臧殿紅

【摘 要】在三相異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)中，變頻調(diào)速因其調(diào)速方便、節(jié)能、運(yùn)行可靠等優(yōu)點(diǎn)，已逐步取代了傳統(tǒng)的變極調(diào)速、電磁調(diào)速和調(diào)壓調(diào)速等調(diào)速方式。闡述了變頻器中常用的四種控制方式，分析了它們的工作原理、優(yōu)缺點(diǎn)及應(yīng)用場(chǎng)合，為變頻器的選用提供一個(gè)參考。

【關(guān)鍵詞】三相異步電動(dòng)機(jī)；變頻器；控制方式

0 引言

在電力拖動(dòng)系統(tǒng)中，三相異步電動(dòng)機(jī)因結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜、堅(jiān)固耐用、維護(hù)方便等諸多優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用在工業(yè)領(lǐng)域；但其數(shù)學(xué)模型復(fù)雜，是一個(gè)高階、強(qiáng)耦合、非線性的多變量系統(tǒng)，對(duì)其電磁轉(zhuǎn)矩的控制，不能像直流電動(dòng)機(jī)那樣通過(guò)勵(lì)磁電流和電樞電流來(lái)靈活地進(jìn)行控制[1]，所以異步電動(dòng)機(jī)在較長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)主要應(yīng)用在無(wú)調(diào)速要求的傳動(dòng)系統(tǒng)中。

20世紀(jì)60年代以來(lái)，隨著電力電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，變頻調(diào)速技術(shù)逐步發(fā)展并得到了廣泛的應(yīng)用。目前，在交流調(diào)速系統(tǒng)中，變頻調(diào)速是效率最高、性能最好的調(diào)速手段，可以使系統(tǒng)達(dá)到和直流調(diào)速相媲美的性能。通用變頻器按控制方式分為三種類型：U/f控制方式，轉(zhuǎn)差頻率控制方式、矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制方式，本文詳細(xì)分析了四種方式的控制原理、優(yōu)缺點(diǎn)及其應(yīng)用場(chǎng)合，為工程技術(shù)人員選擇變頻器時(shí)提供參考。

1 U/f控制變頻器

1.1 控制原理

三相異步電動(dòng)機(jī)定子每相電動(dòng)勢(shì)的有效值是：

E1=4.44kr1 f1N1？準(zhǔn)M（1）

如果定子每相電動(dòng)勢(shì)的有效值E1保持不變，改變定子頻率時(shí)就會(huì)出現(xiàn)兩種情況：

（1）f1>f1N時(shí)，氣隙磁通？準(zhǔn)M小于額定氣隙磁通量？準(zhǔn)MN，此時(shí)電動(dòng)機(jī)的鐵心沒(méi)有得到充分利用，但是在機(jī)械條件允許的情況下長(zhǎng)時(shí)間使用不會(huì)損壞電動(dòng)機(jī)。

（2）f1？準(zhǔn)MN，此時(shí)電動(dòng)機(jī)的鐵心產(chǎn)生過(guò)飽和，導(dǎo)致過(guò)大的勵(lì)磁電流，嚴(yán)重時(shí)會(huì)因繞組過(guò)熱而損壞電動(dòng)機(jī)。

為了在不損壞電動(dòng)機(jī)的條件下，充分利用電動(dòng)機(jī)的鐵心，發(fā)揮電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的能力，最好在變頻調(diào)速時(shí)保持每極磁通？準(zhǔn)M為額定值不變。要保持？準(zhǔn)M不變，當(dāng)頻率f1從額定頻率f1N向下調(diào)節(jié)時(shí)，應(yīng)使E1/f1為常數(shù)，由于繞組中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E1難以直接控制，當(dāng)電動(dòng)勢(shì)的值較高時(shí)，可以忽略定子繞組的漏磁阻抗壓降，而認(rèn)為定子相電壓U1≈E1，即

U1/f1=常數(shù)（2）

這就是U/f控制方式。隨著頻率的降低，U1和E1也較小，定子阻抗上的壓降所占分量比較顯著，不能忽略，導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩減小。為此，在低頻時(shí)，應(yīng)適當(dāng)提高U1，來(lái)補(bǔ)償定子阻抗上的壓降，這種方法稱為轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償。

