变频调速及其控制技术的现状与发展趋势

变频调速及其控制技术的现状与发展趋势摘要：变频调速技术以其卓越的调速性能、显著的节电效果在各个领域得到广泛的应用，为节能降耗、改善控制性能、提高产品的产量和质量提供了重要手段。本文首先回顾了变频调速技术的发展历史和现状，然后总结了变频调速中的关键控制技术，并介绍了智能控制理论在变频调速系统中的应用情况，最后指出了变频调速技术的发展趋势。关键字：变频调速技术 矢量控制 异步电动机 PWM技术 智能控制1 变频调速技术的发展历史及现状变频调速技术涉及到电力、电子、电工、信息与控制等多个学科领域。随着电力电子技术、计算机技术和自动控制技术的发展，以变频调速为代表的近代交流调速技术有了飞速的发展。交流变频调速传动克服了直流电机的缺点，发挥了交流电机本身固有的优点（结构简单、坚固耐用、经济可靠、动态响应好等），并且很好地解决了交流电机调速性能先天不足的问题。交流变频调速技术以其卓越的调速性能、显著的节电效果以及在*领域的广泛适用性，而被公认为是一种最有前途的交流调速方式，代表了电气传动发展的主流方向。交流调速技术为节能降耗、改善控制性能、提高产品的产量和质量提供了至关重要的手段。变频调速理论已形成较为完整的科学体系，成为一门相对独立的学科。变频装置有交-直-交系统和交-交系统两大类。交-直-交系统又分为电压型和电流型，其中，电压型变频器在工业中应用最为广泛。本文所涉及的就是此类变频调速理论和技术。20世纪是电力电子变频技术由诞生到发展的一个全盛时代。最初的交流变频调速理论诞生于20世纪20年代，直到60年代，由于电力电子器件的发展，才促进了变频调速技术向实用方向发展。70年代席卷工业发达国家的石油危机，促使他们投入大量的人力、物力、财力、去研究高效率的变频器，使变频调速技术有了很大的发展并得到推广应用。80年代，变频调速已产品化，性能也不断提高，发挥了交流调速的优越性，广泛地应用于工业各部门，并且部分取代了直流调速。进入90年代，由于新型电力电子器件如IGBT（绝缘栅双极晶体管Insolated Gate Bipolar Transistor），IGCT(集成门极换向型晶闸管Integrated Gate Commutated Thyristor)等的发展及性能的提高、计算机技术的发展，如由16位机发展到32位机以及DSP（数字信号处理器Digital signal processor）的诞生和发展等以及先进控制理论和技术的完善和发展（如磁场定向矢量控制、直接转矩控制）等原因，极大地提高了变频调速的技术性能，促进了变频调速技术的发展，使变频器在调速范围、驱动能力、调速精度、动态响应、输出性能、功率因数、运行效率及使用的方便性等方面大大超过了其它常规交流调速方式，其性能指标也超过了直流调速系统，达到取代直流调速系统的地步。目前，交流变频调速以其优越的性能而深受各行业的普遍欢迎，在电力、轧钢、造纸、化工、水泥、煤炭、纺织、铁路、食品、船舶、机床等传统工业的改造中和航天航空等新技术的发展应用中无不看到变频调速技术的踪影，变频调速技术取得了显著的经济效益。国外交流变频调速技术的现状具有以下特点：(1) 在功率器件方面，近年来高电压、大电流的SCR、GTO、IGBT、IGCT等器件的生产以及并联、串联技术的应用，使高电压、大功率变频器产品的生产及应用成为现实。(2) 在微电子技术方面，16位、32位的高速处理器以及DSP和ASIC（专用集成电路Application Specific IC）技术的快速发展，为实现变频器高精度、多功能化提供了硬件手段。(3) 在控制理论方面，矢量控制、磁通控制、转矩控制、智能控制等新的控制理论为研制高性能变频器的发展提供了相关理论基础。(4) 在产品化生产方面，基础工业和各种制造业的高速发展，促进了变频器相关配套件的社会化、专业化生产。在国家“八五”科技攻关计划中，交流调速技术被列为重点科技攻关项目。