1、變頻器常用的控制方式綜述華中科技大學 控制科學與工程系 董 瑋 秦 憶 摘 要:綜述了近年來在變頻器控制中常用的控制方式以及各自的特點，展望了今后變頻器控制方式發(fā)展的一些方向。 關鍵詞:變頻器 控制 abstract: the control methods and characteristics of inverters are summarized in this paper and the developments in the future of the inverters' control methods are proposed, too. keywords: invert

2、er control變頻調(diào)速技術是現(xiàn)代電力傳動技術的重要發(fā)展方向，而作為變頻調(diào)速系統(tǒng)的核心變頻器的性能也越來越成為調(diào)速性能優(yōu)劣的決定因素，除了變頻器本身制造工藝的“先天”條件外，對變頻器采用什么樣的控制方式也是非常重要的。本文從工業(yè)實際出發(fā)，綜述了近年來各種變頻器控制方式的特點，并展望了今后的發(fā)展方向。 1 變頻器簡介1 1.1 變頻器的基本結構 變頻器是把工頻電源(50hz或60hz)變換成各種頻率的交流電源，以實現(xiàn)電機的變速運行的設備，其結構如圖1所示，其中控制電路完成對主電路的控制，整流電路將交流電變換成直流電，直流中間電路對整流電路的輸出進行平滑濾波，逆變電路將直流電再逆變成交流電。對

3、于如矢量控制變頻器這種需要大量運算的變頻器來說，有時還需要一個進行轉(zhuǎn)矩計算的cpu以及一些相應的電路。 1.2 變頻器的分類 變頻器的分類方法有多種，按照主電路工作方式分類，可以分為電壓型變頻器和電流型變頻器；按照開關方式分類，可以分為pam控制變頻器、pwm控制變頻器和高載頻pwm控制變頻器；按照工作原理分類，可以分為v/f控制變頻器、轉(zhuǎn)差頻率控制變頻器和矢量控制變頻器等；按照用途分類，可以分為通用變頻器、高性能專用變頻器、高頻變頻器、單相變頻器和三相變頻器等。 2 變頻器中常用的控制方式 2.1 非智能控制方式 在交流變頻器中使用的非智能控制方式有v/f協(xié)調(diào)控制、轉(zhuǎn)差頻率控制、矢量控制、直

4、接轉(zhuǎn)矩控制等。 (1) v/f控制 v/f控制是為了得到理想的轉(zhuǎn)矩-速度特性，基于在改變電源頻率進行調(diào)速的同時，又要保證電動機的磁通不變的思想而提出的，通用型變頻器基本上都采用這種控制方式。v/f控制變頻器結構非常簡單，但是這種變頻器采用開環(huán)控制方式，不能達到較高的控制性能，而且，在低頻時，必須進行轉(zhuǎn)矩補償，以改變低頻轉(zhuǎn)矩特性。 (2) 轉(zhuǎn)差頻率控制 轉(zhuǎn)差頻率控制是一種直接控制轉(zhuǎn)矩的控制方式，它是在v/f控制的基礎上，按照知道異步電動機的實際轉(zhuǎn)速對應的電源頻率，并根據(jù)希望得到的轉(zhuǎn)矩來調(diào)節(jié)變頻器的輸出頻率，就可以使電動機具有對應的輸出轉(zhuǎn)矩。這種控制方式，在控制系統(tǒng)中需要安裝速度傳感器，有時還加有

5、電流反饋，對頻率和電流進行控制，因此，這是一種閉環(huán)控制方式，可以使變頻器具有良好的穩(wěn)定性，并對急速的加減速和負載變動有良好的響應特性。 (3) 矢量控制2 矢量控制是通過矢量坐標電路控制電動機定子電流的大小和相位，以達到對電動機在d、q、0坐標軸系中的勵磁電流和轉(zhuǎn)矩電流分別進行控制，進而達到控制電動機轉(zhuǎn)矩的目的。通過控制各矢量的作用順序和時間以及零矢量的作用時間，又可以形成各種pwm波，達到各種不同的控制目的。例如形成開關次數(shù)最少的pwm波以減少開關損耗3。目前在變頻器中實際應用的矢量控制方式主要有基于轉(zhuǎn)差頻率控制的矢量控制方式和無速度傳感器的矢量控制方式兩種。 基于轉(zhuǎn)差頻率的矢量控制方式與轉(zhuǎn)