1.2 優(yōu)缺點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作可靠，控制運(yùn)算速度要求不高；

缺點(diǎn)：調(diào)速精度和動(dòng)態(tài)性能較差；只控制了氣隙磁通，不能調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩，性能不高；由于不含有電流控制，起動(dòng)時(shí)必須具有給定積分環(huán)節(jié)，以抑制電流沖擊；低頻時(shí)轉(zhuǎn)矩不足，需轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償，以改變低頻時(shí)轉(zhuǎn)矩特性。

1.3 應(yīng)用

U/f控制方式在應(yīng)用中有普通型和恒定電磁轉(zhuǎn)矩功能型兩種。普通型U/f控制變頻器是轉(zhuǎn)速開(kāi)環(huán)控制，無(wú)需速度傳感器，控制電路比較簡(jiǎn)單，性價(jià)比較高，是目前通用型變頻器產(chǎn)品中使用較多的一種控制方式。風(fēng)機(jī)、泵類負(fù)載，負(fù)載轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的平方成正比，低速時(shí)負(fù)載轉(zhuǎn)矩較小，通常選擇普通功能性U/f控制變頻器。

恒定電磁轉(zhuǎn)矩功能型是為了使轉(zhuǎn)子磁通恒定不隨負(fù)載的變化而變化，采用磁通回饋控制使異步電動(dòng)機(jī)所輸入的三相正弦電流在空間產(chǎn)生圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，從而產(chǎn)生恒定的電磁轉(zhuǎn)矩。由于磁鏈的軌跡是靠電壓空間向量相加得到的，所以這種控制方法也稱為“電壓空間向量控制”，這種功能的實(shí)現(xiàn)仍是通過(guò)控制定子電壓和頻率之間的關(guān)系來(lái)實(shí)現(xiàn)的，屬于U/f控制方式。攪拌機(jī)、擠壓機(jī)、傳送帶、廠內(nèi)運(yùn)輸電車、起重機(jī)的提升機(jī)構(gòu)和提升機(jī)等恒轉(zhuǎn)矩類負(fù)載，采用此類變頻器是比較理想的[2]。

2 轉(zhuǎn)差頻率控制（SFC）變頻器

2.1 控制原理

式中，轉(zhuǎn)差頻率fs=sf1，是施加于電動(dòng)機(jī)的交流電壓頻率f1（變頻器的輸出頻率）與以電動(dòng)機(jī)實(shí)際速度nn作為同步轉(zhuǎn)速所對(duì)應(yīng)的電源頻率fn的差頻率，即f1=fs+fn。電動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)差頻率較小，如果E1/f1=常數(shù)，則電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩基本上與轉(zhuǎn)差頻率成正比。在進(jìn)行變頻調(diào)速時(shí)，在電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子上安裝測(cè)速發(fā)電機(jī)等速度檢出器得出fn，并根據(jù)希望得到的轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)變頻器的輸出頻率f1，這樣就可以使電動(dòng)機(jī)得到設(shè)定的轉(zhuǎn)差頻率fs0，即使電動(dòng)機(jī)具有所需的輸出轉(zhuǎn)矩。這就是轉(zhuǎn)差頻率的控制原理，是一種直接控制轉(zhuǎn)矩的方法。

2.2 優(yōu)缺點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)：基本上控制了電機(jī)轉(zhuǎn)矩，提高了轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)的動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)精度，同時(shí)還可以控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子電流，起到保護(hù)電動(dòng)機(jī)的作用。

缺點(diǎn)：不能真正控制動(dòng)態(tài)過(guò)程的轉(zhuǎn)矩，動(dòng)態(tài)性能不理想。

2.3 應(yīng)用

應(yīng)用于對(duì)系統(tǒng)靜態(tài)、動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)要求不太高的生產(chǎn)系統(tǒng)中。

3 矢量控制（VC）變頻器

3.1 控制原理

矢量控制是一種高性能異步電動(dòng)機(jī)的控制方式，它仿照直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速特點(diǎn)，以電流產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)相同為準(zhǔn)則，將異步電動(dòng)機(jī)的定子電流，即變頻器的輸出電流iA、iB、iC通過(guò)3s/2s變換，由（4）式實(shí)現(xiàn)，等效為兩相靜止坐標(biāo)系下的兩相交流電流iα、iβ，再利用2s/2r坐標(biāo)變換，由（5）式實(shí)現(xiàn)，等效為兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的兩相直流電流id、iq，id是產(chǎn)生磁場(chǎng)的電流分量（勵(lì)磁電流），iq是產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的電流分量（轉(zhuǎn)矩電流）。

