变频电源的非智能控制方式

    在交流变频电源中使用的非智能控制方式有U/F协调控制、转差频率控制、矢量控制、直接转矩控制等。低压通用变频输出电压在380~ 650V，输出功率在0.75~ 400kW，工作频率在0～400Hz，它的主电路都采用交一直一交电路。其控制方式经历以下4代。    (1)以U/F=C，正弦脉宽调制(SPWM)控制方式。U/F控制是为了得到理想的转矩一速度特性，基于在改变电源频率进行调速的同时，又要保证电动机的磁通不变的思想而提出的，通用型变频电源基本上都采用这种控制方式。U/F控制变频电源结构非常简单，但是这种变频电源采用开环控制方式，不能达到较高的控制性能，而且，在低频时，必须进行转矩补偿，以改变低频转矩特性。    以U/F=C，正弦脉宽调制（SPWM）控制方式的特点是：控制电路结构简单、成本较低，机械特性硬度也较好，能够满足一般传动系统的平滑调速要求。这种控制方式在低频时，由于输出电压较小，受定子电阻压降的影响比较显著，故造成输出最大转矩减小。另外，其机械特性终究没有直流电动机硬，动态转矩能力和静态调速性能都不理想，以U/F=C控制的系统性能不高、控制曲线会随负载的变化而变化，转矩响应慢、电动机转矩利用率不高，低速时因定子电阻和逆变器死区效应的存在而性能下降，使系统的稳定性变差等。    (2)矢量控制（磁场定向法）。20世纪70年代西门子工程师F．Blaschke首先提出异步电动机矢量控制理论来解决交流电动机转矩控制问题。矢量控制（又称VC控制）变频调速的做法是：将异步电动机在三相坐标系下的定子交流电流Ia、Ib、Ic通过三相一二相变换，等效成两相静止坐标系下的交流电流Ia1、Ib1，再通过按转子磁场定向旋转变换，等效成同步旋转坐标系下的直流电流Im1、It1（Im1相当于直流电动机的励磁电流；It1相当于直流电动机与转矩成正比的电枢电流），然后模仿直流电动机的控制方法，求得直流电动机的控制量，经过相应的坐标反变换，实现对异步电动机的控制。    矢量控制的实质是将交流电动机等效为直流电动机，分别对速度、磁场两个分量进行独立控制。通过控制转子磁链，以转子磁通定向，然后分解定子电流而获得转矩和磁场两个分量，经坐标变换，实现正交或解耦控制。矢量控制方法的提出具有划时代的意义。然而在实际应用中，由于转子磁链难以准确观测，系统特性受电动机参数的影响较大，且在等效直流电动机控制过程中所用矢量旋转变换较复杂，使得实际的控制效果难以达到理想分析的结果。    矢量控制方式又有基于转差频率控制的矢量控制方式、无速度传感器矢量控制方式和有速度传感器的矢量控制方式等。    基于转差频率的矢量控制方式与转差频率控制方式两者的定常特性一致，但是基于转差频率的矢量控制还要经过坐标变换对电动机定子电流的相位进行控制，使之满足一定的条件，以消除转矩电流过渡过程中的波动。因此，基于转差频率的矢量控制方式比转差频率控制方式在输出特性方面能得到很大的改善。但是，这种控制方式属于闭环控制方式，需要在电动机上安装速度传感器，因此，应用范围受到限制。    无速度传感器矢量控制是通过坐标变换处理，分别对励磁电流和转矩电流进行控制，然后通过控制电动机定子绕组上的电压、电流辨识转速以达到控制励磁电流和转矩电流的目的。这种控制方式调速范围宽，启动转矩大，工作可靠，操作方便，但计算比较复杂，一般需要专门的处理器来进行计算，因此，实时性不是太理想，控制精度受到计算精度的影响。    采用矢量控制方式的通用变频电源不仅可在调速范围上与直流电动机相比拟，而且可以控制异步电动机产生的转矩。由于矢量控制方式所依据的是准确的被控异步电动机的参数，有的通用变频电源在使用时需要准确地输入异步电动机的参数，有的通用变频电源需要使用速度传感器和编码器。