6、差頻率控制方式兩者的定常特性一致，但是基于轉(zhuǎn)差頻率的矢量控制還要經(jīng)過坐標變換對電動機定子電流的相位進行控制，使之滿足一定的條件，以消除轉(zhuǎn)矩電流過渡過程中的波動。因此，基于轉(zhuǎn)差頻率的矢量控制方式比轉(zhuǎn)差頻率控制方式在輸出特性方面能得到很大的改善。但是，這種控制方式屬于閉環(huán)控制方式，需要在電動機上安裝速度傳感器，因此，應用范圍受到限制。 無速度傳感器矢量控制是通過坐標變換處理分別對勵磁電流和轉(zhuǎn)矩電流進行控制，然后通過控制電動機定子繞組上的電壓、電流辨識轉(zhuǎn)速以達到控制勵磁電流和轉(zhuǎn)矩電流的目的。這種控制方式調(diào)速范圍寬，啟動轉(zhuǎn)矩大，工作可靠，操作方便4，但計算比較復雜，一般需要專門的處理器來進行計算，因此

7、，實時性不是太理想，控制精度受到計算精度的影響。 (4) 直接轉(zhuǎn)矩控制 直接轉(zhuǎn)矩控制是利用空間矢量坐標的概念，在定子坐標系下分析交流電動機的數(shù)學模型，控制電動機的磁鏈和轉(zhuǎn)矩，通過檢測定子電阻來達到觀測定子磁鏈的目的，因此省去了矢量控制等復雜的變換計算，系統(tǒng)直觀、簡潔，計算速度和精度都比矢量控制方式有所提高。即使在開環(huán)的狀態(tài)下，也能輸出100%的額定轉(zhuǎn)矩，對于多拖動具有負荷平衡功能5。 (5) 最優(yōu)控制 最優(yōu)控制在實際中的應用根據(jù)要求的不同而有所不同，可以根據(jù)最優(yōu)控制的理論對某一個控制要求進行個別參數(shù)的最優(yōu)化。例如在高壓變頻器的控制應用中，就成功的采用了時間分段控制和相位平移控制兩種策略，以實現(xiàn)

8、一定條件下的電壓最優(yōu)波形6。 (6)其他非智能控制方式 在實際應用中，還有一些非智能控制方式在變頻器的控制中得以實現(xiàn)，例如自適應控制789、滑模變結構控制101112、差頻控制13、環(huán)流控制14、頻率控制151617等，限于篇幅，這里不再累述，有興趣的讀者可自行參閱有關文獻。 2.2 智能控制方式 智能控制方式主要有神經(jīng)網(wǎng)絡控制、模糊控制、專家系統(tǒng)、學習控制等。在變頻器的控制中采用智能控制方式在具體應用中有一些成功的范例。 (1) 神經(jīng)網(wǎng)絡控制 神經(jīng)網(wǎng)絡控制方式應用在變頻器的控制中，一般是進行比較復雜的系統(tǒng)控制，這時對于系統(tǒng)的模型了解甚少，因此神經(jīng)網(wǎng)絡既要完成系統(tǒng)辨識的功能，又要進行控制。而且

9、神經(jīng)網(wǎng)絡控制方式可以同時控制多個變頻器1819，因此在多個變頻器級聯(lián)時進行控制比較適合。但是神經(jīng)網(wǎng)絡的層數(shù)太多或者算法過于復雜都會在具體應用中帶來不少實際困難。 (2) 模糊控制 模糊控制算法用于控制變頻器的電壓和頻率，使電動機的升速時間得到控制，以避免升速過快對電機使用壽命的影響以及升速過慢影響工作效率2021。模糊控制的關鍵在于論域、隸屬度以及模糊級別的劃分，這種控制方式尤其適用于多輸入單輸出的控制系統(tǒng)。 (3) 專家系統(tǒng) 專家系統(tǒng)是利用所謂“專家”的經(jīng)驗進行控制的一種控制方式，因此，專家系統(tǒng)中一般要建立一個專家?guī)欤娣乓欢ǖ膶＜倚畔ⅲ硗膺€要有推理機制，以便于根據(jù)已知信息尋求理想的控制結

