楊榮昌

摘 要：近年來(lái)，在電力電子技術(shù)以及大規(guī)模集成電路飛速發(fā)展的情況下，各種行業(yè)的生產(chǎn)工藝也得到了極大程度的改進(jìn)和創(chuàng)新。變頻調(diào)速作為工業(yè)控制中至關(guān)重要的部分，本文在簡(jiǎn)單分析其工作原理和方式的基礎(chǔ)上，深入研究了變頻調(diào)速的主要控制方式，以期為廣大變頻器研究者提供一定的參考意見(jiàn)和建議。

關(guān)鍵詞：變頻調(diào)速；工作原理；控制方式

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.05.236

作為變頻調(diào)速的核心部件，變頻器至關(guān)重要。從理論上分析，變頻器其實(shí)是一個(gè)實(shí)現(xiàn)電機(jī)變速運(yùn)行的簡(jiǎn)單設(shè)備。簡(jiǎn)而言之，變頻器可以將頻率為50Hz或60Hz的工頻電源轉(zhuǎn)換成其他頻率的交流電源。在這一轉(zhuǎn)換過(guò)程中，控制電路主要控制的是主電路。但是，在具體的變頻過(guò)程中，其操作步驟并不像理論上這么簡(jiǎn)單。所以，深入了解變頻調(diào)速的原理，并熟練掌握其控制方式，對(duì)變頻調(diào)速的實(shí)踐操作有非常現(xiàn)實(shí)的指導(dǎo)作用和意義。

1 變頻調(diào)速的原理及方式

1.1 原理分析

從理論方面解釋?zhuān)揽客饧与姎鈪?shù)的改變，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)在負(fù)載方面的改變，是不現(xiàn)實(shí)的。想要改變系統(tǒng)負(fù)載，唯一的方式就是從電動(dòng)機(jī)出發(fā)，改變其電氣的自身參數(shù)。由于影響電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性曲線(xiàn)的電氣參數(shù)很多，想要改變這些既定的電氣參數(shù)，以實(shí)現(xiàn)不同機(jī)械特性的人為改變，就需要引入具體的變頻器進(jìn)行電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。利用變頻器，可以讓人為改變的機(jī)械特性曲線(xiàn)與原有的負(fù)載特性曲線(xiàn)產(chǎn)生穩(wěn)定且全新的交點(diǎn)，這樣，便真正實(shí)現(xiàn)了速度的穩(wěn)定調(diào)節(jié)，這就是變頻調(diào)速的基本原理。

1.2 方式分析

一般情況下，變頻的實(shí)現(xiàn)方式有兩種：

第一種，交-交變頻。利用半導(dǎo)體有關(guān)的交流技術(shù)，對(duì)晶閘管道通進(jìn)行角α的改變和控制，這樣，便可直接調(diào)節(jié)和控制其直流電輸出的實(shí)時(shí)電壓。當(dāng)α處于90°時(shí)，其輸出的實(shí)時(shí)電壓為零；當(dāng)α處于0°時(shí)，其輸出的實(shí)時(shí)電壓值最大。如果讓?duì)磷?0°朝著0°逐漸變化，然后再按照同樣的時(shí)間逆方向返回，得到的輸出直流電壓值就會(huì)呈現(xiàn)由大到小再由小到大的變化規(guī)律。如果將兩組相同的整流橋進(jìn)行反向并聯(lián)，并按照如上方式進(jìn)行控制，便可得到完整交流波形的二分之一波形。由于控制角α具有極強(qiáng)的可控制性，其對(duì)應(yīng)輸出的實(shí)時(shí)電壓值也具有相似的可控制性，如此，便可輕易實(shí)現(xiàn)調(diào)壓過(guò)程。當(dāng)α角發(fā)生變化時(shí)，其速度的快慢可直接改變輸出波形的周期，由此，交-交變頻便得以實(shí)現(xiàn)。

第二種，交-直-交變頻。這種方式的變頻就是在交-交變頻方式的基礎(chǔ)上，在其中間環(huán)節(jié)添加了一個(gè)較為復(fù)雜的直流環(huán)節(jié)。首先，將實(shí)時(shí)輸出的交流電從整流中通過(guò)，轉(zhuǎn)變成為直流電。然后，直流電再?gòu)哪孀兤髦型ㄟ^(guò)，直接轉(zhuǎn)變成為交流電。這樣，便實(shí)現(xiàn)了交-直-交變頻。該過(guò)程中使用的變頻器通常被人們稱(chēng)為交-直-交變頻器。

2 變頻調(diào)速的基本控制方式

2.1 u/f控制

根據(jù)電機(jī)定子的相關(guān)規(guī)律，可知其感應(yīng)電勢(shì)的表達(dá)式為：

E1=4.44kW1Φmf0W0

當(dāng)電動(dòng)機(jī)處于額定電壓的運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，電機(jī)電子無(wú)論是在電阻方面，還是在漏電抗的壓降方面，都具有較低的值，其U1和E1也幾近相同。

