交流变频传动控制的发展技术

交流变频传动控制的发展阅览次数：2599供稿：第一届变频器与伺服企业论坛论文集作者：陈伯时1发展的历史1.120世纪60年代以前的电气传动80%——交流不调速传动18%——直流可调速传动2%——交流可调速传动1.270年代开始电力电子技术的应用开创了交流可调速传动的新纪元1.3交流可调速传动的类型1.3.1转差功率消耗型——例如：变压调速定子用双向晶闸管调压器调速。1.3.2转差功率馈送型——例如:双馈电机调速转子用整流、逆变器调速。1.3.3转差功率不变型——变压变频调速定子用PWM变压变频器调速。2变压变频（VVVF）调速1.风机水泵节能调速2.满足工艺要求的平滑调速3.高动态性能调速2.1现代交流调速传动的物质基础电力电子变换器微处理器：单片机、DSP、RISC数据通信：现场总线、工业以太网、无线总线2.2通用变频器高性能通用变频器中压（高压）变频器专用变频器客户定制变频器3高动态性能变频调速的控制策略3.1一般通用变频器的局限性调速范围不过1：10左右；调速时有静差，精度不高；不能像直流调速系统那样提供很高的动态性能。3.2已应用成熟的高性能调速控制策略（1）矢量控制（2）直接转矩控制3.3两种控制方案的关系（1）由不同的人发明，各有专利；（2）由不同的公司生产，在国际市场上推广；正在中国市场中激烈地竞争与宣传，似乎区别很大，甚至是两代技术！其实，从基本理论和控制规律上看，二者在本质上是一致的。要实现高动态性能，必须充分研究电机的物理模型和动态数学模型。3.4状态方程在控制结构上，矢量控制和直接转矩控制都采用转矩、磁链分别控制。转矩控制环（或电流的转矩分量环）都处于转速环的内环，可抑制磁链变化对转速子系统的影响，使转速和磁链子系统近似解耦。从表面上看，两种系统的控制方法虽然不同，在控制性能上各有特色。但是，两种系统在本质上是一样的，都能获得较高的静、动态性能。3.5矢量控制系统的特点在按转子磁链定向的dq同步旋转坐标系上，把定子电流分解为其励磁分量和转矩分量，得到类似于直流电机的动态模型。变换成独立的转速子系统和转子磁链子系统，分别用PI调节器进行连续控制。3.6矢量控制的优点选用高性能的DSP和高精度的光电码盘转速传感器，调速范围可达1:1000。动态性能也很好。3.7矢量控制的不足和解决方法（1）按转子磁链定向会受电机参数（如转子电阻）变化的影响而失真，从而降低了系统的调速性能。（2）采用智能化调节器可以克服这一缺点，提高系统的鲁棒性。3.8直接转矩控制系统的特点舍去比较复杂的旋转坐标变换，在两相静止坐标系上构成转矩和定子磁链的反馈信号。但是，数学模型不够简化，不能用线性调节器来控制转矩和定子磁链，因而改用双位式的砰-砰控制器。根据二者的变化选择电压空间矢量的PWM开关状态，以控制电机的转速。3.9直接转矩控制的优点砰-砰控制属于P控制，可以获得比PI控制更快的动态转矩响应。按定子磁链控制，避免了转子参数变化的影响。3.10直接转矩控制的不足和解决办法砰-砰控制引起转矩脉动，带积分环节的电压型磁链模型在低速时误差大，这都影响系统的低速性能。低速时改用电流型模型，可减小磁链误差，但又受转子参数变化影响，牺牲了鲁棒性好的优点。3.11应用特色两种方案都适用于高性能调速。矢量控制更有利于宽范围调速系统和伺服系统。直接转矩控制更有利于需要快速转矩响应（特别在弱磁范围）的大惯量运动控制系统。两种控制策略都有一些不足之处，研究和开发工作都朝着克服其缺点的方向发展。4变频器的发展方向4.1功率器件和控制芯片的进步4.2减小体积、降低成本、提高可靠性4.3研究新的算法，切实提高控制性能4.4改善功率因数，减少谐波，开发4.5“绿色变频器”4.6解决电磁干扰5结语用现代智能控制方法可使被控系统不依赖于或较少依赖于控制对象的数学模型，因而能使矢量控制系统不受或少受电机参数变化的影响，比较方便的办法是采用单神经元构成的自适应PID控制器。5.1对直接转矩控制系统的研究和产品改进着重于提高低速性能5.1.1在砰-砰控制器基础上改进，细化磁链偏差和转矩偏差5.1.2间接自控制ISR(IndirekteSelbstregelung)系统5.1.3按定子磁链定向的矢量控制系统（SFVC系统）5.2ISR系统将砰-砰控制器改为连续的调节器，用PI调节对定子磁链幅值进行闭环控制，以建立圆形的定子磁链轨迹；根据电磁转矩的偏差推算出磁链矢量增量所对应的角度；按照磁链、转矩两个调节器的输出推算出定子电压矢量，求得相应的变频器开关状态。5.3按定子磁链定向的矢量控制系统SFVC系统按定子磁链决定旋转坐标的方向。在控制算法中避免转子参数的影响。采用PI调节器连续控制或补偿控制。5.4ISR系统和SFVC系统实际上都是DTC系统和VC系统取长补短的融合与折中。