对几种常用变频调速控制方式的研究

许鹏飞 西安市地下铁道有限责任公司

三相交流电动机作为工业生产最主要的驱动设备同时也是最主要的耗电设备，因此电机的高效节能对于工业生产和企业的发展都有十分重要的意义。本文对目前国内外变频调速领域经常使用的几种变频调速控制方式进行了简要的介绍，希望借此为后续对变频调速控制方式方法的研究起到一定的参考和启发作用。

1 几种常用变频调速控制方式介绍

无论是高压变频器，还是中低压变频器，只要是通用变频器，大体采用的控制方式有：恒压频比（v/f）控制方式，正弦脉宽调制（SPWM）控制方式，空间矢量脉宽调制（SVPWM）控制方式，直接转矩（DTC）控制方式，无速度传感器矢量控制方式。

1.1 恒压频比（v/f）控制方式

恒压频比控制方式是定子的磁通值保持为恒定值，电机转矩大小由电机的转差率决定的一种控制方式。基于恒压频比的控制原理，交流感应电机既可实现转速开环控制，也可实现转速闭环控制。

优点：控制原理简单，既可实现开环控制，也可实现闭环控制。

缺点：低速性能差；动态性能较差。

该控制方式能满足大多数场合交流电机调速控制的要求。

1.2 正弦脉宽调制（SPWM）控制方式

SPWM控制方式用一系列的矩形脉冲来作为控制逆变器中各开关器件通断的依据,将正弦波（调制波）的每个周期通过载波划分成N等分,在载波与调制波交点时,控制开关器件的通断,这样就可以得到一组等幅而脉冲宽度正比于该正弦波的矩形脉冲波形。

优点：变频器的输出电压接近正弦波；所含的高次谐波易滤除，滤波器易设计；硬件电路容易实现。

缺点：电压利用率低。

目前绝大多数变频器均采用该技术进行变频调速控制。

1.3 空间矢量脉宽调制（SVPWM）控制方式

矢量控制变频调速的做法是将异步电动机三相静止坐标系下的定子电流通过坐标变换等效成两相静止坐标系下的交流电流。再通过按转子磁场定向的旋转坐标变换,等效成同步旋转坐标系下的直流电流,然后模仿直流电动机的控制方法,求得直流电动机的控制量, 经过相应的坐标反变换,实现对异步电动机的控制。

优点：控制性能高；模型简单，便于数字化实现；转矩脉动小、噪声低；电压利用率高。

缺点：需要进行坐标变换；计算的结果受转子参数的影响；控制精度受计算精度限制，实时性可能会受处理速度的影响。

适应于控制精度高，实时性要求高的场合。是一种很有发展前景的调速技术。

1.4 直接转矩（DTC）控制方式

DTC控制方式通过对定子磁链控制来实现对磁通的有效控制，建立电磁转矩和定子磁链的数学观测模型，利用测量的物理量，运用软件技术来获得定子磁链和电磁转矩的反馈值，采用滞环式闭环控制方式，利用电压空间矢量的开关状态的切换实现对磁通和电磁转矩的分别控制。

优点：。直接转矩控制不需要坐标变换，也不受转子参数的影响，控制结构简单，具有良好的静、动态性能。

缺点：低速性能差，调速范围有一定限制。计算准确度受影响。

适用范围：控制精度高，速度较高的场合。

1.5 无速度传感器矢量控制方式

无速度传感器矢量控制是从易测得的定子电压、电流中计算出与速度有关的量，通过一系列坐标变换实现电流的磁通分量和转矩分量的完全解耦，像控制直流电动机一样，通过控制电动机的磁通和转矩输出来达到对交流异步电动机高性能的控制。

优点：安装、维护方便，硬件成本低，可靠性高，技术成熟、易于数字化实现，控制精度高。

缺点：对软件和算法要求高。

适用范围：控制精度高，速度较高的场合。

1.6 小结

通过对以上五种常用的变频调速控制方式的简要介绍和对比分析，可以看出，各种控制方式都有其优点和不足，并且也正是这些优点和不足之处使得它们各自的应用范围和实现方式受到不同的限制。在实际应用中应根据需要选择合适的控制方式。

[1]王安，黄俊,电力电子技术[M] 第4版 机械工业出版社2008年1月

[2]洪乃刚,电力电子和电力拖动控制系统的MATLAB仿真[M] 机械工业出版2006年1月

[3]刘和平，邓力，江渝,等DSP原理及电机控制应用[M] 北京航空航天大学出版社 2006年10月

[4]张皓，续明进，杨梅,高压大功率交流变频调速技术[M] 北京：机械工业出版社2006年

[5]朱建林，李利娟，刘红良,等使用空间矢量调制的三电平矩阵变换器控制策略[J] .中国电机工程学报,2008.28（9）：12-16.