通用变频器控制方式的分析

臧殿红

【摘 要】在三相异步电动机的调速系统中，变频调速因其调速方便、节能、运行可靠等优点，已逐步取代了传统的变极调速、电磁调速和调压调速等调速方式。阐述了变频器中常用的四种控制方式，分析了它们的工作原理、优缺点及应用场合，为变频器的选用提供一个参考。

【关键词】三相异步电动机；变频器；控制方式

0 引言

在电力拖动系统中，三相异步电动机因结构简单、价格便宜、坚固耐用、维护方便等诸多优点被广泛应用在工业领域；但其数学模型复杂，是一个高阶、强耦合、非线性的多变量系统，对其电磁转矩的控制，不能像直流电动机那样通过励磁电流和电枢电流来灵活地进行控制[1]，所以异步电动机在较长一段时间内主要应用在无调速要求的传动系统中。

20世纪60年代以来，随着电力电子技术、计算机技术和自动化技术的发展，变频调速技术逐步发展并得到了广泛的应用。目前，在交流调速系统中，变频调速是效率最高、性能最好的调速手段，可以使系统达到和直流调速相媲美的性能。通用变频器按控制方式分为三种类型：U/f控制方式，转差频率控制方式、矢量控制和直接转矩控制方式，本文详细分析了四种方式的控制原理、优缺点及其应用场合，为工程技术人员选择变频器时提供参考。

1 U/f控制变频器

1.1 控制原理

三相异步电动机定子每相电动势的有效值是：

E1=4.44kr1 f1N1？准M（1）

如果定子每相电动势的有效值E1保持不变，改变定子频率时就会出现两种情况：

（1）f1>f1N时，气隙磁通？准M小于额定气隙磁通量？准MN，此时电动机的铁心没有得到充分利用，但是在机械条件允许的情况下长时间使用不会损坏电动机。

（2）f1？准MN，此时电动机的铁心产生过饱和，导致过大的励磁电流，严重时会因绕组过热而损坏电动机。

为了在不损坏电动机的条件下，充分利用电动机的铁心，发挥电动机转矩的能力，最好在变频调速时保持每极磁通？准M为额定值不变。要保持？准M不变，当频率f1从额定频率f1N向下调节时，应使E1/f1为常数，由于绕组中的感应电动势E1难以直接控制，当电动势的值较高时，可以忽略定子绕组的漏磁阻抗压降，而认为定子相电压U1≈E1，即

U1/f1=常数（2）

这就是U/f控制方式。随着频率的降低，U1和E1也较小，定子阻抗上的压降所占分量比较显著，不能忽略，导致电动机的最大转矩减小。为此，在低频时，应适当提高U1，来补偿定子阻抗上的压降，这种方法称为转矩补偿。

1.2 优缺点

优点：结构简单，工作可靠，控制运算速度要求不高；

缺点：调速精度和动态性能较差；只控制了气隙磁通，不能调节转矩，性能不高；由于不含有电流控制，起动时必须具有给定积分环节，以抑制电流冲击；低频时转矩不足，需转矩补偿，以改变低频时转矩特性。

1.3 应用

U/f控制方式在应用中有普通型和恒定电磁转矩功能型两种。普通型U/f控制变频器是转速开环控制，无需速度传感器，控制电路比较简单，性价比较高，是目前通用型变频器产品中使用较多的一种控制方式。风机、泵类负载，负载转矩与转速的平方成正比，低速时负载转矩较小，通常选择普通功能性U/f控制变频器。

恒定电磁转矩功能型是为了使转子磁通恒定不随负载的变化而变化，采用磁通回馈控制使异步电动机所输入的三相正弦电流在空间产生圆形旋转磁场，从而产生恒定的电磁转矩。由于磁链的轨迹是靠电压空间向量相加得到的，所以这种控制方法也称为“电压空间向量控制”，这种功能的实现仍是通过控制定子电压和频率之间的关系来实现的，属于U/f控制方式。搅拌机、挤压机、传送带、厂内运输电车、起重机的提升机构和提升机等恒转矩类负载，采用此类变频器是比较理想的[2]。

