交流变频调速系统的主流控制方式介绍

李鑫

（东方汽轮机有限公司，四川 德阳 618000）

交流电动机使用方便，维护工作量小，且价格便宜，因此被广泛应用。但在以往的很长一段时期，交流电机的调速装置价格极高且调速性能不佳，使得在调速领域一直以直流调速为主。近年来，随着电力电子技术和控制技术的发展，交流调速系统的性价比不断的提高，交流调速系统已经出现了全面取代直流调速系统的趋势。

需要对电机进行调速的应用场合有如下四种。

第一种：通过对电机进行调速，改变风机水泵的使用工况，避免采用风门和旁路来调节流量，浪费大量的能源。

第二种：加工中心和机床类需要进行调节刀头车削速度或步进速度的场合。

第三种：近年来非常热门的电动汽车或高铁机车的主驱动电机调速。总结来说就是牵引调速。

第四种：试验类设备的工艺调速，如动平衡机等。这类应用场合对调速性能的要求各不相同，对设备供应商的技术实力要求较高。

在这四大类应用领域中，交流调速系统已经占有极大的比例。交流电机的调速方式有很多种，主要分为有级调速和无极调速两大类，具体如下。

有级调速：

变极对数。主要针对异步电机的定子侧，效率高。

转子串电阻。主要针对绕线式异步电机的转子侧，效率低。

无级调速：

调压调速。主要针对异步电机的定子侧，效率低。

变频调速（也称变压变频调速）。主要针对异步电机或同步电机的定子侧，效率高。

串级调速。主要针对绕线式异步电机转子侧，效率高。

双馈调速。主要针对绕线式异步电机转子侧，效率高。

液力耦合器调速。主要针对异步电机或者同步电机的转轴，效率低。

电磁转差离合器。主要针对异步电机或者同步电机的转轴，效率低。

近年来，很多调速方式已经逐步退出主流传动领域，如无极调速、液力耦合调速、电磁转差离合器调速。目前市场应用主要集中于交流异步电机的变频调速，其产品种类丰富，功率等级覆盖范围宽，可以满足各种严苛要求的调速应用。交流变频调速系统在实现其调速性能时，会根据需求采用不同的控制方式，主要包括 V/F控制方式、矢量控制方式、直接转矩控制方式，每种控制方式均有各自的特点和适用条件。本文主要介绍以上几种应用最广泛的异步电机变频调速控制方式，并分析其优缺点。

1 V/F控制方式

任何种类的电机在实施调速时，要保证其输出特性稳定并发挥出电机的额定出力都需要主励磁通稳定的保持在额定值。降低励磁磁通量，也就等同于弱磁调速，这种方式会降低电机的出力。增强磁通，会使得电机的铁心饱和，发热量增大，效率降低，严重时还会烧毁电机绕组。

直流变频调速电机通常都有独立的励磁绕组，串励和并励的励磁方式通常都不会用于调速电机。再利用专用的励磁调节系统，控制好励磁绕组的电流就可以实现对励磁强度的绝对控制。可以说直流电机的励磁可以通过简单的技术手段实现绝对的掌控，必要时还能根据需要补偿磁场强度。这就是直流电机易于调速的主要原因。

在交流电机中，磁通是定子和转子磁势合成产生的，因此其励磁磁通无法简单实现稳定控制。从三相异步电机电动势有效值计算公式 Eg=4.44f1N1kN1Φm得知，要使交流异步电机的磁通Φm保持恒定，至少要控制好两个变量 Eg和 f1。 Eg为气隙磁通在定子每相中感应电动势有效值，f1为定子频率。

从该计算公式还可以得出，要保持Φm不变，当定子频率降低时， Eg也必须同时降低。然而，简单的技术手段并不能直接控制绕组中的感应电动势，当电动势值维持在较高水平时，电机定子绕组的漏磁阻抗压降很小可以忽略，此时交流异步电机的定子相电压U1≈Eg，但在低频时，由于 Eg 比较小，定子阻抗压降所占的份量就不能再忽略。从而导致了交流电机在低转速下负载特性和动态性能不佳。电机在基频以下的机械特性见图 1。

图1 V/F控制方式（基频以下）电机机械特性曲线

当电机在基频以上运行时，频率可以从额定频率fn1往上升，但电压U1不能超过额定值Un，只能维持U1=Un，这时磁链与频率f1成反比降低，只能弱磁调速。此时电机恒功率调速，其机械特性见图2。

图2 V/F控制方式（基频以上）电机机械特性曲线

从机械特性图可以总结出交流异步电机V/F控制调速系统的缺点：（1）低速性能和动态性能不好。（2）起动之初，定子漏抗小，大功率电机定子电阻小，由于无电流闭环，定子电流不好控制，电流中常有直流分量，产生阻转矩，影响启动。

交流异步电机V/F控制调速系统的优点：（1）变频器结构和算法简单，成本低，满足大多数机械的调速需要，尤其是用于风机、泵类的节能调速，具有极其优越的性价比。（2）在低速时，通过人为的把电压U1抬高一些，以便近似的补偿定子压降，可在一定程度上解决启动力矩过小的问题。