根據(jù)上述電動(dòng)勢(shì)的表達(dá)式可以知道，如果f0發(fā)生變化，雖然電機(jī)的實(shí)時(shí)電壓不會(huì)隨之而動(dòng)，但電機(jī)在Φm方面則會(huì)發(fā)生飽和現(xiàn)象或勵(lì)磁欠缺現(xiàn)象。一旦磁通量發(fā)生飽和現(xiàn)象，那么，電機(jī)機(jī)體中便會(huì)通過(guò)大規(guī)模的勵(lì)磁電流，相應(yīng)的，電機(jī)內(nèi)部的銅、鐵損耗也會(huì)大幅度增加。而一旦電機(jī)發(fā)生勵(lì)磁欠缺現(xiàn)象，電機(jī)具體的輸出轉(zhuǎn)矩則會(huì)受到對(duì)應(yīng)程度的影響。所以，想要切實(shí)維持磁通量的恒定，就必須保持E/f始終處于恒定狀態(tài)。這種控制方法的優(yōu)缺點(diǎn)鮮明，優(yōu)點(diǎn)是可對(duì)電機(jī)進(jìn)行開(kāi)環(huán)速度把握和控制，缺點(diǎn)是只能處于基礎(chǔ)頻率以下運(yùn)行，且低速性能也相對(duì)較差。

2.2 直接轉(zhuǎn)矩控制

直接轉(zhuǎn)矩控制，又被稱(chēng)為“直接自我控制”，其思想主要是將轉(zhuǎn)矩作為磁鏈和轉(zhuǎn)矩控制工作開(kāi)展和進(jìn)行的中心。該方式最常見(jiàn)于ABB公司，是控制性能極其高超的一種。具體而言，該方式對(duì)電機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩進(jìn)行控制時(shí)，是分別進(jìn)行的?？刂拼沛湑r(shí)，其主要的控制對(duì)象并不是常規(guī)的轉(zhuǎn)子磁鏈，而是定子磁鏈。通過(guò)對(duì)定子磁鏈以及轉(zhuǎn)矩等部件的數(shù)學(xué)模型建立，可以檢測(cè)獲得磁通量和轉(zhuǎn)矩的實(shí)時(shí)幅值和實(shí)時(shí)值。與給定值對(duì)比分析，便可得到與定子磁鏈以及轉(zhuǎn)矩對(duì)應(yīng)的反饋數(shù)據(jù)。利用該反饋數(shù)據(jù)進(jìn)行逆變電路控制，通過(guò)切換逆變電路的開(kāi)、關(guān)狀態(tài)，就可直接實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制磁鏈及轉(zhuǎn)矩。

2.3 矢量控制

通過(guò)異步電機(jī)電子電流矢量的控制和測(cè)量，以及電機(jī)勵(lì)磁和轉(zhuǎn)矩電流的控制和掌握，可以實(shí)現(xiàn)矢量控制異步電機(jī)轉(zhuǎn)矩的目的和效果。具體而言，矢量控制就是在分解電機(jī)定子電流矢量的基礎(chǔ)上，將其轉(zhuǎn)換成為兩種電流分量，一種是磁場(chǎng)的勵(lì)磁電流，一種是電場(chǎng)的轉(zhuǎn)矩電流。然后對(duì)這兩種分量的相位和幅值分別進(jìn)行科學(xué)控制。由于該分量相位和幅值的控制又稱(chēng)為定子電流矢量的控制，所以，其變頻的具體控制方式就稱(chēng)為矢量控制。在實(shí)際運(yùn)用中，由于定子磁鏈的觀測(cè)難度極大，電機(jī)參數(shù)對(duì)系統(tǒng)特性的整體影響極大的原因，加之矢量在等效直流電機(jī)控制中旋轉(zhuǎn)和變換的過(guò)程極為復(fù)雜，導(dǎo)致控制的最終效果無(wú)法實(shí)現(xiàn)理論分析的理想狀態(tài)。

2.4 轉(zhuǎn)差頻率控制

轉(zhuǎn)差頻率控制，是對(duì)轉(zhuǎn)矩進(jìn)行直接控制的一種方式。同時(shí)，這種方式也與u/f控制有關(guān)，是基于u/f控制方法進(jìn)行的。當(dāng)異步電機(jī)實(shí)際操作速率的對(duì)應(yīng)電源頻率已知時(shí)，根據(jù)預(yù)期轉(zhuǎn)矩，對(duì)變頻器的實(shí)時(shí)輸出頻率進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制，便可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)對(duì)應(yīng)頻率的實(shí)時(shí)輸出。如此，便達(dá)到了轉(zhuǎn)差頻率的有效控制。利用該方式進(jìn)行頻率控制時(shí)，需要在具體的控制系統(tǒng)中配備相應(yīng)的速度傳感器。除此之外，根據(jù)實(shí)際情況，還可以額外添加電流反饋這一環(huán)節(jié)，從而不斷加強(qiáng)電流控制和頻率控制?？偠灾?，轉(zhuǎn)差頻率控制，是閉環(huán)控制中較為簡(jiǎn)單的一種。這種方式不僅可以增強(qiáng)變頻器的穩(wěn)定性，還可以保障加減速器和負(fù)載變動(dòng)器在接受指令時(shí)，具有極其快速的反應(yīng)能力。

3 結(jié)束語(yǔ)

在電子電力技術(shù)飛速發(fā)展的今天，變頻調(diào)速技術(shù)也在不斷發(fā)展和完善。就交流變頻調(diào)速技術(shù)而言，無(wú)論是其良好的控制，還是其調(diào)速的優(yōu)良性能，都在具體的工藝操作中有著至關(guān)重要的作用和意義。

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