关于变频控制的文献综述

文献综述：交流变频调速技术是集电力电子、自动控制、微电子、电机学等技术之大成的一项高技术。它以其优异的调速性能、显著的节电效果和在国民经济各领域的广泛应用而被国内外公认为是世界上应用最广、效率最高、最理想的电气传动方案，代表着电气传动的发展方向。它为提高产品质量、节约能源、降低消耗和提高企业经济效益提供了重要的新手段[1]。经过了二十多年的发展，近代交流传动逐渐成为电气传动的主流。目前交流拖动系统的应用领域主要包括三个方面，一是一般性能的节能调速系统和按工艺要求调速系统，如一般的风机、水泵系统；二是高性能的交流调速系统和伺服系统，如精密机床拖动系统和火炮伺服系统；三是特大容量和极高转速的交流调速系统，直流电机由于换向能力的限制不适宜这些调速场合，如厚板轧机、矿井卷扬机和高速离心机等系统都以采用交流调速为宜。变频器产业的潜力非常巨大，它包括所有与变频器技术相关的产业，如电力电子器件的生产、驱动保护集成电路的制造、电气传动技术、系统控制技术和工业现场应用技术等[7][2]。近年来，交流调速在国内外发展十分迅速，打破了过去直流拖动在调速领域中的统治地位。交流拖动已进入了与直流拖动相媲美、相竞争、相抗衡的时代，并有取而代之的趋势，这是现代电力拖动技术发展的主要特征。由于交流电机的诸多优点，其调速系统早就得到了人们的关注，早期的交流电机调速方法，如绕线式异步电机的转子串电阻调速、鼠笼式异步电机的变极调速、定子绕组串电抗器调速等方式都存在效率低、不经济等缺点。交流变频调速的优越性早在20世纪20年代就已被人们所认识，但受到元器件的限制，当时只能用闸流管构成逆变器，由于投资大，效率低，体积大而未能推广。20世纪50年代中期，晶闸管的研制成功，开创了电力电子技术发展的新时代。晶闸管具有体积小、重量轻、响应快、管压低等优点[3]。现代化的电机控制系统的核心技术是如何控制功率开关元件的开关状态，控制方式依据控制理论的不同而不同。交流调速中采用的SPWM(正弦波PWM)、SVPWM(电压空间矢量PWM)以及矢量控制、直接转矩控制等技术，其最终目的都是产生一系列幅值不同脉宽不同的脉冲列来控制电机的运行[4]。20世纪70年代西德的F.Blasschke等人首先提出矢量控制理论，其目的是把定子电流中励磁电流分量与转矩电流分量变成标量独立开来，进行分别控制,通过坐标变换重建异步电机的数学模型，可以使得异步电机等效于直流电机，从而像控制直流电机那样进行快速的转矩和磁通控制[5]。随着计算机技术和电力电子器件制造技术的不断发展，新型电路变换器的不断出现，现代控制理论向交流调速领域的不断渗透，特别是微型计算机及大规模集成电路的发展，交流电机调速技术正向高频化、数字化和智能化方向发展。单片机在交流调速系统中已经得到了广泛的应用。例如由Intel公司开发生产的MCS-96系列的8×196KB、8×196KC、8×196MC等型号的单片机，在通用开环交流调速系统中应用较多。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，就目前而言，尽管变频调速系统的研发在国内比较活跃，但是市场上的绝大部分产品还是被国外产品所占据[6]。在国内，电机的总装机容量已达4亿千瓦，年耗电量达6000亿千瓦时，约占工业耗电量的80%。并且使用中的电机绝大部分是中小型异步电机，加之设备的陈旧，管理、控制技术跟不上，所浪费的电能甚多。有资料表明，受资金、技术、能源价格的影响，我国能源利用效率比发达国家低很多。为此，国家十五计划中，在电机系统节能方面投入的资金高达500亿元左右。在石油石化行业，石油钻井中的钻机，生产现场的抽油机、风机、水泵、输油泵和泥浆泵等电机的运行都要消耗大量的电能，如何充分合理地利用电能显得非常重要。而采用变频调速技术后，节能效果非常明显。新疆克拉玛依油田多处输油泵采用了变频调速装置，如采油三厂在输油泵上应用一台变频器，运行后效果良好，经仪表测试，采用变频调速后，有功节电为65.73%，无功节电为78.79%，功率因数达到0.99。据实际运行统计，变频调速输油节电率为46.83%，316天后可收回全部投资。湖南岳阳长岭炼油厂催化剂厂微球装置高压泵采用100kVA变频器后，输出功率由18.6kW降至7.2kW，节电61.3%。广东茂名石化将变频器大量应用到生产过程中，减轻了工人的劳动强度并大量节约了电能，如糖醛生产线原有12台泵，每天耗电8000kW.h，将其中9台采用变频调速后，每天耗电只有4000kW.h[7]。依据交流异步电动机工作原理，从定子侧输入的电磁功率mP可以分成两部分，一部分mechmP=(1−s)P是拖动负载的有效功率，称为机械功率；另外一部分smP=sP为传输给转子电路的转差功率，与转差率成正比。正弦脉宽调制技术(SPWM)广泛用于伺服控制和逆变电源中,现代交一直—交变换技术是建立在正弦脉宽调制(SPWM)之上的;目前,正弦脉宽调制(SPWM)的理论方法多种多样,理论和方法也在不断改进本文利用DSP28O35实现SPWM波的调制,采用DSP高效运算能力产生SPWM波,控制灵活,修改方便,系统控制可靠性高,性能很好[8]。