10、果。專家?guī)炫c推理機制的設計是尤為重要的，關系著專家系統(tǒng)控制的優(yōu)劣。應用專家系統(tǒng)既可以控制變頻器的電壓，又可以控制其電流2223。 (4) 學習控制 學習控制主要是用于重復性的輸入，而規(guī)則的pwm信號(例如中心調(diào)制pwm)恰好滿足這個條件，因此學習控制也可用于變頻器的控制中24。學習控制不需要了解太多的系統(tǒng)信息，但是需要12個學習周期，因此快速性相對較差，而且，學習控制的算法中有時需要實現(xiàn)超前環(huán)節(jié)，這用模擬器件是無法實現(xiàn)的，同時，學習控制還涉及到一個穩(wěn)定性的問題，在應用時要特別注意。 3 變頻器控制的展望 隨著電力電子技術、微電子技術、計算機網(wǎng)絡等高新技術的發(fā)展，變頻器的控制方式今后將向以下幾個

11、方面發(fā)展。 (1) 數(shù)字控制變頻器的實現(xiàn) 現(xiàn)在，變頻器的控制方式用數(shù)字處理器可以實現(xiàn)比較復雜的運算，變頻器數(shù)字化將是一個重要的發(fā)展方向，目前進行變頻器數(shù)字化主要采用單片機mcs5125或80c196mc320等，輔助以sle45202528或epld液晶顯示器29等來實現(xiàn)更加完善的控制性能。 (2) 多種控制方式的結合 單一的控制方式有著各自的優(yōu)缺點，并沒有"萬能"的控制方式，在有些控制場合，需要將一些控制方式結合起來，例如將學習控制與神經(jīng)網(wǎng)絡控制相結合30，自適應控制與模糊控制相結合3132，直接轉(zhuǎn)矩控制與神經(jīng)網(wǎng)絡控制相結合33，或者稱之為”混合控制"34，這樣

12、取長補短，控制效果將會更好。 (3) 遠程控制的實現(xiàn) 計算機網(wǎng)絡的發(fā)展，使"天涯若咫尺"，依靠計算機網(wǎng)絡對變頻器進行遠程控制也是一個發(fā)展方向。通過rs4853536接口及一些網(wǎng)絡協(xié)議對變頻器進行遠程控制，這樣在有些不適合于人類進行現(xiàn)場操作的場合，也可以很容易的實現(xiàn)控制目標3738。 (4) 綠色變頻器 隨著可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的提出，對于環(huán)境的保護越來越受到人們的重視。變頻器產(chǎn)生的高次諧波對電網(wǎng)會帶來污染，而且降低變頻器工作時的噪聲以及增強其工作的可靠性、安全性等等這些問題，都試圖通過采取合適的控制方式來解決，設計出綠色變頻器。 4 結束語 變頻器的控制方式是一個值得研究的問題，

13、依靠致力于這項工作的有識之士的共同努力，使國產(chǎn)變頻器早日走向世界市場并且成為一流的產(chǎn)品。 參考文獻 1 變頻器原理與應用教程·三菱電機株式會社編·國防工業(yè)出版社 2 變頻器基礎及應用·原奎，劉偉強編著·冶金工業(yè)出版社 3 用于內(nèi)園磨床的中頻變頻器控制策略的研究·倪紅，吳慶彪·機電一體·2001(2):3740 4 無速度傳感器矢量控制變頻器在超細粉生產(chǎn)中給料機的應用·林偉，趙鳳金，孫曉明·自動化與儀表·2001，vol.16(1):6667 5 直接轉(zhuǎn)矩控制的變頻器在長皮帶傳動中的應用·

14、;陳新楚，吳廷坤·工業(yè)控制計算機·2000,vol.13(6):5354 6 電壓胞級聯(lián)的高壓變頻器的控制策略·程漢湘，尹項根·電力系統(tǒng)自動化·2002(1):4952 7 adaptable inverter for injection of fuel cell and photovoltaic power·soter, s., buchhold, s·power conversion conference·pcc-osaka 2002. proceedings of the·vol.3: 1453 1

15、455 8 novel adaptive hysteresis band modulation strategy for three-phase inverters·bowes, s.r., grewal, s., holliday, d. ·electric power applications, iee proceedings·2001, vol.148(1):5161 9 adaptive repetitive control of pwm inverters for very low thd ac-voltage regulation with unkno

16、wn loads·ying-yu tzou, shih-liang jung, hsin-chung yeh·power electronics, ieee transactions on· 1999, vol.14(5):973981 10 ups inverter design using discrete-time sliding-mode control scheme·tsang-li tai; jian-shiang chen·industrial electronics, ieee transactions on·2002

17、, vol.49(1):6775 11 control design for parallel-connected dc-ac inverters using sliding mode control·lopez, m.; garcia de vicuna, j.l.; castilla, m.; matas, j.; lopez, o. ·power electronics and variable speed drives· eighth international conference on (iee conf. publ. no. 475) ·2

