變頻器控制方法的對比

彭云

摘 要 探討了不同控制方法下變頻器的特性，并對u/f控制、轉差頻率控制、矢量控制和直接轉矩控制進行了著重對比，最后為實際工程中變頻器的合理選擇和應用提出幾點建議。

【關鍵詞】變頻器 控制方式 特性對比

變頻器是工業控制領域中的重要元器件，以其高精度、寬范圍、高效率，且無級調速等優異性能成為電氣傳動領域的重要電子設備。結合當前變頻器市場應用，從不同控制技術對比探析中歸納控制特性，更好的促進變頻器的合理化選型。

1 變頻器的控制方式

變頻器是借助于電力電子技術、控制技術等來實現對電流、電壓、頻率的改變，以獲得相應的調速控制目標。以異步電動機為例，調速時氣隙磁通保持恒定十分重要，如果磁通太弱，鐵芯難以充分發揮作用，磁通太強，引發電流太大，導致電動機過熱。因此，優化定子頻率控制是確保平穩調速的關鍵。

1.1 u/f控制方式

早期的變頻器采用壓頻比標量控制方式，對異步電動機進行調速控制時，保持氣隙磁通為恒定值，電動機定子每相電動勢的有效值計算為：E1=4.44f1N1Φm。從上式來看，調控E1和f1，來保持氣隙磁通Φm恒定。一種方法是利用U1/f1近似等于常數方式來控制，保持恒轉距調速，但因電動機定子電阻、漏電抗的壓降而需要進行修正；另一種方法是采用基頻以上磁通恒定調速，但因受額定電壓的限制，頻率增加時可能導致主磁通減少，而發生轉矩減少。但綜合來看，異步電動機在變頻器調速控制上，利用u/f控制方式，來改變定子頻率，以獲得低速運行時足夠的轉矩，且不會因為磁飽和而增大勵磁電流，降低功率和效率。因此，在維持最大過載系數不變條件下，可以忽視定子電阻，從而獲得不同負載下的頻率和電壓最佳變化規律。不過，應該指出的是，在變頻調速恒轉矩條件下，當頻率足夠高時可以忽略定子電阻，而在低頻條件下，定子電阻不能忽略。因此，在低頻條件下，應該適當增加u/f比，來補償定子電阻的影響。

1.2 轉差頻率控制方式

轉差頻率控制是根據轉速所對應的頻率與轉差頻率的和，來控制與轉差率有關的轉矩和電流。該方式精度較高，調速范圍較大，但不足是穩定性不夠，易受到外界干擾。當然，從轉差頻率控制中，通過改變轉差率來調整轉速，并通過轉速反饋來控制變頻器的頻率，再控制其相應的轉矩。由于轉差頻率、電流都在控制范圍，使其承受的加減速度、負荷波動較大，影響穩定性。不過，通過利用轉速放大器裝置，來轉換轉差頻率、電流指令，可以獲得較高的調速控制精度。顯然，從頻率指令、定子端電壓指令控制中，該控制結構屬于閉環控制，多用于單機控制，但其機械特性與 u/f控制方式一樣都具有非線性。

1.3 矢量控制方式

隨著變頻器控制技術的革新，以空間矢量控制、參照直流控制方式來實現對異步電動機定子電流空間矢量的分解，從而產生轉子勵磁分量與轉矩的電流分量。該方式力矩高、調速寬，精度也獲得大大提升。利用矢量控制方式可以消除電動機多變量參數的耦合影響，從而獲得優良控制性能。不足是整個電路回路較為復雜，增加了控制成本。矢量控制方法的基本思想是按照旋轉磁場等效原則，通過檢測氣隙中相差90°的極距點磁通量的值，來換算成磁通幅值信號、旋轉磁空間相位角信號。但由于磁槽的影響，對于磁通信號本身所產生的脈動較大，特別是在低速條件下，磁通觀測值變化強烈，不利于有效調速控制。

1.4 直接轉矩控制方式

該方式與矢量控制相比，主要以異步電動機轉矩為被控制量，通過調整轉矩來完成調速控制。直接轉矩控制方式，有效解決了矢量控制中對電機參數的過度依賴，避免了矢量控制中二次坐標的變換及復雜計算，利用三相定子電壓、電流來計算轉矩、勵磁，使轉矩響應在一拍內完成且無超調。作為最先進的控制方式，該方法以交流電動機參數為直接控制，精度大幅提升，但因周邊DSP控制處理器件較多，且成本高，推廣應用范圍受限。

2 不同控制方式的對比分析

從變頻器調速控制性能來看，無論是那種控制方式，都需要從控制指標來衡量系統設計的綜合穩定性。力矩階躍時間是當力矩突然增加所需的時間，由于SPWM開環時間為100ms，矢量控制速度反饋為10～20ms，而DTC開環時間為5ms。由此帶來的電動機從空載到突然增加100%力矩后，瞬時速度必然下降。當力矩階躍時間越少，則誤差越小，反之則越大。同樣，靜態速度誤差主要是在某一轉速下，負載由空載增加到額定值所帶來的轉速降落與空載轉速之間的比值，多用來表示負載變速下的穩定性。通常，SPWM矢量控制編碼反饋與DTC編碼反饋的靜態速度誤差為±0.01%，在系統啟動時，因其負載轉矩小于變頻裝置的啟動轉矩，具有較好的啟動特性。當SPWM調速控制時，啟動轉矩約為150%～180%額定轉矩；而DTC啟動轉矩約為200%額定轉矩，可見，變頻調速控制方式的穩定性能要優于DTC控制方式。

3 變頻器合理化選用分析

從變頻器的選擇使用來看，優于SPWM控制方式無法實現對力矩的有效控制，其精度不足，多適用于風機、泵類負載；矢量控制技術，利用力矩分量、磁通分量來獲得精確控制，保持良好的力矩與速度特性，更適宜控制要求高的工況。不過，由于矢量控制下轉子磁鏈無法準確觀測，加之矢量變換復雜性強，其實際控制效果并非理想。同時，考慮到轉子磁鏈在控制系統中需要加配位置、速度傳感器，給工況應用場合帶來不便。利用直接轉矩控制方式，其性能要優于定子磁鏈控制方式，加上對電動機其他參數的控制，具有較高的魯棒性，具有較廣的應用性。另外，在交流調速系統設計中，要考慮的系統配置的最佳性能，應從設計、結構、成本、維護工作量等方面來合理化選擇，在保障系統技術指標前提下，降低投資，實現高性能價格比。

參考文獻

[1]李國洪，陳華玉.變頻器控制的異步電機參數辨識研究[J].國外電子測量技術，2016（12）：66-69.

[2]易衛喬.基于PLC及變頻器的集成控制方法研究及其應用[J].自動化應用，2016（08）：18-19.

作者單位

江蘇省揚州技師學院 江蘇省揚州市 225003endprint