變頻調(diào)速的基本方法芻議

楊榮昌

摘 要：近年來，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，變頻器其實是一個實現(xiàn)電機變速運行的簡單設(shè)備。簡而言之，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)換過程中，控制電路主要控制的是主電路。但是，在具體的變頻過程中，其操作步驟并不像理論上這么簡單。所以，深入了解變頻調(diào)速的原理，并熟練掌握其控制方式，對變頻調(diào)速的實踐操作有非?，F(xiàn)實的指導(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，依靠外加電氣參數(shù)的改變，以實現(xiàn)系統(tǒng)在負(fù)載方面的改變，是不現(xiàn)實的。想要改變系統(tǒng)負(fù)載，唯一的方式就是從電動機出發(fā)，改變其電氣的自身參數(shù)。由于影響電動機機械特性曲線的電氣參數(shù)很多，想要改變這些既定的電氣參數(shù)，以實現(xiàn)不同機械特性的人為改變，就需要引入具體的變頻器進(jìn)行電動機驅(qū)動。利用變頻器，可以讓人為改變的機械特性曲線與原有的負(fù)載特性曲線產(chǎn)生穩(wěn)定且全新的交點，這樣，便真正實現(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時電壓。當(dāng)α處于90°時，其輸出的實時電壓為零；當(dāng)α處于0°時，其輸出的實時電壓值最大。如果讓α自90°朝著0°逐漸變化，然后再按照同樣的時間逆方向返回，得到的輸出直流電壓值就會呈現(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具有極強的可控制性，其對應(yīng)輸出的實時電壓值也具有相似的可控制性，如此，便可輕易實現(xiàn)調(diào)壓過程。當(dāng)α角發(fā)生變化時，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)添加了一個較為復(fù)雜的直流環(huán)節(jié)。首先，將實時輸出的交流電從整流中通過，轉(zhuǎn)變成為直流電。然后，直流電再從逆變器中通過，直接轉(zhuǎn)變成為交流電。這樣，便實現(xiàn)了交-直-交變頻。該過程中使用的變頻器通常被人們稱為交-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)電機定子的相關(guān)規(guī)律，可知其感應(yīng)電勢的表達(dá)式為：

E1=4.44kW1Φmf0W0

當(dāng)電動機處于額定電壓的運行狀態(tài)時，電機電子無論是在電阻方面，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)上述電動勢的表達(dá)式可以知道，如果f0發(fā)生變化，雖然電機的實時電壓不會隨之而動，但電機在Φm方面則會發(fā)生飽和現(xiàn)象或勵磁欠缺現(xiàn)象。一旦磁通量發(fā)生飽和現(xiàn)象，那么，電機機體中便會通過大規(guī)模的勵磁電流，相應(yīng)的，電機內(nèi)部的銅、鐵損耗也會大幅度增加。而一旦電機發(fā)生勵磁欠缺現(xiàn)象，電機具體的輸出轉(zhuǎn)矩則會受到對應(yīng)程度的影響。所以，想要切實維持磁通量的恒定，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)缺點鮮明，優(yōu)點是可對電機進(jìn)行開環(huán)速度把握和控制，缺點是只能處于基礎(chǔ)頻率以下運行，且低速性能也相對較差。

2.2 直接轉(zhuǎn)矩控制

直接轉(zhuǎn)矩控制，又被稱為“直接自我控制”，其思想主要是將轉(zhuǎn)矩作為磁鏈和轉(zhuǎn)矩控制工作開展和進(jìn)行的中心。該方式最常見于ABB公司，是控制性能極其高超的一種。具體而言，該方式對電機的磁鏈和轉(zhuǎn)矩進(jìn)行控制時，是分別進(jìn)行的。控制磁鏈時，其主要的控制對象并不是常規(guī)的轉(zhuǎn)子磁鏈，而是定子磁鏈。通過對定子磁鏈以及轉(zhuǎn)矩等部件的數(shù)學(xué)模型建立，可以檢測獲得磁通量和轉(zhuǎn)矩的實時幅值和實時值。與給定值對比分析，便可得到與定子磁鏈以及轉(zhuǎn)矩對應(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，通過切換逆變電路的開、關(guān)狀態(tài)，就可直接實現(xiàn)閉環(huán)控制磁鏈及轉(zhuǎn)矩。

2.3 矢量控制

通過異步電機電子電流矢量的控制和測量，以及電機勵磁和轉(zhuǎn)矩電流的控制和掌握，可以實現(xiàn)矢量控制異步電機轉(zhuǎn)矩的目的和效果。具體而言，矢量控制就是在分解電機定子電流矢量的基礎(chǔ)上，將其轉(zhuǎn)換成為兩種電流分量，一種是磁場的勵磁電流，一種是電場的轉(zhuǎn)矩電流。然后對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為定子電流矢量的控制，所以，其變頻的具體控制方式就稱為矢量控制。在實際運用中，由于定子磁鏈的觀測難度極大，電機參數(shù)對系統(tǒng)特性的整體影響極大的原因，加之矢量在等效直流電機控制中旋轉(zhuǎn)和變換的過程極為復(fù)雜，導(dǎo)致控制的最終效果無法實現(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，是對轉(zhuǎn)矩進(jìn)行直接控制的一種方式。同時，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)異步電機實際操作速率的對應(yīng)電源頻率已知時，根據(jù)預(yù)期轉(zhuǎn)矩，對變頻器的實時輸出頻率進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制，便可以實現(xiàn)電機對應(yīng)頻率的實時輸出。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，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)，從而不斷加強電流控制和頻率控制。總而言之，轉(zhuǎn)差頻率控制，是閉環(huán)控制中較為簡單的一種。這種方式不僅可以增強變頻器的穩(wěn)定性，還可以保障加減速器和負(fù)載變動器在接受指令時，具有極其快速的反應(yīng)能力。

3 結(jié)束語

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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