通用變頻器控制方式的分析

臧殿紅

【摘 要】在三相異步電動機的調速系統中，變頻調速因其調速方便、節能、運行可靠等優點，已逐步取代了傳統的變極調速、電磁調速和調壓調速等調速方式。闡述了變頻器中常用的四種控制方式，分析了它們的工作原理、優缺點及應用場合，為變頻器的選用提供一個參考。

【關鍵詞】三相異步電動機；變頻器；控制方式

0 引言

在電力拖動系統中，三相異步電動機因結構簡單、價格便宜、堅固耐用、維護方便等諸多優點被廣泛應用在工業領域；但其數學模型復雜，是一個高階、強耦合、非線性的多變量系統，對其電磁轉矩的控制，不能像直流電動機那樣通過勵磁電流和電樞電流來靈活地進行控制[1]，所以異步電動機在較長一段時間內主要應用在無調速要求的傳動系統中。

20世紀60年代以來，隨著電力電子技術、計算機技術和自動化技術的發展，變頻調速技術逐步發展并得到了廣泛的應用。目前，在交流調速系統中，變頻調速是效率最高、性能最好的調速手段，可以使系統達到和直流調速相媲美的性能。通用變頻器按控制方式分為三種類型：U/f控制方式，轉差頻率控制方式、矢量控制和直接轉矩控制方式，本文詳細分析了四種方式的控制原理、優缺點及其應用場合，為工程技術人員選擇變頻器時提供參考。

1 U/f控制變頻器

1.1 控制原理

三相異步電動機定子每相電動勢的有效值是：

E1=4.44kr1 f1N1？準M（1）

如果定子每相電動勢的有效值E1保持不變，改變定子頻率時就會出現兩種情況：

（1）f1>f1N時，氣隙磁通？準M小于額定氣隙磁通量？準MN，此時電動機的鐵心沒有得到充分利用，但是在機械條件允許的情況下長時間使用不會損壞電動機。

（2）f1？準MN，此時電動機的鐵心產生過飽和，導致過大的勵磁電流，嚴重時會因繞組過熱而損壞電動機。

為了在不損壞電動機的條件下，充分利用電動機的鐵心，發揮電動機轉矩的能力，最好在變頻調速時保持每極磁通？準M為額定值不變。要保持？準M不變，當頻率f1從額定頻率f1N向下調節時，應使E1/f1為常數，由于繞組中的感應電動勢E1難以直接控制，當電動勢的值較高時，可以忽略定子繞組的漏磁阻抗壓降，而認為定子相電壓U1≈E1，即

U1/f1=常數（2）

這就是U/f控制方式。隨著頻率的降低，U1和E1也較小，定子阻抗上的壓降所占分量比較顯著，不能忽略，導致電動機的最大轉矩減小。為此，在低頻時，應適當提高U1，來補償定子阻抗上的壓降，這種方法稱為轉矩補償。

1.2 優缺點

優點：結構簡單，工作可靠，控制運算速度要求不高；

缺點：調速精度和動態性能較差；只控制了氣隙磁通，不能調節轉矩，性能不高；由于不含有電流控制，起動時必須具有給定積分環節，以抑制電流沖擊；低頻時轉矩不足，需轉矩補償，以改變低頻時轉矩特性。

1.3 應用

U/f控制方式在應用中有普通型和恒定電磁轉矩功能型兩種。普通型U/f控制變頻器是轉速開環控制，無需速度傳感器，控制電路比較簡單，性價比較高，是目前通用型變頻器產品中使用較多的一種控制方式。風機、泵類負載，負載轉矩與轉速的平方成正比，低速時負載轉矩較小，通常選擇普通功能性U/f控制變頻器。

恒定電磁轉矩功能型是為了使轉子磁通恒定不隨負載的變化而變化，采用磁通回饋控制使異步電動機所輸入的三相正弦電流在空間產生圓形旋轉磁場，從而產生恒定的電磁轉矩。由于磁鏈的軌跡是靠電壓空間向量相加得到的，所以這種控制方法也稱為“電壓空間向量控制”，這種功能的實現仍是通過控制定子電壓和頻率之間的關系來實現的，屬于U/f控制方式。攪拌機、擠壓機、傳送帶、廠內運輸電車、起重機的提升機構和提升機等恒轉矩類負載，采用此類變頻器是比較理想的[2]。