在“九五”计划中，交流调速及相关技术也受到重视。但是我国电力半导体器件虽然经过较长时间的发展，总体水平仍然很低，几乎不具备新产品的独立开发能力。IGBT、GTO器件的生产虽引进了国外技术，但一直未形成规模经济效益，变频器产品所用半导体功率器件的制造也几乎是空白，这在一定程度上影响了变频调速技术的发展。从总体上看我国电气传动的技术水平较国际先进水平差距10-15年。在大功率交-交变频技术、无换向器电机等方面，国内虽然有少数科研单位有能力制造，但在数字化及系统可靠性方面与国外相比，还有相当差距。在中小功率变频技术方面，国内几乎所有的产品都是采用普通V/F控制，仅有少量样机采用矢量控制，品种与质量还不能满足市场需要，只能靠大量进口产品满足需求。2 变频调速中的关键控制技术及其发展(1) 矢量控制技术1971年西门子公司提出的矢量变换控制是一种新的控制思想和控制理论。其基本思想是把交流电机模拟成直流电机进行控制。它是以转子磁场定向，采用矢量交换的方法实现交流电动机的转速和磁链控制的完全解耦。迄今为止，矢量控制技术已经获得了长足的发展。(2) 无速度传感器矢量控制技术近年来高性能异步电机调速系统得到广泛的应用，而速度传感器的安装、维护以及低速性能等方面的问题，影响了异步电机调速系统的简便性、廉价性和可靠性。无速度传感器异步电机的控制已越来越受到人们的关注和重视。无速度传感器矢量控制变频器既具有矢量控制高性能的优点，又具有通用变频器没有速度传感器的长处，但是，在进行矢量控制时如何获得速度信号是无速度传感器矢量控制的技术关键。无速度传感器控制系统获得速度信号的方法是用直接计算、参数辨识、状态估计、间接测量等手段，根据电机定子较易测量的定子电压、电流计算出与速度有关的量，从而得到转子速度，并将其用于速度反馈系统之中。常用的方法有：利用电机的基本方程式（静态和动态）导出速度的方程式进行计算；根据模型参考自适应控制的理论，选择合适的参考模型和可调整模型，利用自适应算法辨识出速度；利用电机的齿谐波电势计算速度等。 从1983年提出无速度传感器矢量控制策略以来，一直受到学术界和产业界的高度重视，日立、安川电机等公司于1987年分别发表了研究成果，并相继推出了产品。目前，无速度传感器矢量控制变频器的调速范围为1:50左右，个别厂商有1:75甚至更高的产品。（3）直接转矩控制技术直接转矩控制技术（简称DTC），是近10年继矢量控制技术之后发展起来的又一新型的高性能交流变频调速技术。实际上，由于转子磁链难以准确观测，系统特性受电机参数的影响比较大，而且矢量变换比较复杂，存在着某些理论与实践不符的情形。 1985年，德国的M.Depenblock首次提出DTC和理论。它直接在定子坐标系下分析交流电动机的数学模型，采用定于磁场定向而无需解耦电流，直接控制电动机的磁链和转矩，着眼于转矩的快速响应，以获得高效的控制性能。这种控制技术与矢量控制技术相比，对电机参数不敏感，不受转子参数的影响，简单易行，在很大程度上克服了矢量控制技术的缺点，具有广阔的发展和应用前景。（4）PWM控制技术随着电压型逆变器在高性能电力电子装置，如交流传动、不间断电源和有源滤波器的应用越来越广泛，PWM控制技术作为这些系统的共用及核心技术，引起人们的高度重视，并得到深入研究。所谓PWM技术就是利用半导体器件的开通和关断把直流电压变成一定形状的电压脉冲序列，来实现频率、电压控制和消除谐波的一门技术。自关断器件的发展为PWM技术铺平了道路，目前几乎所有的变频调速装置采用这一技术。PWM技术用于变频器的控制，可以明显改善变频器的输出波形，降低电动机的谐波损耗，并减小转矩脉动，同时还简化了逆变器的结构，加快了调节速度，提高了系统的动态响应性能。PWM技术除了用于逆变器的控制，还用于整流器的控制，PWM整流器现在已开发成功，利用它可以实现输入电流正弦和电网功率因数为1。人们称PWM整流器是对电网无污染的“绿色”变流器。目前已经提出并得到应用的PWM控制方案就不下数十种。