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着。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用智能控制的方法，但是算法复杂，在复杂的V/f控制平台上实现比较困难。
     2.3 简单磁通矢量控制方法
      普通的V/f控制是建立在稳态电机模型上的，忽略了定子电阻压降，因而对电机动态过程中的状态不能控制，由于是开环控制，对负载的波动或者电机参数变化不敏感，动态性能不高。简单磁通矢量控制方法是在普通V/f控制的基础上对电机电流进行了控制，具体表现在通过把变频器输出的电流进行矢量分解计算得到力矩电流分量和励磁电流分量，然后调节电压使电机电流和负载力矩相匹配，从而改善低速力矩特性。该方法在6Hz时可以提供200%的额定力矩。矢量计算所用到的一些电机参数预先存放在控制器的RAM中，针对某一型号电机这些参数基本上是常数。
     2.4 基于无速度传感器的矢量控制技术
     对于高性能的交流调速控制系统，速度闭环是必不可少的，转速闭环需要实时的电机转速，目前速度反馈量的检测多是采用光电脉冲编码器、旋转变压器或测速发电机。速度传感器价格比较昂贵，明显增加了系统的硬件成本；对环境的适应能力不强，不利于使用在高温或者振动的场合；信号传输距离受到限制不能在长距离的线路中可靠的工作。因此研究无速度传感器交流调速系统，对提高系统的可靠性、环境的适应性、进一步扩大交流调速系统的应用范围具有重要意义，已经成为国内外学术界和工程界近年来的研究热点。 无速度传感器控制的最终目的是同时对电动机转速、转子磁链以及电动机参数进行精确的估记。对电机转速和磁链的估算方法有好多种，基于理想模型的观测和估计方法有：开环磁链估算和带补偿的磁链估算；模型参考自适应法（MRAS）；闭环观测器法。基于非理想特性的方法有：利用齿谐波信号的转速辨识方法；旋转高频注入转子凸极检测法；漏感脉动检测法；dq阻抗差异定向法；饱和凸极检测方法；对电机参数的检测有离线式检测和在线式检测两种方法。 无速度传感器矢量控制技术在实现中有几个特别值得关注的方面它们对系统控制性能和控制精度有着十分重要的影响。这几个方面是：
    （1） 电流及电压信号的检测和信号处理技术 其中信号的处理技术主要是对检测到的电流电压信号如何进行有效精度的滤波，既能重现有效信号同时不产生幅值衰减和相位滞后。比较实用的方法有简化的扩展卡尔曼滤波器，形态滤波器等。
    （2） 定子电阻的在线调整问题 定子电阻阻值在电机运行时随着温度升高有很大的变化，最大变化可以达到额定值的150%，如何在运行中在线检测定子电阻，同时调整相应的控制量，对系统性能的影响是很重要的。
    （3） 死区效应的补偿技术
    （4） 建立精确的动态电机模型问题 在线或者离线测得的电机参数只是在某一时刻得到的，如果参数在运行中 发生变化，电机的模型也应该相应的改变，以达到最佳的控制效果。目前实用研究中使用的较多的是模型参考自适应的方法。
    （5） 逆变器模型的重构问题 这个技术主要是针对在极限情况下0Hz运行时提出的。这种情况下功率器件的饱和压降和集电极电流的时间关系都要加以考虑。
     
3 PWM调制策略的若干技术
