第四讲感应电动机变频调速方法的比较及选用

宋  凯  刘宝廷  宋凌锋  宋立伟  (哈尔滨工业大学150001)

  l变频方法的比较

    感应电动机变频调速从主回路结构形式上分，有交一交频和交一直一交变频；从无功能量的处理方式上分，有电压型和电流型两种；从输出的波形上分有方波、阶梯波、PAM和PwM变频；从控制技术上可分为开环控制、PID闭环控制、转差控制、矢量控制、直接转矩控制和智能控制；从控制电路实现上还可分为模拟电路和数字电路变频。

  　1．1交-交变频与交-直-交变频

交一交变频主回路元件数量较多，一般，输出****为电网频率的1／3～1／2，所以交一交变频特别适用低速大容量的系统中，小容量使用交-交变频不合算。交-直-交变频调速范围宽，还可提高功率因数和进一步降低成本，但是由于两次换能，效率略低。

1．2电压型变频器和电流型变频器电压型变频器储能元件为电容器，被控量为电压，动态响应较慢，制动时需在电源侧设置反并联逆变器才能实现能量回馈，可适应多电机拖动。电流型变频器储能元件为电抗器，动态响应快，可直接实现回馈制动，感应电动机电流型变频调速系统可以频繁、快速地实现四象限运行，更适宜1台逆变器对1台电机供电的单机运行方式。

1．3 PwM控制技术及分类

    对变频器输出的波形进行傅立叶分析，方波的谐波含量比较大，逆变器无论是180^o导通型，还是120^o导通型，较低次谐波分量都非常大，采用阶梯波只能是有限的降低谐波分量。采用．PWM控制技术可以有效除去低次谐波分量，能防止低速时的转矩脉动，但这使输出波形中所含的高次谐波分量比方波输出时大，谐波损耗仍然很大；此外，在高精度场合，谐波转矩也不容忽视。

    早期一般采用PAM方式，即脉冲幅值调制，调频调压分开；现在采用PwM方式，调频同时调压。目前已经提出并得到应用的PwM控制方案不少于10种，等脉宽PwM法因为谐波分量较大而趋于淘汰，现在方兴未艾的是正弦波脉宽调制SPwM，它包括电压SPWM、磁通SPWM(空间电压矢量SVPwM)和电流SPwM。电压SPwM****缺点是电压利用率低(输出电压有效值只为进线电压的0．864倍)；通常采用过调制方法克服，这使在高压时消除谐波目的没有达到，磁通SPwM即SVPwM具有转矩脉冲小、噪声低，电压利用率高(输出电压提高15％)和谐波电流有效值的总和接近优化(最少)的优点，因此得到广泛应用。电流正弦PwM技术可以满足电机控制良好的动态响应，在极低转速下亦能平稳运转。除此之外，还有优化PwM技术和随机PwM技术，主要着眼点都是在不提高开关频率的前提下消除谐波，抑制转矩脉动和噪声。这两种方法可进一步消除波形死区畸变。

1．4控制原理上的若干控制技术

    在动态性能要求不高的场合，选择开环控制，成本低、维护方便。速度或电流闭环可提高动态性能，转差控制还可进一步提高动态性能。真正使感应电动机调速性能可与直流机调速性能相比拟的是矢量控制，前面几种控制策略是平均值意义上的控制，而矢量控制是瞬时值的控制，所以响应速度快，只是实现起来非常复杂，成本偏高。与矢量控制相比，直接转矩控制是用对感应电机定子磁通的控制来代替对转子磁通的控制，可实现转矩的直接控制，它在很大程度上克服了矢量控制中计算控制复杂、特性易受电机参数变化影响、实际性能难以达到理论分析结果的缺点。理论上采用这种控制技术的感应电动机调速系统静动态性能更好，但是低速稳定性差、带负载能力不及矢量控制调速系统。

    近几年，有把应用于过程控制领域的专家控制、模糊控制和神经网络控制等智能控制应用于电机调速系统，且出现了滑模控制调速系统，这种变结构控制技术是一种模型参考自适应控制，优点是，传动系统的响应对参数变化和负载扰动不敏感。在它所适用的场合，需要有严密的速度或位置跟踪。

1．5模拟电路与数字电路控制

    目前模拟电路控制已趋于淘汰，数字电路中的CPU从8位到16位，到今天的32位，集成度愈来愈高，并且出现了功能极强的专用芯片，如矢量控制芯片AD2S100和各类PWM专用芯片，现在常用的SPWM芯片有EF4752、SLE4520、MA818和8XCl96MC。4752输出的频率范围窄1～200Hz，开关频率不超过2kF{z，只有一个封锁端，可用于晶闸管驱动；4520输出频率0～2 600Hz，开关频率高达23．4kHz，具有动静态输出禁止功能，但需要不断地给其送产生SPWM波所需要的预置数，容易造成软件上的延时，并且波形为单缘调制，高频时，载波比较小，电流畸变严重，MA818克服了以上缺点，输出调制频率可达4kHz，开关频率可达到24kHz，适用于中高速变频。8XCl96MC是16位处理器内置SPWM波发生器。

2变频方法的选用

    在选择变频器时，不管是何种变频器，哪怕是通用型变频器也要注意变频方法，有些通用型变频器可提供几种变频方法；开发变频器时最重要的问题之一是采用何种变频方法。变频方法的选用直接决定硬件电路设计和软件编程。选用时要综合变频器和电机一起考虑，注意电机类型、参数及应用场合。

    ①单电机还是多电机系统，电流型变频器适用于单机运行方式。②一象限、二象限、三象限还是四象限传动系统，如果是四象限传动系统，则应选用电流型变频器。⑧速度范围，是否包括零速和弱速范围，如果有较低速范围，则****选择电流SPWM，在控制原理上选用矢量控制要比直接转矩控制带负载能力强。如果输出频率为电网频率1／2以下、容量较大则应选用交一交变频，其它情况一律选择交一直一交变频。高频变频时为降低开关损耗PAM方式与PWM方式可同时使用，如果选用PWM专用芯片则应****MA818；****方案是选用优化PWM技术、随机PWM技术或谐振技术(软开关技术)。④输出量哪种为主，是位置、速度还是转矩的控制系统。位置、速度控制可以选择相应的传感器进行PID闭环控制。输出量为转矩则应选用直接转矩控制或矢量控制。⑤精度和响应时间的要求。精度或动态性能要求较高则应选用矢量控制或直接转矩控制；在矢量控制和直接转矩控制中应****32位单片机，例如数字信号微处理器,DSP，最卷用的是TMS320G25⑥脉动转矩、谐波及功率因数是否需要控制。转矩脉动和高次谐波的控制一般借助PWM控制技术、选用优化PWM技术和随机PWM技术。⑦传动系统是否要求产生鲁棒响应或参数不敏感响应，如有要求，则应选用直接转矩控制技术或滑模变结构控制技术等。变频方法选用时须注意两点：一是要按变频逐一对上述的五种分类原则下的各种变频方法分别进行选用；二是不同分类原则下的变频方法是互相包容的，在同一分类愿则下有些变频方法也有可能包容其它方法，以上是变频方法选用时的一些基本依据，另外在前文所述变频方法的比较中也给出了一些选用原则，具体选用时可参照进行分析；从而作出合理正确的选择。

(待续)