目前新型矢量控制通用变频电源中已经具备异步电动机参数自动检测、自动辨识、自适应功能，带有这种功能的通用变频电源在驱动异步电动机进行正常运转之前可以自动地对异步电动机的参数进行辨识，并根据辨识结果调整控制算法中的有关参数，从而对普通的异步电动机进行有效的矢量控制。    (3)直接转矩控制（DTC控制）。在20世纪80年代中期，德国学者Depenbrock教授于1985年提出直接转矩控制，其思路是把电动机和逆变器看成一个整体，采用空间电压矢量分析方法在定子坐标系进行磁通、转矩计算，通过跟踪型PWM逆变器的开关状态直接控制转矩。因此，无需对定子电流进行解耦，免去矢量变换的复杂计算，控制结构简单。该技术在很大程度上解决了矢量控制的不足，并以新颖的控制思想、简洁明了的系统结构、优良的动静态性能得到了迅速发展。目前，该技术已成功地应用在电力机车牵引的大功率交流传动上。    直接转矩控制技术，是利用空间矢量、定子磁场定向的分析方法，直接在定子坐标系下分析异步电动机的数学模型，计算与控制异步电动机的磁链和转矩，采用离散的两点式调节器( Band- Band控制)，把转矩检测值与转矩给定值作比较，使转矩波动限制在一定的容差范围内，容差的大小由频率调节器来控制，并产生PWM脉宽调制信号，直接对逆变器的开关状态进行控制，以获得高动态性能的转矩输出。它的控制效果不取决于异步电动机的数学模型是否能够简化，而是取决于转矩的实际状况，它不需要将交流电动机与直流电动机作比较、等效、转化，即不需要模仿直流电动机的控制，由于它省掉了矢量变换方式的坐标变换与计算和为解耦而简化异步电动机数学模型，没有通常的PWM脉宽调制信号发生器，所以它的控制结构简单、控制信号处理的物理概念明确、系统的转矩响应迅速且无超调，是一种具有高静、动态性能的交流调速控制方式。即使在开环的状态下，也能输出100%的额定转矩，对于多拖动系统具有负荷平衡功能。    直接转矩控制它以测量电动机电流和直流电压作为自适应电动机模型的输入。该模型每隔25μs产生一组精确的转矩和磁通实际值，转矩比较器和磁通比较器将转矩和磁通的实际值与转矩和磁通的给定值进行比较获得最佳开关位置。由此可以看出它是通过对转矩和磁通的测量，即刻调整逆变电路的开关状态，进而调整电动机的转矩和磁通，以达到精确控制的目的。    (4)矩阵式交-交方式。WVF变频、矢量控制变频、直接转矩控制变频都是交-直-交变频控制方式中的一种。其共同缺点是输入功率因数低，谐波电流大，直流回路需要大的储能电容，再生能量又不能反馈回电网，即不能进行四象限运行。为此，矩阵式交-交变频应运而生。由于矩阵式交-交变频省去了中间直流环节，从而省去了体积大、价格贵的电解电容。它能实现功率因数为1，输入电流为正弦且能四象限运行，系统的功率密度大。该技术目前尚未成熟，仍吸引着众多的学者深入研究。其实质不是间接的控制电流、磁链等量，而是靠把转矩直接作为被控制量来实现的。具体方法如下：    1)引入定子磁链观测器，实现无速度传感器方式。    2)依靠精确的电动机数学模型，对电动机参数自动识别。    3)依据定子阻抗、互感、磁饱和因素、惯量等算出实际的转矩、定子磁链、转子速度进行实时控制。    4)按磁链和转矩的Band - Band控制产生PWM信号，对逆变器开关状态进行控制。    矩阵式交-交方式具有快速的转矩响应（< 2ms），很高的速度精度（±2%，无PC反馈），高转矩精度(<+3%)，具有较高的起动转矩，尤其在低速时（包括0速度时），可输出150%~200%转矩。    (5)最优控制。最优控制在实际的应用中，控制系统根据要求的不同而有所不同，可以根据最优控制的理论对某一个控制要求进行个别参数的最优化。例如在高压变频电源的控制应用中，就成功的采用了时间分段控制和相位平移控制两种策略，以实现一定条件下的电压最优波形。    (6)其他非智能控制方式。在实际应用中，还有一些非智能控制方式在变频电源的控制中得以实现，例如自适应控制、滑模变结构控制、差频控制、环流控制、频率控制等。