3.2 優(yōu)缺點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)：將定子電流解耦為勵(lì)磁電流和轉(zhuǎn)矩電流，分別控制，提高了控制性能。

缺點(diǎn)：采用轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向，對(duì)電機(jī)參數(shù)的依賴性大，而電機(jī)參數(shù)存在時(shí)變性，難以達(dá)到理想的控制效果[3]。

3.3 應(yīng)用

矢量控制分為帶速度反饋的矢量控制和無(wú)速度反饋的矢量控制。帶速度反饋的控制方式不但可以使電動(dòng)機(jī)得到很硬的機(jī)械特性，還具有很好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能，軋鋼、造紙、塑料薄膜加工線這一類對(duì)動(dòng)態(tài)性能要求較高的機(jī)械，原來(lái)多采用直流傳動(dòng)方式，目前可采用有速度傳感器的向量控制變頻器進(jìn)行控制；無(wú)速度反饋的向量控制應(yīng)用在一些對(duì)動(dòng)態(tài)響應(yīng)要求不高的場(chǎng)合。

4 直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC）變頻器

4.1 控制原理

直接轉(zhuǎn)矩控制摒棄了向量控制中解耦的思想，在定子坐標(biāo)系（α—β）下分析交流電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型，通過(guò)電動(dòng)機(jī)定子電壓和電流，借助瞬時(shí)空間向量理論計(jì)算電動(dòng)機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩，并根據(jù)與給定值比較所得差值，采用兩點(diǎn)式（Bang-Bang）控制，對(duì)PWM開(kāi)關(guān)模式進(jìn)行選擇，實(shí)現(xiàn)對(duì)磁鏈和轉(zhuǎn)矩的直接控制?？刂圃砣鐖D2所示。

4.2 優(yōu)缺點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)：采用定子磁場(chǎng)定向，對(duì)電機(jī)參數(shù)的依賴性減??；通過(guò)轉(zhuǎn)矩偏差和定子磁鏈偏差來(lái)確定電壓向量，不必進(jìn)行復(fù)雜的坐標(biāo)變換，計(jì)算大大簡(jiǎn)化。

缺點(diǎn)：會(huì)出現(xiàn)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，且相對(duì)于向量控制來(lái)說(shuō)，調(diào)速范圍不夠?qū)挕?/p>

4.3 應(yīng)用

直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)由于控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，動(dòng)靜態(tài)性能優(yōu)良已獲得廣泛的實(shí)際應(yīng)用，特備適用于需要快速轉(zhuǎn)矩響應(yīng)的大慣量運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中，如電力機(jī)車。

5 結(jié)語(yǔ)

變頻器的每種控制方式都有缺點(diǎn)，為了獲得更好的控制性能，可將一種控制方法和其他控制方法結(jié)合起來(lái)使用，如轉(zhuǎn)差頻率矢量控制變頻調(diào)速系統(tǒng)。除上述四種控制方式外，還有一些控制方式在變頻器的控制中得以實(shí)現(xiàn)，如最優(yōu)控制、自適應(yīng)控制、差頻控制、環(huán)流控制等。控制方式是決定變頻器性能的關(guān)鍵所在，選用變頻器時(shí)并不是檔次越高越好，而要按實(shí)際的負(fù)載特性，以滿足使用要求為準(zhǔn)，做到量才使用、經(jīng)濟(jì)實(shí)惠。

【參考文獻(xiàn)】

[1]張貞艷，左瑞.三相異步電動(dòng)機(jī)矢量控制系統(tǒng)的研究[J].煤礦機(jī)械，2014，35（1）：57-59.

[2]宋峰青，陳立香.變頻技術(shù)[M].北京：中國(guó)勞動(dòng)社會(huì)保障出版社，2008.

[3]程啟明，程尹曼，等.交流電機(jī)控制策略的發(fā)展綜述[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2011，39（9）：145-154.

[責(zé)任編輯：湯靜]