2 轉差頻率控制（SFC）變頻器

2.1 控制原理

式中，轉差頻率fs=sf1，是施加于電動機的交流電壓頻率f1（變頻器的輸出頻率）與以電動機實際速度nn作為同步轉速所對應的電源頻率fn的差頻率，即f1=fs+fn。電動機穩態運行時，轉差頻率較小，如果E1/f1=常數，則電動機的轉矩基本上與轉差頻率成正比。在進行變頻調速時，在電動機轉子上安裝測速發電機等速度檢出器得出fn，并根據希望得到的轉矩調節變頻器的輸出頻率f1，這樣就可以使電動機得到設定的轉差頻率fs0，即使電動機具有所需的輸出轉矩。這就是轉差頻率的控制原理，是一種直接控制轉矩的方法。

2.2 優缺點

優點：基本上控制了電機轉矩，提高了轉速調節的動態性能和穩態精度，同時還可以控制電動機的轉子電流，起到保護電動機的作用。

缺點：不能真正控制動態過程的轉矩，動態性能不理想。

2.3 應用

應用于對系統靜態、動態性能指標要求不太高的生產系統中。

3 矢量控制（VC）變頻器

3.1 控制原理

矢量控制是一種高性能異步電動機的控制方式，它仿照直流電動機的調速特點，以電流產生的旋轉磁動勢相同為準則，將異步電動機的定子電流，即變頻器的輸出電流iA、iB、iC通過3s/2s變換，由（4）式實現，等效為兩相靜止坐標系下的兩相交流電流iα、iβ，再利用2s/2r坐標變換，由（5）式實現，等效為兩相旋轉坐標系下的兩相直流電流id、iq，id是產生磁場的電流分量（勵磁電流），iq是產生轉矩的電流分量（轉矩電流）。

3.2 優缺點

優點：將定子電流解耦為勵磁電流和轉矩電流，分別控制，提高了控制性能。

缺點：采用轉子磁場定向，對電機參數的依賴性大，而電機參數存在時變性，難以達到理想的控制效果[3]。

3.3 應用

矢量控制分為帶速度反饋的矢量控制和無速度反饋的矢量控制。帶速度反饋的控制方式不但可以使電動機得到很硬的機械特性，還具有很好的動態響應性能，軋鋼、造紙、塑料薄膜加工線這一類對動態性能要求較高的機械，原來多采用直流傳動方式，目前可采用有速度傳感器的向量控制變頻器進行控制；無速度反饋的向量控制應用在一些對動態響應要求不高的場合。

4 直接轉矩控制（DTC）變頻器

4.1 控制原理

直接轉矩控制摒棄了向量控制中解耦的思想，在定子坐標系（α—β）下分析交流電動機的數學模型，通過電動機定子電壓和電流，借助瞬時空間向量理論計算電動機的磁鏈和轉矩，并根據與給定值比較所得差值，采用兩點式（Bang-Bang）控制，對PWM開關模式進行選擇，實現對磁鏈和轉矩的直接控制。控制原理如圖2所示。

4.2 優缺點

優點：采用定子磁場定向，對電機參數的依賴性減小；通過轉矩偏差和定子磁鏈偏差來確定電壓向量，不必進行復雜的坐標變換，計算大大簡化。

缺點：會出現轉矩脈動，且相對于向量控制來說，調速范圍不夠寬。

4.3 應用

直接轉矩控制技術由于控制系統結構簡單，動靜態性能優良已獲得廣泛的實際應用，特備適用于需要快速轉矩響應的大慣量運動控制系統中，如電力機車。

5 結語

變頻器的每種控制方式都有缺點，為了獲得更好的控制性能，可將一種控制方法和其他控制方法結合起來使用，如轉差頻率矢量控制變頻調速系統。除上述四種控制方式外，還有一些控制方式在變頻器的控制中得以實現，如最優控制、自適應控制、差頻控制、環流控制等。控制方式是決定變頻器性能的關鍵所在，選用變頻器時并不是檔次越高越好，而要按實際的負載特性，以滿足使用要求為準，做到量才使用、經濟實惠。

【參考文獻】

[1]張貞艷，左瑞.三相異步電動機矢量控制系統的研究[J].煤礦機械，2014，35（1）：57-59.

[2]宋峰青，陳立香.變頻技術[M].北京：中國勞動社會保障出版社，2008.

[3]程啟明，程尹曼，等.交流電機控制策略的發展綜述[J].電力系統保護與控制，2011，39（9）：145-154.

[責任編輯：湯靜]