2 矢量控制方式

V/F 控制方式基本解决了交流异步电机平滑调速的问题，能够满足许多工业应用的要求，但距离直流电机双闭环调速系统的性能还有较大差距。当面对动态性能要求较高时应用工况时，V/F 控制方式就显得捉襟见肘了。为了进一步提高交流变频调速系统的性能，许多专家学者进行了长期的研究，在 1971 年，由西门子公司提出了“感应式电动机磁场定向控制原理”，基于该原理，发展出目前已经广泛应用的采用矢量控制的变频调速系统。

矢量控制的主要目的是使交流电动机具备直流电机的调速性能。先通过三相到两相的变换，将电机的三相输入电流等效成为直流电机的励磁电流Im和力矩电流It，这种等效需要利用旋转坐标系的变换，才能将交流电机的旋转磁场变得静止，从而达到模拟直流电机的控制方法。最后还要利用旋转坐标反变换得到控制交流电机的正确输入。整个控制方式将在变频器中通过交直交或交交变换实现，见图3。

图3 交流异步电机三相/二相变换原理图

矢量控制调速方式的优点：（1） 采用矢量控制的异步电机可以实现在额定转速下恒转矩输出，额定转速以上恒功率输出。其机械特性可以媲美直流变频系统。（2） 直流电动机受整流的限制，过高的 di/dt 是不容许的，因此其动态响应速度会受到影响。采用矢量控制方式的变频调速系统，电机电流可以在变频器允许范围内快速响应，其动态性能甚至可以超过直流电动机。（3）采用 V/F 控制方式的变频调速系统启动力矩通常比较小，不能适应重载启动的应用要求。而采用适量控制的调速系统，由于调速特性类似于直流电机，在启动时，力矩电流分量的增加可以线性提高电机的启动力矩，使得电机在启动时也能输出额定力矩。

矢量控制调速方式的缺点：（1） 变频器价格昂贵，以西门子驱动产品为例，具备矢量控制方式的 55kW等级变频器比只有 V/F 控制方式的变频器贵近 2 万元。（2） 矢量控制算法复杂，对电机的参数有较高的依赖性，因此，不能用一台变频器同时驱动多台电机。

3 直接转矩控制方式

直接转矩控制系统简称 DTC ( Direct Torque Control) 系统，是一种新型的交流电机调速控制方式，其主要通过电机电流和电压的反馈来评估电机力矩输出，并不断的修正和调整，达到直接控制转矩的目的。该种控制方式主要应用于ABB公司的变频器中。

直接转矩控制以电机定子磁链为基准进行计算和控制。由于定子漏磁链已含在定子磁链中，定子磁链计算与定子漏感无关，使用电动机参数少。定子磁链计算在磁链观测器中进行，它就是矢量控制系统中的电压模型，即

再用K/P变换得定子磁链幅值 Ψs和位置角ϕs。然后在α-β坐标系，通过定子电流和磁链（交流值）计算转矩。

由于以定子磁链为基础，转矩和磁链不解耦，不宜使用调节器实现转矩和磁链的分别控制，所以在直接转矩控制系统中，用两个bang-bang控制器对其分别控制。控制系统框图见图4。

图4 直接转矩控制系统图

直接转矩控制调速系统的优点：（1）不需要通过旋转坐标变换来使交流电机的控制模型直流，简化了控制器的控制算法和结构。（2）控制器和控制算法的直接控制目标是电机转矩，使得电机的出力需要快速变化时，变频器能够快速响应，达到极好的动态特性。（3）采用直接转矩控制方式的交流异步电机，同样拥有媲美直接变频系统的机械特性，能实现高动态性能的调速系统。

直接转矩控制调速方式的缺点：采用DTC控制方式的交流异步电机其输出转矩脉动相对VC控制方式偏大。

矢量控制方式和直接转矩控制方式能实现交流异步电机的高性能调速，但还是有所差别，在此对两种控制方式的电机性能进行单独比较：DTC的转矩响应速度比VC略快。但在使用时要考虑到机械本身的结构强度和固有频率等因素。对于常规应用，两种控制方式都能很好的满足。

（1）DTC控制方式的转矩脉动比VC略大。

（2） DTC采用bang-bang控制，其开关频率随转速变化而变化，VC的开关频率固定。

（3） DTC计算内容少，但由于短时间内不断对电机输出力矩进行修正和控制，对控制器的运算速度有一定要求。

（4）VC控制方式的调速范围比DTC控制方式略宽。

4 结语

通过对交流变频调速系统的主流控制方式进行比较，可以更加深入的了解各类型传动技术的应用领域。目前市面上采用V/F控制变频器应用最为广泛，各种风机、泵类、压缩机均采用V/F控制方式的变频器进行调速以适应设备的变工况运行，相对节流和排空调节的方法可大大节约设备耗电量。而采用VC控制方式的变频器主要应用于宽范围调速系统和伺服控制系统。DTC则主要适应于需要快速转矩响应的大惯量运动控制系统，如电力机车等。总之，每种控制方式均有其不可替代的优点和适用工况，应根据负载特性和应用需求合理选择变频器的控制类型。

[1]仲明振. 电气传动自动化技术手册[M]. 北京:机械工业出版社,2005.

[2]陈伯时. 电力拖动自动控制系统[M]. 北京:机械工业出版社,2000.