尤其是微处理器应用于PWM技术数字化以后，花样更是不断翻新，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，转矩脉动最少，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。目前仍有新的方案不断提出，这说明该项技术的研究方兴未艾。不少方法已趋成熟，有许多在实际中得到应用。PWM控制技术一般可分为三大类，即正弦PWM、优化PWM及随机PWM。从实现方法上来看，大致有模拟式和数字式两种实现方式。从控制特性来看主要可分为两种：开环式（电压或磁通控制型）和闭环式（电流或磁通控制型）。随着计算机技术的不断进步，数字化PWM已逐步取代模拟式PWM，成为电力电子装置共用的核心技术。交流电机调速性能的不断提高在很大程度上是由于PWM技术的不断进步。目前广泛应用的是在规则采样PWM的基础上发展起来的准优化PWM法，即三次谐波叠加法和电压空间矢量PWM法，这两种方法具有计算简单、实时控制容易的特点。（5）数字化控制技术控制技术的数字化是静止变频装置的核心技术，是今后的发展趋势。目前市场上的变频装置几乎全面实现了数字化控制，由于元件的高性能和小型化，使变频装置实现了控制的高精度。采用DSP和ASIC实现了快速运算和高精度控制，可以得到良好的电流波形变频器的噪音大幅度降低。由于应用微电子技术和ASIC，装置的元器件数量得以大幅度减少，从而使变频装置的可靠性大幅度提高。早期由于受CPU处理速度限制和离散延迟时间的影响，电流控制响应为数毫秒，速度控制响应为十毫秒左右。近年来CPU处理速度的提高和应用DSP、ASIC控制使扫描时间大幅度缩短，目前电流响应为0.10.7ms，速度响应24ms，足以满足传动领域的控制要求。（6）自整定技术在变频调速系统中自整定技术的应用日益广泛，它可以根据速度和负载的变化自动调整控制系统的参数，使得系统具有快速的动态响应。自整定技术分为离线式和在线式两种。离线式的研究成果已经在相当多的产品中应用，它是在运行系统程序之前通过运行一段自整定程序，辨识相关数据，并修改系统程序的相关参数，以期获得良好的系统控制性能。离线式自整定的缺点是当系统运行后，不能实时修改系统参数，因而系统不能获得最佳控制性能。在线式自整定可以实时修改控制器的参数，因而可以获得最佳控制性能。自整定技术的研究课题包括：扩大应用范围、提高精度、在线自整定等。同时，改进控制技术，提高系统鲁棒性也和自整定技术紧密相联系。3 交流变频调速系统中的智能控制理论现代控制理论和智能控制理论在交流传动领域应用十分活跃，在控制量（如磁链、速度、转矩、磁极位置）的检测、估计中已有相当成熟的研究成果，部分成果在产品中得到应用。尤其是应用观测器的理论构造系统状态观测器，估算系统中难以用传感器检测到的物理量，改善系统控制性能，取得了良好的效果。模糊逻辑、神经元网络、变结构控制相结合的智能控制理论在交流传动系统中具有良好的应用前景。智能控制是从解决工程和技术问题的实践中产生和发展起来的。随着自动化程度的提高和普及，受控对象日趋复杂，对于许多难以获得数学模型或模型复杂的过程，应用经典和现代控制理论往往不能取得令人满意的控制效果，甚至完全无能为力，可是在手动控制中，熟练的操作人员却可以驾驭自如。由此，人们很自然地产生了在自动控制技术中借鉴熟练人员经验的想法。计算机控制技术的发展为实现这一愿望提供了可能，计算机在逻辑推理、判断、识别、决策、学习等方面的功能可以承担按照熟练操作人员和专家的经验与方法进行控制的工作。另一方面，许多探索如何实现人脑思维功能的学术领域，如人工智能、专家系统、神经网络、模糊逻辑等的研究取得了可喜的进展，这些研究成果 从不同的角度提出了各种仿照人的知识、思维进行控制的方法，统称为智能控制。它的发展也给交流调速系统的控制性能、自动化水平跃上一个新的台阶。交流传动系统的智能控制已成为当前的一个研究热点。