淺談改善變頻器性能的若干技術

    1 引言
    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(huán)、閉環(huán)、無速度控制三位一體的控制思想【1】【2】【3】，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(yè)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說明，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(wěn)態(tài)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(tài)性能，滿足實際工業(yè)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。

    2 控制策略中的若干技術
    2.1 補償技術
    補償技術在開環(huán)控制中是必不可少的。它包括力矩補償、滑差補償和死區(qū)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。滑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【4】。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【5】，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【6】;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【7】【8】。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(qū)效應補償技術在開環(huán)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(huán)境下，人為的提高載波頻率，如果沒有死區(qū)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(qū)補償技術有電流過零點直接補償法【5】，基于定子磁場定向的電流分解方法【8】【9】，死區(qū)電壓脈沖寬度補償方法【10】【11】，無電流傳感的死區(qū)時間預測補償方法【12】【13】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(qū)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。基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(qū)電壓矢量之間的關系進行相應的補償，如果該方法和死區(qū)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(qū)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(qū)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(yōu)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(tài)性能也會相應的降低。
    2.2 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(wěn)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(fā)報警，使系統不能穩(wěn)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【14】【15】【16】，它的出現也和死區(qū)效應有很大的關系【17】【18】。對死區(qū)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(fā)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【19】。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【20】，但是算法復雜，在通用的v/f控制平臺上實現比較困難。
    2.3 簡單磁通矢量控制方法
    普通的v/f控制是建立在穩(wěn)態(tài)電機模型上的，忽略了定子電阻壓降，因而對電機動態(tài)過程中的狀態(tài)不能控制，由于是開環(huán)控制，對負載的波動或者電機參數變化不敏感，動態(tài)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(jié)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【21】【22】。該方法在6hz時可以提供200％的額定力矩【23】。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。
