高性能的通用變頻器

　　1一般通用變頻器的局限性  

　　采用一般的通用變頻器給異步電動機(jī)供電時，可以實(shí)現(xiàn)無級平滑調(diào)速，起動和停車都很方便。但是，調(diào)速時有靜差，精度不高，調(diào)速范圍不過1:10左右，而且也不能像直流調(diào)速系統(tǒng)那樣提供很高的動態(tài)性能。  

　　2高性能通用變頻器的控制策略  

　　要實(shí)現(xiàn)高動態(tài)性能，必須充分研究電機(jī)的物理模型和動態(tài)數(shù)學(xué)模型�，F(xiàn)在常用的高性能控制策略有矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制兩種。  

　　矢量控制系統(tǒng)的特點(diǎn)是:采用由轉(zhuǎn)子磁鏈決定d-軸方向的dq同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，把異步電機(jī)的定子電流分解為其勵磁分量和轉(zhuǎn)矩分量，得到類似于直流電機(jī)的轉(zhuǎn)矩模型，再采取措施把非線性系統(tǒng)變換成兩個獨(dú)立的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子磁鏈的子系統(tǒng)，從而模仿直流電機(jī)分別用PI調(diào)節(jié)器進(jìn)行控制。選用高精度的光電碼盤轉(zhuǎn)速傳感器時，矢量控制系統(tǒng)的調(diào)速范圍可達(dá)1:1000，動態(tài)性能也很好。但按轉(zhuǎn)子磁鏈定向會受電機(jī)參數(shù)變化的影響而失真，從而降低了系統(tǒng)的調(diào)速性能，采用智能化調(diào)節(jié)器可以克服這一缺點(diǎn)，提高系統(tǒng)的魯棒性。 

　　直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)舍去比較復(fù)雜的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換，僅在兩相靜止坐標(biāo)系上構(gòu)成轉(zhuǎn)矩和定子磁鏈的反饋信號，并用雙位式砰-砰控制代替線性調(diào)節(jié)器來控制轉(zhuǎn)矩和定子磁鏈，根據(jù)二者的變化選擇電壓空間矢量的PWM(SVPWM)開關(guān)狀態(tài)，以控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。這種系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)簡單，轉(zhuǎn)矩響應(yīng)快，又避免了轉(zhuǎn)子參數(shù)變化的影響。但砰-砰控制會使輸出轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生脈動，影響系統(tǒng)的低速性能。 

　　從理論基礎(chǔ)上看，矢量控制系統(tǒng)和直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)都是基于異步電動機(jī)動態(tài)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行控制的。在兩相坐標(biāo)系上的異步電動機(jī)具有4階電壓方程和1階運(yùn)動方程，其狀態(tài)方程應(yīng)該是5階的，須選取5個狀態(tài)變量。在系統(tǒng)的動態(tài)模型中，輸入變量是Usd，Usq，ω1，TL，對于籠型轉(zhuǎn)子電機(jī)，轉(zhuǎn)子內(nèi)部是短路的，Urd=Urq=0，因此，可供選用的狀態(tài)變量共有9個，即轉(zhuǎn)速ω、4個電流變量isd，isq，ird，irq和4個磁鏈變量ψsd，ψsq，ψrd，ψrq。轉(zhuǎn)子電流ird和irq是不可測的，不宜用作狀態(tài)變量，只能選定子電流isd，isq和轉(zhuǎn)子磁鏈ψrd，ψrq，或者選定子電流isd，isq和定子磁鏈，也就是說，可以有ω-ψr-is狀態(tài)方程和ω-ψs-is狀態(tài)方程兩種。矢量控制選用了ω-ψr-is方程，而直接轉(zhuǎn)矩控制選用的是ω-ψs-is方程。  

　　從總體控制結(jié)構(gòu)上看，兩者都采用轉(zhuǎn)矩和磁鏈分別控制，轉(zhuǎn)矩控制環(huán)(或電流的轉(zhuǎn)矩分量環(huán))都處于轉(zhuǎn)速環(huán)的內(nèi)環(huán)，可以抑制磁鏈變化對轉(zhuǎn)速子系統(tǒng)的影響，從而使轉(zhuǎn)速和磁鏈子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了近似的解耦。因此兩種系統(tǒng)都能獲得較高的靜、動態(tài)性能。  

　　但是，由于具體控制方案的區(qū)別，兩者在控制性能上卻各有千秋。矢量控制系統(tǒng)采用轉(zhuǎn)子磁鏈定向，因而實(shí)現(xiàn)了定子電流轉(zhuǎn)矩分量與磁鏈分量的解耦，可以按線性系統(tǒng)理論分別設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速與磁鏈調(diào)節(jié)器(一般采用PI調(diào)節(jié)器)，實(shí)行連續(xù)控制，從而獲得較寬的調(diào)速范圍;但按ψr定向受電動機(jī)轉(zhuǎn)子參數(shù)變化的影響，降低了控制系統(tǒng)的魯棒性。直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)則實(shí)行Te和ψs砰-砰控制，避開了旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換，簡化了控制結(jié)構(gòu);控制定子磁鏈而不是轉(zhuǎn)子磁鏈，不受轉(zhuǎn)子參數(shù)變化的影響;砰-砰控制本身屬于P控制，可以獲得比PI調(diào)節(jié)器更快的動態(tài)響應(yīng)(由于沒有電流內(nèi)環(huán)，須注意限制最大沖擊電流);但不可避免地產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩脈動，而且?guī)Хe分環(huán)節(jié)的磁鏈電壓模型在低速時準(zhǔn)確度較差，這都使系統(tǒng)的低速性能受到限制。  

　　3矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制的應(yīng)用和發(fā)展  

　　矢量控制系統(tǒng)和直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)都是高性能的交流調(diào)速系統(tǒng)，都已獲得廣泛的實(shí)際應(yīng)用，由于它們各自的特色，在應(yīng)用領(lǐng)域上又各有側(cè)重。矢量控制除用于一般調(diào)速外，更適用于寬范圍調(diào)速系統(tǒng)和伺服系統(tǒng)，而