對幾種常用變頻調(diào)速控制方式的研究

許鵬飛 西安市地下鐵道有限責(zé)任公司

三相交流電動機(jī)作為工業(yè)生產(chǎn)最主要的驅(qū)動設(shè)備同時也是最主要的耗電設(shè)備，因此電機(jī)的高效節(jié)能對于工業(yè)生產(chǎn)和企業(yè)的發(fā)展都有十分重要的意義。本文對目前國內(nèi)外變頻調(diào)速領(lǐng)域經(jīng)常使用的幾種變頻調(diào)速控制方式進(jìn)行了簡要的介紹，希望借此為后續(xù)對變頻調(diào)速控制方式方法的研究起到一定的參考和啟發(fā)作用。

1 幾種常用變頻調(diào)速控制方式介紹

無論是高壓變頻器，還是中低壓變頻器，只要是通用變頻器，大體采用的控制方式有：恒壓頻比（v/f）控制方式，正弦脈寬調(diào)制（SPWM）控制方式，空間矢量脈寬調(diào)制（SVPWM）控制方式，直接轉(zhuǎn)矩（DTC）控制方式，無速度傳感器矢量控制方式。

1.1 恒壓頻比（v/f）控制方式

恒壓頻比控制方式是定子的磁通值保持為恒定值，電機(jī)轉(zhuǎn)矩大小由電機(jī)的轉(zhuǎn)差率決定的一種控制方式。基于恒壓頻比的控制原理，交流感應(yīng)電機(jī)既可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速開環(huán)控制，也可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制。

優(yōu)點(diǎn)：控制原理簡單，既可實(shí)現(xiàn)開環(huán)控制，也可實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。

缺點(diǎn)：低速性能差；動態(tài)性能較差。

該控制方式能滿足大多數(shù)場合交流電機(jī)調(diào)速控制的要求。

1.2 正弦脈寬調(diào)制（SPWM）控制方式

SPWM控制方式用一系列的矩形脈沖來作為控制逆變器中各開關(guān)器件通斷的依據(jù),將正弦波（調(diào)制波）的每個周期通過載波劃分成N等分,在載波與調(diào)制波交點(diǎn)時,控制開關(guān)器件的通斷,這樣就可以得到一組等幅而脈沖寬度正比于該正弦波的矩形脈沖波形。

優(yōu)點(diǎn)：變頻器的輸出電壓接近正弦波；所含的高次諧波易濾除，濾波器易設(shè)計；硬件電路容易實(shí)現(xiàn)。

缺點(diǎn)：電壓利用率低。

目前絕大多數(shù)變頻器均采用該技術(shù)進(jìn)行變頻調(diào)速控制。

1.3 空間矢量脈寬調(diào)制（SVPWM）控制方式

矢量控制變頻調(diào)速的做法是將異步電動機(jī)三相靜止坐標(biāo)系下的定子電流通過坐標(biāo)變換等效成兩相靜止坐標(biāo)系下的交流電流。再通過按轉(zhuǎn)子磁場定向的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換,等效成同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的直流電流,然后模仿直流電動機(jī)的控制方法,求得直流電動機(jī)的控制量, 經(jīng)過相應(yīng)的坐標(biāo)反變換,實(shí)現(xiàn)對異步電動機(jī)的控制。

優(yōu)點(diǎn)：控制性能高；模型簡單，便于數(shù)字化實(shí)現(xiàn)；轉(zhuǎn)矩脈動小、噪聲低；電壓利用率高。

缺點(diǎn)：需要進(jìn)行坐標(biāo)變換；計算的結(jié)果受轉(zhuǎn)子參數(shù)的影響；控制精度受計算精度限制，實(shí)時性可能會受處理速度的影響。

適應(yīng)于控制精度高，實(shí)時性要求高的場合。是一種很有發(fā)展前景的調(diào)速技術(shù)。

1.4 直接轉(zhuǎn)矩（DTC）控制方式

DTC控制方式通過對定子磁鏈控制來實(shí)現(xiàn)對磁通的有效控制，建立電磁轉(zhuǎn)矩和定子磁鏈的數(shù)學(xué)觀測模型，利用測量的物理量，運(yùn)用軟件技術(shù)來獲得定子磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩的反饋值，采用滯環(huán)式閉環(huán)控制方式，利用電壓空間矢量的開關(guān)狀態(tài)的切換實(shí)現(xiàn)對磁通和電磁轉(zhuǎn)矩的分別控制。

優(yōu)點(diǎn)：。直接轉(zhuǎn)矩控制不需要坐標(biāo)變換，也不受轉(zhuǎn)子參數(shù)的影響，控制結(jié)構(gòu)簡單，具有良好的靜、動態(tài)性能。

缺點(diǎn)：低速性能差，調(diào)速范圍有一定限制。計算準(zhǔn)確度受影響。

適用范圍：控制精度高，速度較高的場合。

1.5 無速度傳感器矢量控制方式

無速度傳感器矢量控制是從易測得的定子電壓、電流中計算出與速度有關(guān)的量，通過一系列坐標(biāo)變換實(shí)現(xiàn)電流的磁通分量和轉(zhuǎn)矩分量的完全解耦，像控制直流電動機(jī)一樣，通過控制電動機(jī)的磁通和轉(zhuǎn)矩輸出來達(dá)到對交流異步電動機(jī)高性能的控制。

優(yōu)點(diǎn)：安裝、維護(hù)方便，硬件成本低，可靠性高，技術(shù)成熟、易于數(shù)字化實(shí)現(xiàn)，控制精度高。

缺點(diǎn)：對軟件和算法要求高。

適用范圍：控制精度高，速度較高的場合。

1.6 小結(jié)

通過對以上五種常用的變頻調(diào)速控制方式的簡要介紹和對比分析，可以看出，各種控制方式都有其優(yōu)點(diǎn)和不足，并且也正是這些優(yōu)點(diǎn)和不足之處使得它們各自的應(yīng)用范圍和實(shí)現(xiàn)方式受到不同的限制。在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)根據(jù)需要選擇合適的控制方式。

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