     早期的PWM调制方法基本上是通过硬件电路模拟产生，主要以正弦波脉宽调制为主，后来发展到模拟和数字电路混合控制，当前的调制技术基本上是通过软件算法直接实现的，软件实现有着非常明显的优势：程序编写灵活，修改方便，在相同的硬件条件下可以实现多种调制策略，同时维护方便，抗扰性强。从最初追求电压波形的正弦，到电流波形的正弦，再到磁通的正弦；从效率最优，转距脉动最少，再到消除噪音等，PWM控制技术的发展经历了一个不断创新和不断完善的过程。PWM控制技术从控制思想上分，可以分四类，即等宽PWM法、正弦波PWM法（SPWM）、磁链追踪型PWM法和电流跟踪型PWM法。近几年新近提出的不连续的SVPWM方法和随机PWM方法在这里作为重点加以介绍。
    3.1 SPWM法
     SPWM法从电动机供电电源的角度出发，着眼于如何产生一个可调频调压的三相对称正弦波电源。具体方法是以一个正弦波作为基准波（称为调制波），用一列等幅的三角波（称载波）与基准正弦波相交，由它们的交点确定逆变器的开关模式。为了提高逆变器的输出电压幅值，针对SPWM法，人们提出了准优化PWM法，即三次谐波叠加法。在正弦波中注入一定比例的三次谐波后，调制波的幅值大大降低，在调制波没有过调制的情况下，可使基波幅值超过三角波幅值，实现调制系数大于1的调制。在这种调制方式下，最大调制比可提高到1.15左右，相应直流母线电压的利用率最大可提高15%。
     3.2 SVPWM法     
     磁链追踪型PWM法又称为电压空间矢量脉宽调制（SVPWM），与SPWM 法不同，它是从电动机的角度出发的，着眼点在于如何使电动机获得圆磁场。它以三相对称正弦波电压供电时交流电动机的理想磁链因为基准，用逆变器不同开关模式所产生的实际磁链矢量来追踪基准磁链圆，由追踪的结果决定出逆变器的开关模式，形成PWM波。逆变器的开关模式有8个空间电压矢量，其中V0、V7为零电压矢量。SVPWM不仅使得电机转距脉动降低，电流波形畸变减少，而且与SPWM技术相比直流母线电压利用率有很大提高，在这种调制模式下直流母线电压的利用率最大可提高15%，并易于数字实现。
     3.3 不连续的SVPWM策略（DHPWM）
     不连续的SVPWM方法是近几年提出的一种新颖的电压空间矢量脉宽调制策略，国外文献称为不连续的SVPWM策略（DHPWM），国内有些文章称为混合型调制策略（HPWM）或低开关损耗模式调制。对于连续PWM调制方法，三相调制波都位于其对应载波的峰值之间，因此，所有的连续PWM调制方法，其逆变器的开关损耗都是相同的，且与负载电流的相角无关。降低开关损耗最简单的方法就是使开关器件不动作，或者在一个周期中尽量少动作。传统的SVPWM方法中零矢量（V0和V7）的位置在脉宽生成中是对称存在的，零矢量的导通时间相等。而且位置是固定的，不能改变。如果保持有效导通矢量的时间不变，这样合成的空间电压矢量有效值不会受到影响，同时改变零矢量V0和V7在脉冲分配中的位置，使开关动作的次数减少，这就是不连续的SVPWM方法。零矢量的分配和位置不同就会有不同的调制效果。如果在三个相邻矢量所夹扇区固定选用一个适当的零矢量，可使每一组在一个周期内有120º的扇区内不开关。每相不开关范围是连续的120º的区域，因而导致上下桥臂的开关损耗不一致，波形畸变比SVPWM要大很多。如果在相邻的60º区间选用不同的零矢量，这样有三种零矢量的分配方案。实际应用中应该尽量使每相开关器件在负载电流较小的区间内开关。安排大的负载电流在不开关的扇区内，这种不仅可以减少开关次数，同时还可以有效降低开关器件的最大开关电流，从而使开关损耗最小。该方法可以将开关次数减少到原来SVPWM的1/3，极大的降低了开关损耗，同时由于插入零矢量的位置改变了逆变器的续流过程，对抑制电流波形的振荡和失真也有一定的效果。在工程中对该方法调制时的死区效应补偿技术的实现存在一定的困难。一种行之有效的方法是在每个扇区内对有效导通主矢量的补偿。
     3.4 随机脉宽调制技术（RPWM）