    2.4 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(huán)是必不可少的，轉速閉環(huán)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(fā)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(huán)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(huán)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【24】，基于理想模型的觀測和估計方法有:開環(huán)磁鏈估算和帶補償的磁鏈估算;模型參考自適應法(mras);閉環(huán)觀測器法?；诜抢硐胩匦缘姆椒ㄓ?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。
    無速度傳感矢量控制技術在實現中有幾個特別值得關注的方面，它們對系統控制性能和控制精度有著十分重要的影響【25】。這幾個方面是:
(1) 電流及電壓信號的檢測和信號處理技術
其中信號的處理技術主要是對檢測到的電流電壓信號如何進行有效精確的濾波，既能重現有效信號同時不產生幅值衰減和相位滯后。比較實用的方法有簡化的擴展卡爾曼濾波器，形態(tài)濾波器等。
(2) 定子電阻的在線調整問題
定子電阻阻值在電機運行時隨著溫度升高有很大的變化，最大變化可以達到額定值的150％，如何在運行中在線檢測定子電阻，同時調整相應的控制量，對系統性能的影響是很重要的。
(3) 死區(qū)效應的補償技術
(4) 建立精確的動態(tài)電機模型問題
在線或者離線測得的電機參數只是在某一時刻得到的，如果參數在運行中發(fā)生變化，電機的模型也應該相應的改變，以達到最佳的控制效果。目前實用研究中使用的較多的是模型參考自適應的方法。
(5) 逆變器模型的重構問題
這個技術主要是針對在極限情況下0hz運行時提出的。這種情況下功率器件的飽和壓降和集電極電流的時間關系都要加以考慮。

    3 pwm調制策略的若干技術
    早期的pwm調制方法基本上是通過硬件電路模擬產生，主要以正弦波脈寬調制為主，后來發(fā)展到模擬和數字電路混和控制，當前的調制技術基本上是通過軟件算法直接實現的。軟件實現有著非常明顯的優(yōu)勢:程序編寫靈活，修改方便，在相同的硬件條件下可以實現多種調制策略，同時維護方便，抗擾性強。從最初追求電壓波形的正弦，到電流波形的正弦，再到磁通的正弦;從效率最優(yōu)，轉矩脈動最少，再到消除噪音等，pwm控制技術的發(fā)展經歷了一個不斷創(chuàng)新和不斷完善的過程。pwm控制技術從控制思想上分，可分為四類，即等寬pwm法、正弦波pwm法(spwm)、磁鏈追蹤型pwm法和電流跟蹤型pwm法。近幾年新近提出的不連續(xù)的svpwm方法和隨機pwm方法在這里作為重點加以介紹。
    3.1 spwm法
    spwm法從電動機供電電源的角度出發(fā)，著眼于如何產生一個可調頻調壓的三相對稱正弦波電源。具體方法是以一個正弦波作為基準波(稱為調制波)，用一列等幅的三角波(稱為載波)與基準正弦波相交，由它們的交點確定逆變器的開關模式。為了提高逆變器的輸出電壓幅值，針對spwm法，人們提出了準優(yōu)化pwm法，即三次諧波疊加法。在正弦波中注入一定比例的三次諧波后，調制波的幅值大大降低，在調制波沒有過調制的情況下，可使基波幅值超過三角波幅值，實現調制系數大于1的調制。在這種調制方式下，最大調制比可提高到1.15左右，相應直流母線電壓的利用率最大可提高15％。
    3.2 svpwm法
    磁鏈追蹤型pwm法又稱為電壓空間矢量脈寬調制(svpwm)，與spwm法不同，它是從電動機的角度出發(fā)的，著眼點在于如何使電動機獲得圓磁場。它以三相對稱正弦波電壓供電時交流電動機的理想磁鏈因為基準，用逆變器不同開關模式所產生的實際磁鏈矢量來追蹤基準磁鏈圓，由追蹤的結果決定出逆變器的開關模式，形成pwm波。逆變器的開關模式有8個空間電壓矢量，其中v0、v7為零電壓矢量。svpwm不僅使得電機轉矩脈動降低，電流波形畸變減小，而且與spwm技術相比直流母線電壓利用率有很大提高，在這種調制模式下直流母線電壓的利用率最大可提高15％，并易于數字實現。
    3.3 不連續(xù)的svpwm策略(dhpwm)
    不連續(xù)的svpwm方法是近幾年提出的一種新穎的電壓空間矢量脈寬調制策略，國外文獻稱為不連續(xù)的svpwm策略(dhpwm)，國內有些文章稱為混和型調制策略(hpwm)或低開關損耗模式調制。對于連續(xù)pwm調制方法，三相調制波都位于其對應載波的峰值之間，因此，所有的連續(xù)pwm調制方法，其逆變器的開關損耗都是相同的，且與負載電流的相角無關。降低開關損耗最簡單的方法就是使開關器件不動作，或者在一個周期中盡量少動作。傳統的svpwm方法中零矢量(v0和v7)的位置在脈寬生成中是對稱存在的，零矢量的導通時間相等，而且位置是固定的，不能改變【26】。如果保持有效導通矢量的時間不變，這樣合成的空間電壓矢量有效值不會受到影響，同時改變零矢量v0和v7在脈寬分配中的位置，使開關動作的次數減少，這就是不連續(xù)的svpwm方法【27】【28】。