18、000:457460 12 space vector alpha-beta sliding mode current controllers for three-phase multilevel inverters·fernando silva, j.; rodrigues, n.; costa, j. ·power electronics specialists conference·pesc 00. 2000 ieee 31st annual·2000, vol.1: 133138 13 通用變頻器差頻控制系統(tǒng)設計·謝宗安，張銘瑞，姜孝華等

19、·貴州工學院學報·1995，vol.24(4):15 14 交交變頻器的環(huán)流控制方法·張林亭·中小型電機·1998，vol.25(2):2830 15 frequency control of mosfet full bridge power inverter for maximizing output power to megasonic transducer at 3 mhz·mizutani, y.; suzuki, t.; ikeda, h.; yoshida, h.; shinohara, s.·industry

20、applications conference·thirty-third ias annual meeting. the 1998 ieee·vol.3:16441651 16 frequency control of a current-fed inverter for induction heating·khan, i.; tapson, j.; de vries, i.·industrial electronics·isie 2000. proceedings of the 2000 ieee international symposiu

21、m on·vol.1:343346 17 application of pulse frequency modulation for voltage frequency control of inverters·ammar, a.; el-bakry, m.; godah, h.m.·sice '95. proceedings of the 34th sice annual conference. international session papers· 1995:15651570 18 modeling of switching condit

22、ions of a multilevel inverter structure with neural networks in control environment·gulez, k.; mutoh, n.; harashima, f.; ohnishi, k.; pastaci, h.·power conversion conference·pcc-osaka 2002. proceedings of the·vol.3:13631368 19 analogue implementation of a neural network controlle

23、r for ups inverter applications·xiao sun; chow, m.h.l.; leung, f.h.f.; dehong xu; yousheng wang; yim-shu lee·power electronics, ieee transactions on·2002, vol.17(3):305313 20 關于模糊控制算法在變頻器控制中的應用·楊智明，劉釗，夏濤等·現(xiàn)代電子技術·2000(8):7981 21 a novel welding inverter power source syst

24、em with constant current output characteristic based on fuzzy logic control·zhang junhong; wang hongfang·electrical machines and systems·icems 2001. proceedings of the fifth international conference on·2001, vol.1:567570 22 the determination of supply harmonic currents produced b

25、y multiple pwm voltage source inverter induction motor drives: an expert system approach·cross, g.; walbridge, a.e.; nazarko, j.; poplawski, m.; zalewski, w.·electric power engineering·powertech budapest 99. international conference on·1999: 93 23 expert system based automated si

26、mulation and design optimization of a voltage-fed inverter for induction motor drive·chhaya, s.m.; bose, b.k. ·industrial electronics, control, and instrumentation·proceedings of the iecon '93., international conference on·1993, vol.2:10651070 24 digital repetitive learning c

27、ontroller for three-phase cvcf pwm inverter·keliang zhou; danwei wang·industrial electronics, ieee transactions on·2001, vol.48(4):820830 25 微機控制全數(shù)字化spam變頻器的研制·程汝驥，駱寶平，尚宏芳·電氣傳動自動化·1994，vol.16(2):5560 26 通過uss協(xié)議實現(xiàn)變頻器的plc控制·張松順，謝汝生·工業(yè)儀表與自動化裝置·2001(2):3941 2

28、7 通過串行通訊實現(xiàn)plc對變頻器的控制·劉萬里，殷華文，李壯舉·現(xiàn)代電子技術·2001(11):3841 28 全數(shù)字控制igbt-spwm變頻器的研究·孫守信，王聰，胡家運·電工技術學報·1994(4):5963 29 數(shù)字式下變頻器控制系統(tǒng)研制·丁俊民·南通工學院學報·1999，vol.15(4):1214 30 learning techniques to train neural networks asastate selector for inverter-fed induction mach

29、ines using direct torque control·cabrera,l.a.; elbuluk,m.e.; zinger,d.s.·power electronics,ieee transactions on·1997,vol.12(5) 31 application of adaptive neuro-fuzzy controller (anfis) for voltage source inverter fed induction motor drive·aware, m.v.; kothari, a.g.; choube, s.o.·power electronics and motion control conference·2000. proceedings. piemc 2000. the third international·2000, vol.(2):935939 32 digital adaptive hysteresis current control based on the fuzzy logic for pwm inverters ·c