浅谈改善变频器性能的若干技术

1 引言

目前我国变频器生产厂家所生产的变频器大都是采用普通的V/f控制方式，只有为数不多的几家对外宣称采用了基于无速度的矢量控制技术。在国外品牌中基本上已经到了开环、闭环、无速度控制三位一体的控制思想，尤其值得关注的是ABB公司的DTC控制方法在产品中已经有成功的应用。国内学术界的变频调速系统的研究方面已经做了很多相应的工作，取的了一定的成果，但是相对于国外来说工程化的实践和积累还有一定的差距。如果将理论化的知识转化到我国现有工业化产品实践，提高我国变频调速产品的性能和质量，是一个比较迫切的值得研究的问题。本文试图从控制策略和调制技术两个方面对目前的V/f控制和实现技术进行比较说明，供大家交流和探讨。 通常V/f变频器的系统结构是控制、调制、主回路三个部分组成，其中控制部分和脉宽调制部分全部由软件算法实现。这种控制方法是针对交流电机稳态模型得出的，不依赖电机参数及其变化，因而控制简单，容易实现。但是调速范围比较窄，仅适应于风机、水泵等对调速性能要求不高的负载。为了提高系统低速时候的带载能力和系统的动态性能，满足实际工业现场的需要，必须对现有的控制方法和脉宽调制策略进行相应的改进和提高。下面针对其中几个关键的技术分别进行讨论。

2 控制策略中的若干技术

2.1 补偿技术

补偿技术在开环控制中是不可少的。它包括力矩补偿、滑差补偿和死区效应补偿。在低频时定子电阻的压降相对于变频器输出来说已经不能忽略，必须进行补偿，否则输出电压不够，电机在低频时不动或者转速明显下降。滑差补偿主要是针对电机在负载较大时实际输出转速会低于设定的转速而设计。这两种补偿方法在实际中可以采用简单的固定值进行补偿，改进的方法利用三相电机电流进行计算补偿，不过只是根据电流幅值的补偿，实际上该方法是标量补偿；更为精确的补偿方法是将三相电机交流电流进行矢量分解，同时将电机的损耗参与计算，这样的补偿效果更好。但是这种方法计算比较复杂，同时对电机的部分参数有一定的依赖性，在实现过程中存在一些困难。 死区效应补偿技术在开环控制中占有很重要的作用，它能有效的提高输出电流波形的平滑度和减少谐波，同时能够提高输出电压的有效值和减少电机电流的震荡。特别是在要求静音的环境下，人为的提高载波频率，如果没有死区补偿，在低频时电机即使空载也可能不能运行。目前比较常用的死区补偿技术有电流过零点直接补偿法，基于定子磁场定向的电流分解方法，死区电压脉冲宽度补偿方法，无电流传感器的死区时间预测补偿方法等。电流过零点判断的补偿方法简单易于实现，但是由于电流波形中噪声成分大，同时负载的波动和外界的任何干扰都会引起过零点的判断失误，过零点有一个死区平台影响低频补偿效果，特别是载波频率比较高时尤为显著。基于定子磁场定向的方法不直接判断电流过零点，而是将定子电流在旋转坐标系中分解得到电流矢量角和死区电压矢量之间的关系进行相应的补偿，如果该方法和死区电压脉冲宽度补偿相结合，效果更为突出。相位角预测的死区时间补偿方法是一种省掉电流传感器的固定补偿方法，该方法首先对电流相位角进行预测，然后对死区时间做出相应的补偿，预测的角度可以根据变频器输出容量的不同在软件中设置，或者由外部修改设定。该方法的优点是可以省掉电流传感器，降低成本和系统体积，但是补偿没有根据外部负载变化而相应调整，因而精度和动态性能也会相应的降低。

　　2.2 电流震荡抑制技术

交流电机在PWM方式供电的条件下在电机轻载或者空载的时候由于某些原因电机会在一个比较宽的频率段系统会出现局部不稳定现象，这时电流幅度值波动很大，输出频率也会有一定改变，电流的震荡有可能会导致系统因为过电流而误触发报警，使系统不能稳定可靠的工作。引起震荡的原因是多方面的，比较普通的观点是电机和变频器在能量交换过程中引起的，它的出现也和死区效应有很大的关系。对死区效应进行补偿后可以有效的减少震荡的幅度，但是还不能从根本上抑制震荡。一种有效的方法是当震荡发生时，相应改变实际输出的频率或者电压，通过电流形成一个简单的负反馈系统，达到抑制震荡的目的。但是这种方法也是有一定的局限性。由于不同电机的震荡频率范围是不一样的，从5Hz～30Hz左右变化，而采用电流的幅值控制，只是一个标量，这就使得控制的效果不佳，系统的鲁棒性降低。如果将定子电流进行分解，直接控制影响能量交换的磁通励磁电流分量，抑制效果就会有较大的提高。更为精确有效的方法是采