2 转差频率控制（SFC）变频器

2.1 控制原理

式中，转差频率fs=sf1，是施加于电动机的交流电压频率f1（变频器的输出频率）与以电动机实际速度nn作为同步转速所对应的电源频率fn的差频率，即f1=fs+fn。电动机稳态运行时，转差频率较小，如果E1/f1=常数，则电动机的转矩基本上与转差频率成正比。在进行变频调速时，在电动机转子上安装测速发电机等速度检出器得出fn，并根据希望得到的转矩调节变频器的输出频率f1，这样就可以使电动机得到设定的转差频率fs0，即使电动机具有所需的输出转矩。这就是转差频率的控制原理，是一种直接控制转矩的方法。

2.2 优缺点

优点：基本上控制了电机转矩，提高了转速调节的动态性能和稳态精度，同时还可以控制电动机的转子电流，起到保护电动机的作用。

缺点：不能真正控制动态过程的转矩，动态性能不理想。

2.3 应用

应用于对系统静态、动态性能指标要求不太高的生产系统中。

3 矢量控制（VC）变频器

3.1 控制原理

矢量控制是一种高性能异步电动机的控制方式，它仿照直流电动机的调速特点，以电流产生的旋转磁动势相同为准则，将异步电动机的定子电流，即变频器的输出电流iA、iB、iC通过3s/2s变换，由（4）式实现，等效为两相静止坐标系下的两相交流电流iα、iβ，再利用2s/2r坐标变换，由（5）式实现，等效为两相旋转坐标系下的两相直流电流id、iq，id是产生磁场的电流分量（励磁电流），iq是产生转矩的电流分量（转矩电流）。

3.2 优缺点

优点：将定子电流解耦为励磁电流和转矩电流，分别控制，提高了控制性能。

缺点：采用转子磁场定向，对电机参数的依赖性大，而电机参数存在时变性，难以达到理想的控制效果[3]。

3.3 应用

矢量控制分为带速度反馈的矢量控制和无速度反馈的矢量控制。带速度反馈的控制方式不但可以使电动机得到很硬的机械特性，还具有很好的动态响应性能，轧钢、造纸、塑料薄膜加工线这一类对动态性能要求较高的机械，原来多采用直流传动方式，目前可采用有速度传感器的向量控制变频器进行控制；无速度反馈的向量控制应用在一些对动态响应要求不高的场合。

4 直接转矩控制（DTC）变频器

4.1 控制原理

直接转矩控制摒弃了向量控制中解耦的思想，在定子坐标系（α—β）下分析交流电动机的数学模型，通过电动机定子电压和电流，借助瞬时空间向量理论计算电动机的磁链和转矩，并根据与给定值比较所得差值，采用两点式（Bang-Bang）控制，对PWM开关模式进行选择，实现对磁链和转矩的直接控制。控制原理如图2所示。

4.2 优缺点

优点：采用定子磁场定向，对电机参数的依赖性减小；通过转矩偏差和定子磁链偏差来确定电压向量，不必进行复杂的坐标变换，计算大大简化。

缺点：会出现转矩脉动，且相对于向量控制来说，调速范围不够宽。

4.3 应用

直接转矩控制技术由于控制系统结构简单，动静态性能优良已获得广泛的实际应用，特备适用于需要快速转矩响应的大惯量运动控制系统中，如电力机车。

5 结语

变频器的每种控制方式都有缺点，为了获得更好的控制性能，可将一种控制方法和其他控制方法结合起来使用，如转差频率矢量控制变频调速系统。除上述四种控制方式外，还有一些控制方式在变频器的控制中得以实现，如最优控制、自适应控制、差频控制、环流控制等。控制方式是决定变频器性能的关键所在，选用变频器时并不是档次越高越好，而要按实际的负载特性，以满足使用要求为准，做到量才使用、经济实惠。

【参考文献】

[1]张贞艳，左瑞.三相异步电动机矢量控制系统的研究[J].煤矿机械，2014，35（1）：57-59.

[2]宋峰青，陈立香.变频技术[M].北京：中国劳动社会保障出版社，2008.

[3]程启明，程尹曼，等.交流电机控制策略的发展综述[J].电力系统保护与控制，2011，39（9）：145-154.

[责任编辑：汤静]