     在变频器供电的交流传动系统中，噪声问题长期以来一直受到人们的关注，在某些低噪声的场所变频器和电动机发出的噪声令人难以忍受。变频器噪声主要由逆变器所采用的脉宽调制方法所致。在一般的PWM方法中，逆变器的功率开关是以“确定的”方式通断的，这种控制方式虽然可以很好地抑制电压波形中的低次谐波，但却将产生某种幅值很大的高次谐波，这些谐波主要集中在一倍和两倍的载波频率附近，它们将产生明显的噪声和振动。近年来出现的随机脉宽调制（RPWM）为解决逆变器的噪声问题提供了一种全新的思路。随机PWM的基本思想是用一种随机的开关策略代替常规PWM中固定的开关模式，以使逆变器输出电压的谐波频谱均匀地分布在一个较宽的频率范围内，达到抑制噪声和机械振动的目的。目前有三种可行的RPWM方案：
    （1） 随机化开关频率 即在传统的SPWM中，使三角载波的斜率随机变化，那么每周的开关次数可随机变化，从而达到开关频率随机的目的。
    （2） 随机化脉冲位置 在这种方案中，随机量是开关信号脉冲在每个通断周期内的位置。最简单的是只有两位随机选择，一种在开始，一种在结束。
    （3） 随机开关 随机波与正弦参考信号相比，比较的结果形成了数字RPWM信号。在现在有的空间矢量脉宽调制技术的基础上可以采用随机化脉冲位置的方法实现随机PWM。在上面优化的SVPWM中分析了零矢量位置的不同，会降低系统的开关损耗，如果采用随机的方法将这些优化的SVPWM随机调制，在每一个载波周期出现各种零矢量插入的位置不同，就会随机改变脉冲位置，实现随机PWM调制的目的。目前比较简单和实用的方法只有2个零矢量固定的方式随机切换，由一个随机函数产生一个随机的两种状态0和1，如果为0，将零矢量V0作用在开关周期的两头；如果为1，将零矢量V7作用在开关周期的中间。该方法实质上是两种低开关损耗调制的随机切换。 随机函数产生的状态随机性越好，切换的调制状态越多，系统的谐波能量就能更好的连续的分布，随机PWM的效果就会越好。但是同时算法实现的难度和对控制器的实时性要求也会提高。采用RPWM方法，可以有效的降低逆变器系统的噪声，同时将某些集中的离散的高频成分转化为连续的平均分布的频率成分，降低了向外传播的电磁干扰。
        3.5 过调制技术
     过调制技术主要是在空间矢量脉宽调制（SVPWM）基础上来实现的一种技术。对高性能交流传动系统来说，如何充分利用直流电压，以获得最大输出电磁转距是一个很重要的因素。尤其是在弱磁阶段时，为了获得足够的电压，有必要控制逆变器工作在过程调制范围。传统的SPWM控制时逆变器输出电压只能达到方波工况的78.54%，而空间矢量脉宽调制（SVPWM）能够将输出电压提高到方波工况时的90.69%，为了获得更大的输出电压，逆变器必须工作在过调制区，直至达到方波工况。目前学术界提出的空间电压矢量过调制方法有许多种，其算法的复杂程度和效果都各不相同。但是输出电压矢量调制方法实质上一般只有两种过调制方法：双模式控制，将过调制区间分为两个部分分别调制；单模式控制，即是将过调制区间作为一个整体控制。实质上单模式只是双模式的一种工程简化，因而实现简单，但是产生的基波电压相比双调制要低一些，谐波含量高。如果控制器的运算速度和存储空间足够，可以采用双模式控制，提高系统的输出特性。角度和调制比的关系可以离线获得存储在RAM中，或者在线采用拟合曲线进行计算得到。 4 结束语 本文讨论了控制策略和调制策略在改善变频器性能方面的若干技术和方法。这些方法可以在一个通用的硬件平台上全部由软件实现，有利于模块化和集成化。文中针对其中的一些技术问题进行了介绍和讨论，提出了一些相应的解决思路和方法，供大家探讨