交流电机本质上是一个非线性的被控对象，许多拖动负载含有弹性或间隙等非线性因素，而且交流电机本身的参数（如转子电阻）和负载参数在某些场合会随工况而变化。这使得常规PID调节器在各种工况下不能都保持设计时的性能指标，即系统的鲁棒性较差。智能控制可以充分利用其非线性、变结构、自寻优等各种功能来克服交流调速系统这些时变参数与非线性因素，从而提高系统的鲁棒性。因此，将智能控制用于交流调速系统中，并不是出于建模的困难，而是希望用这些新的方法来克服电气传动对象的变参数、非线性等不利因素，以提高系统的鲁棒性为目的。智能控制无疑是实现交流调速系统的高性能控制的重要手段。无论是模糊控制、神经元控制还是其它的智能控制方法，目前的理论研究都还很不够。智能控制器主要凭经验来设计，对系统的性能缺少客观的理论预见性。整个智能控制的理论框架与体系尚在酝酿之中。交流调速系统的智能控制的理论问题主要体现在：建立比较完整的理论，特别是系统的稳定性和鲁棒性理论，从而保证系统的静态、动态性能。交流传动系统经内环改造后，在不饱和的情况下，可近似为线性的被控对象；而简单模糊控制器或单神经元控制器则可视作一个非线性环节。这种由线性对象和一个非线性环节。这种由线性对象和一个非线性环节所构成的系统称为鲁里叶系统，可应用李亚普诺夫法和波波夫法来分析它们的稳定性。鲁棒性问题是控制理论界的一个研究热点，但迄今为止，所得出的实用结论仍然十分有限。电气传动智能控制系统对于某些参数变化的稳定鲁棒性，可使用分离性原理来求取它的稳定鲁棒性，就可在分离性原理下采用波波夫判断求得保持系统稳定的转动惯量允许变化范围。总之，在目前的理论水平下，可以将电气传动智能控制系统视作一类非线性系统，从而利用现有的非线性理论工具，如李来普诺夫或波波夫法来研究它们的稳定性和稳定鲁棒性。4 变频调速技术的发展趋势20世纪末，交流电动机变频调速技术以电力电子功率变换技术、微电子控制技术为核心得到了惊人的发展，展望21世纪，变频装置的技术将会有更大发展。l 功率变换器的高频低损耗化、自关断化、模块化、高耐压、大容量化；l 控制技术的数字化、矢量控制化、直接转矩控制化；l 无速度传感器矢量控制；l 操作系统的PLC化；l 硬件通用化、调试维护软件化；l 变频装置无谐波化，采用多电平、多重化、带就地补偿；l 工作负荷参数的模型化；l 新理论新机理新材料的出现将会出现新概念功率变换器件、新概念变频装置。本文仅介绍以下五个方面的发展动态：(1) 在开关器件方面：IGBT变频器已成为20世纪90年代变频调速技术的主流，在21世纪相当长的一段时间内仍将是电气传动领域的主导变频器。在21世纪IPM及智能化变频器将会有很大的发展。功率变换、驱动、检测、控制、保护等功能的集成化促进了功率器件及变频器的智能化，实现高效节能、多功能、高性能、高附加值，同时将研究开发新电力电子器件IGCT、IEGT（集成发射式门极晶闸管Integrated Emit Gate Thyristor）、GaAs砷化镓、SiC(碳化硅复合器件) 、光控IGBT及超导功率器件等新功能变频器。(2) 在变频电路拓扑结构方面：基于双PWM能量回馈的绿色变频电路是变频调速技术的发展趋势，即整流部分也采用电力电子自关断器件构成，并对其进行PWM控制。一方面使交流输入电流波形为正弦，且功率因数为*，另一方面实现能量向电网回馈，保证变频器四象限运行。除此之外，PWM整流电路还有助于减少直流环节滤波电容的容量。随着电力半导体器件性能的不断提高和价格的不断下降，这种结构会得到广泛的推广和应用。(3) 在变频控制电路方面：现在变频装置几乎已实现了数字化控制，但控制技术的微电子数字化仍是今后的发展趋势。变频装置的数字化技术是从20世纪80年代中期开始逐步发展到16位、32位微处理器，目前普遍采用DSP。（4）矢量控制技术及直接转矩控制技术：矢量控制技术是高性能交流电机调速系统的的主流控制策略。它所包涵的关键技术有：控制理