，如果在系统中再设置转速调节器，即可进一步得到高性能动态转矩控制了。3.PWM控制技术SPWM波形就是在进行脉宽调制时，使脉冲系列的占空比按正弦规律来安排。当正弦值为最大值时，脉冲的宽度一也最大，而脉冲间的间隔则最小。反之，当正弦值较小时，脉冲的宽度也小，而脉冲间的间隔则较大，这样的电压脉冲系列可以使负载电流中的谐波成分大为减小，故称为正弦波脉宽调制等效的原则是每一区间的面积相等，把一个正弦波分作几等份然后把每一等分的正弦曲线与横轴所包围的面积都用一个与此面积相等的矩形脉冲来代替，矩形脉冲的幅值不变，各脉冲的中点与正弦波每一等分的中点相重合这样由几个等幅不等宽的矩形脉冲所组成的波形就与正弦波等效，称作SPWM波形。同样，正弦波的负半周也用同样的方法与一系列负脉冲波等效。PWM的一个优点是从处理器到被控系统信号都是数字形式的，在进行数模转换。可将噪声影响降到最低（可以跟电脑一样}。噪声只有在强到足以将逻辑1改变为逻辑0或将逻辑0改变为逻辑1时，也才能对数字信号产生影响。对噪声抵抗能力的增强是PWM相对于模拟控制的另外一个优点，而且这也是在某些时候将PWM用于通信的主要原因。从模拟信号转向PWM可以极大地延长通信距离。在接收端，通过适当的RC或LC网络可以滤除调制高频方波并将信号还原为模拟形式。PWM控制技术一直是变频技术的核心技术之一。1964年A.Schonung和H.stemmler首先提出把这项通讯技术应用到交流传动中，从此为交流传动的推广应用开辟了新的局面。从最初采用模拟电路完成三角调制波和参考正弦波比较，产生正弦脉宽调制SPWM信号以控制功率器件的开关开始，到目前采用全数字化方案，完成优化的实时在线的PWM信号输出，可以说直到目前为止，PWM在各种应用场合仍在主导地位，并一直是人们研究的热点。由于PWM可以同时实现变频变压反抑制谐波的特点。由此在交流传动及至其它能量变换系统中得到广泛应用。PWM控制技术大致可以分为三类，正弦PWM（包括电压，电流或磁通的正弦为目标的各种PWM方案，多重PWM也应归于此类），优化PWM及随机PWM。正弦PWM已为人们所熟知，而旨在改善输出电压、电流波形，降低电源系统谐波的多重PWM技术在大功率变频器中有其独特的优势（如ABBACS1000系列和美国ROBICON公司的完美无谐波系列等）；而优化PWM所追求的则是实现电流谐波畸变率（THD）最小，电压利用率最高，效率最优，及转矩脉动最小以及其它特定优化目标。在70年代开始至80年代初，由于当时大功率晶体管主要为双极性达林顿三极管，载波频率一般最高不超过5kHz，电机绕组的电磁噪音及谐波引起