输出的SPWM波形经过滤波输出后可得到三相正弦交流电压波,且频率可调,可方便用于伺服控制器中，该算法以占空比函数设比入手,可快速配置相关寄存器,算法经过实验验证可行有效,算法较常规方法更简洁,占用内存小,稳定性较好[9]。在三相逆变器中,PWM控制技术获得了广泛应用,其中SPWM是最为先进的控制算法之一.它的实现方法有多种,有模拟电路方法、数字电路方法和软件计算法等.TI公司推出的电机专用控制芯片TMS320LF2407A大大方便SPWM算法,提高了SPWM输出的质量和可靠性[10]。在进行脉宽调制时,使脉冲系列的占空比按正弦规律来安排.当正弦值为最大时,脉宽最大,脉冲之间的间隔最小;当正弦值较小时,脉宽较小,脉冲之间的间隔较大。通过正弦波脉宽调制输出后的电压脉冲系列可以使电机电流中的高次谐波成分大大减少。业内人士普遍认为,交流三相异步电动机的调速性能相对较差,如何改进异步电动机的调速方法,提高其性能显得至关重要,也是节约用电的重要措施之一。变频器调速的出现和应用使得节能效果非常突出,有较为广阔的发展应用前景。本论述就三相异步电动机的几种常用的调速方法及其调速性能的优缺点做一探讨[11]。三相异步电动机的调速方法包括：变极对数、定子调压、定子变频、串级调速、双馈调速、液力耦合、电磁转差离合器等，从调速时的能耗观点来看，有高效调速方法与低效调速方法两种：高效调速指时转差率不变，因此无转差损耗，如多速电动机、变频调速以及能将转差损耗回收的调速方法（如串级调速等）。有转差损耗的调速方法属低效调速，如转子串电阻调速方法，能量就损耗在转子回路中；电磁离合器的调速方法，能量损耗在离合器线圈中；液力耦合器调速，能量损耗在液力耦合器的油中。一般来说转差损耗随调速范围扩大而增加，如果调速范围不大，能量损耗是很小的[12]。与普通异步电动机不同，变频调速异步电动机采用变频器供电，其运行性能与电机本体和调速系统的设计都密切相关。这一方面使变频调速电机的设计要同时兼顾电机本体和调速系统；另一方面也使得变频调速异步电动机的设计变得灵活，但同时也增加了高性能变频调速系统设计的复杂程度。只有结合变频器和一定的控制策略，从整体上进行电机的设计和优化，才能获得最理想的运行性能[13]。电气传动控制系统通常由电动机、控制装置和信息装置3部分组成。电气传动关系到合理地使用电动机以节约电能和控制机械的运转状态(位置、速度、加速度等),实现电能一机械能的转换,达到优质、高产、低耗的目的。电气传动分成不调速和调速两大类,调速又分交流调速和直流调速两种方式。不调速电动机直接由电网供电,但随着电力电子技术的发展这类原本不调速的机械越来越多地改用调速传动以节约电能(节约15%~20%或更多),改善产品质量,提高产量。在我国60写的发电量是通过电动机消耗掉的,因此调速传动是一个重要行业,一直得到国家重视,目前已有一定规模[14]。变频调速技术作为高新技术、基础技术和节能技术,已经渗透到经济领域的所有技术部门中。我国以后在变频调速技术方面应积极做的工作如下：(1)应用变频调速技术来改造传统的产业,节约能源及提高产品质量,获得较好的经济效益和社会效益。(2)大力发展变频调速技术,必需把我国变频调速技术提高到一个新水平,缩小与世界先进水平的差距,提高自主开发能力,满足国民经济重点工程建设和市场的需求。(3)规范我国变频调速技术方面的标准,提高产品可靠性及工艺水平,实现规模化、标准化生产[15]。[1]陈伯时，电力拖动自动控制系统第三版[M]，北京机械工业出版社，2003，40-42，100-111，145-214[2]王晓明，王玲.电动机的DSP控制—TI公司DSP应用[M]，北京航空航天大学出版社，2004，120-184[3]王兆安，黄俊，电力电子技术[M]，北京机械工业出版社，2001，50-57[4]黄俊.电力电子变流技术第三版[M].北京机械工业出版社，1995，204-221[5]刘和平，严利平，张学锋等，TMS320LF240xDSP结构、原理及应用[M]，北京航空航天大学出版社，2002，5-197[6]江思敏.TMS320LF240xDSP硬件开发教程[M]，北京机械工业出版社，2003，88-133[7]范正翘，电力传动与自动控制系统[M]，北京北京航空航天大学出版社，2003.13-27[8]陈伯时.电力电子器件和变流器是现代电机控制发展的先锋[J]，电机与控制学报，1997，3：45-48[9]黄伦学，王田苗，魏洪兴，基于TMS320LF2407A的SPWM波形研究[J]，安徽工程科技学院学报（自然科学版），2006年01期[10]高钟毓，机电控制工程[M]，北京清华大学出版社，2002，4-6[11]张捍东，李冀平，变频器控制方式的比较研究[J]，自动化与仪表，2004，（3）：81-85[12]赵相宾等.谈我国变频调速技术的发展及应用[J]，电气传动，2002，（2）：3-6[13]魏昌洲，薛重德，翟红存，基于SVPWM变频调速系统的建模与仿真[J],中小型电机，2005，（3）：45-48[14]吴忠智，吴加林，变频器应用手册[J]，北京机械工业出版社，2005，556-557[15]贾瑞亮，赵聪，范鹏涛，基于DSP的三相变频SPWM波形算法研究[J]，无线互联科技，2013年08期