    零矢量的分配和位置不同就會有不同的調制效果。如果在三個相鄰矢量所夾扇區(qū)固定選用一個適當的零矢量，可使每一組在一個周期內有120°的扇區(qū)內不開關。每相不開關范圍是連續(xù)的120°的區(qū)域，因而導致上下橋臂的開關損耗不一致，波形畸變比svpwm要大很多。如果在相鄰的60°區(qū)間選用不同的零矢量，這樣有三種零矢量的分配方案。實際應用中應該盡量使每相開關器件在負載電流較小的區(qū)間內開關，安排大的負載電流在不開關的扇區(qū)內,這樣不僅可以減少開關次數,同時還可以有效降低開關器件的最大開關電流，從而使開關損耗最小【29】【30】。該方法可以將開關次數減少到原來svpwm的1/3，極大的降低了開關損耗，同時由于插入零矢量的位置改變了逆變器的續(xù)流過程，對抑制電流波形的振蕩和失真也有一定的效果。在工程中對該方法調制時的死區(qū)效應補償技術的實現存在一定的困難，一種行之有效的方法是在每個扇區(qū)內對有效導通主矢量的補償【11】。
    3.4 隨機脈寬調制技術(rpwm)
    在變頻器供電的交流傳動系統中,噪聲問題長期以來一直受到人們的關注，在某些低噪聲的場所變頻器和電機所發(fā)出的噪聲令人難以忍受。變頻器噪聲主要由逆變器所采用的脈寬調制方法所致。在一般的pwm方法中，逆變器的功率開關是以“確定的”方式通斷的,這種控制方式雖然可以很好地抑制電壓波形中的低次諧波,但卻將產生某些幅值很大的高次諧波,這些諧波主要集中在一倍和兩倍的載波頻率附近,它們將產生明顯的噪聲和振動。近年來出現的隨機脈寬調制(rpwm) 為解決逆變器的噪聲問題提供了一種全新的思路【31】。隨機pwm的基本思想是用一種隨機的開關策略代替常規(guī)pwm中固定的開關模式,以使逆變器輸出電壓的諧波頻譜均勻地分布在一個較寬的頻率范圍內,達到抑制噪聲和機械振動的目的。
    目前有三種可行的rpwm方案【32】:
    (1) 隨機化開關頻率
    即在傳統的spwm中，使三角載波的斜率隨機變化，那么每周的開關次數可隨機變化，從而達到開關頻率隨機的目的。
    (2) 隨機化脈沖位置
    在這種方案中，隨機量是開關信號脈沖在每個通斷周期內的位置。最簡單的是只有兩位隨機選擇，一種在開始，一種在結束。
    (3) 隨機開關
    隨機波與正弦參考信號相比，比較的結果形成了數字rpwm信號。
在現有的空間矢量脈寬調制技術的基礎上可以采用隨機化脈沖位置的方法實現隨機pwm【33【34】。
    在上面優(yōu)化的svpwm中分析了零矢量位置的不同，會降低系統的開關損耗，如果采用隨機的方法將這些優(yōu)化的svpwm隨機調制，在每一個載波周期出現各種零矢量插入的位置不同，就會隨機改變脈沖位置，實現隨機pwm調制的目的。目前比較簡單和實用的方法只用2個零矢量固定的方式隨機切換，由一個隨機函數產生一個隨機的兩種狀態(tài)0和1，如果為0，將零矢量v0作用在開關周期的兩頭;如果為1，將零矢量v7作用在開關周期的中間。該方法實質上是兩種低開關損耗調制的隨機切換。
    隨機函數產生的狀態(tài)隨機性越好，切換的調制狀態(tài)越多，系統的諧波能量就能更好的連續(xù)的分布，隨機pwm的效果就會越好。但是同時算法實現的難度和對控制器的實時性要求也會提高。采用rpwm方法，可以有效的降低逆變器系統的噪聲，同時將某些集中的離散的高頻成分轉化為連續(xù)的平均分布的頻率成分，降低了向外傳播的電磁干擾。
    3.5 過調制技術
    過調制技術主要是在空間矢量脈寬調制(svpwm)基礎上來實現的一種技術。對高性能交流傳動系統來說，如何充分利用直流電壓,以獲得最大輸出電磁轉矩是一個很重要的因素。尤其是在弱磁階段時，為了獲得足夠的電壓，有必要控制逆變器工作在過調制范圍。傳統的spwm控制時逆變器輸出電壓只能達到方波工況的78.54%，而空間矢量脈寬調制(svpwm)能夠將輸出電壓提高到方波工況時的90.69%，為了獲得更大的輸出電壓，逆變器必須工作在過調制區(qū)，直至達到方波工況。
    目前學術界提出的空間電壓矢量過調制方法有許多種,其算法的復雜程度和效果都各不相同【35】【36】。但是輸出電壓矢量調制方法實質上一般只有兩種過調制方法:雙模式控制，將過調制區(qū)間分為兩個部分分別調制;單模式控制，即是將過調制區(qū)間作為一個整體控制。實質上單模式只是雙模式的一種工程簡化，因而實現簡單，但是產生的基波電壓相比雙調制要低一些，諧波含量高【37】。如果控制器的運算速度和存儲空間足夠，可以采用雙模式控制，提高系統的輸出特性。角度和調制比的關系可以離線獲得存儲在ram中，或者在線采用擬合曲線進行計算得到【38】。

    4 結束語
    本文討論了控制策略和調制策略在改善變頻器性能方面的若干技術和方法。這些方法可以在一個通用的硬件平臺上全部由軟件實現，有利于模塊化和集成化。文中針對其中的一些技術問題進行了介紹和討論，提出了一些相應的解決思路和方法，供大家探討。