交流變頻調(diào)速系統(tǒng)的主流控制方式介紹

李鑫

（東方汽輪機(jī)有限公司，四川 德陽(yáng) 618000）

交流電動(dòng)機(jī)使用方便，維護(hù)工作量小，且價(jià)格便宜，因此被廣泛應(yīng)用。但在以往的很長(zhǎng)一段時(shí)期，交流電機(jī)的調(diào)速裝置價(jià)格極高且調(diào)速性能不佳，使得在調(diào)速領(lǐng)域一直以直流調(diào)速為主。近年來(lái)，隨著電力電子技術(shù)和控制技術(shù)的發(fā)展，交流調(diào)速系統(tǒng)的性?xún)r(jià)比不斷的提高，交流調(diào)速系統(tǒng)已經(jīng)出現(xiàn)了全面取代直流調(diào)速系統(tǒng)的趨勢(shì)。

需要對(duì)電機(jī)進(jìn)行調(diào)速的應(yīng)用場(chǎng)合有如下四種。

第一種：通過(guò)對(duì)電機(jī)進(jìn)行調(diào)速，改變風(fēng)機(jī)水泵的使用工況，避免采用風(fēng)門(mén)和旁路來(lái)調(diào)節(jié)流量，浪費(fèi)大量的能源。

第二種：加工中心和機(jī)床類(lèi)需要進(jìn)行調(diào)節(jié)刀頭車(chē)削速度或步進(jìn)速度的場(chǎng)合。

第三種：近年來(lái)非常熱門(mén)的電動(dòng)汽車(chē)或高鐵機(jī)車(chē)的主驅(qū)動(dòng)電機(jī)調(diào)速。總結(jié)來(lái)說(shuō)就是牽引調(diào)速。

第四種：試驗(yàn)類(lèi)設(shè)備的工藝調(diào)速，如動(dòng)平衡機(jī)等。這類(lèi)應(yīng)用場(chǎng)合對(duì)調(diào)速性能的要求各不相同，對(duì)設(shè)備供應(yīng)商的技術(shù)實(shí)力要求較高。

在這四大類(lèi)應(yīng)用領(lǐng)域中，交流調(diào)速系統(tǒng)已經(jīng)占有極大的比例。交流電機(jī)的調(diào)速方式有很多種，主要分為有級(jí)調(diào)速和無(wú)極調(diào)速兩大類(lèi)，具體如下。

有級(jí)調(diào)速：

變極對(duì)數(shù)。主要針對(duì)異步電機(jī)的定子側(cè)，效率高。

轉(zhuǎn)子串電阻。主要針對(duì)繞線(xiàn)式異步電機(jī)的轉(zhuǎn)子側(cè)，效率低。

無(wú)級(jí)調(diào)速：

調(diào)壓調(diào)速。主要針對(duì)異步電機(jī)的定子側(cè)，效率低。

變頻調(diào)速（也稱(chēng)變壓變頻調(diào)速）。主要針對(duì)異步電機(jī)或同步電機(jī)的定子側(cè)，效率高。

串級(jí)調(diào)速。主要針對(duì)繞線(xiàn)式異步電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)，效率高。

雙饋調(diào)速。主要針對(duì)繞線(xiàn)式異步電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)，效率高。

液力耦合器調(diào)速。主要針對(duì)異步電機(jī)或者同步電機(jī)的轉(zhuǎn)軸，效率低。

電磁轉(zhuǎn)差離合器。主要針對(duì)異步電機(jī)或者同步電機(jī)的轉(zhuǎn)軸，效率低。

近年來(lái)，很多調(diào)速方式已經(jīng)逐步退出主流傳動(dòng)領(lǐng)域，如無(wú)極調(diào)速、液力耦合調(diào)速、電磁轉(zhuǎn)差離合器調(diào)速。目前市場(chǎng)應(yīng)用主要集中于交流異步電機(jī)的變頻調(diào)速，其產(chǎn)品種類(lèi)豐富，功率等級(jí)覆蓋范圍寬，可以滿(mǎn)足各種嚴(yán)苛要求的調(diào)速應(yīng)用。交流變頻調(diào)速系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)其調(diào)速性能時(shí)，會(huì)根據(jù)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、直接轉(zhuǎn)矩控制方式，每種控制方式均有各自的特點(diǎn)和適用條件。本文主要介紹以上幾種應(yīng)用最廣泛的異步電機(jī)變頻調(diào)速控制方式，并分析其優(yōu)缺點(diǎn)。

1 V/F控制方式

任何種類(lèi)的電機(jī)在實(shí)施調(diào)速時(shí)，要保證其輸出特性穩(wěn)定并發(fā)揮出電機(jī)的額定出力都需要主勵(lì)磁通穩(wěn)定的保持在額定值。降低勵(lì)磁磁通量，也就等同于弱磁調(diào)速，這種方式會(huì)降低電機(jī)的出力。增強(qiáng)磁通，會(huì)使得電機(jī)的鐵心飽和，發(fā)熱量增大，效率降低，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)燒毀電機(jī)繞組。

直流變頻調(diào)速電機(jī)通常都有獨(dú)立的勵(lì)磁繞組，串勵(lì)和并勵(lì)的勵(lì)磁方式通常都不會(huì)用于調(diào)速電機(jī)。再利用專(zhuān)用的勵(lì)磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)，控制好勵(lì)磁繞組的電流就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)勵(lì)磁強(qiáng)度的絕對(duì)控制。可以說(shuō)直流電機(jī)的勵(lì)磁可以通過(guò)簡(jiǎn)單的技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)絕對(duì)的掌控，必要時(shí)還能根據(jù)需要補(bǔ)償磁場(chǎng)強(qiáng)度。這就是直流電機(jī)易于調(diào)速的主要原因。

在交流電機(jī)中，磁通是定子和轉(zhuǎn)子磁勢(shì)合成產(chǎn)生的，因此其勵(lì)磁磁通無(wú)法簡(jiǎn)單實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定控制。從三相異步電機(jī)電動(dòng)勢(shì)有效值計(jì)算公式 Eg=4.44f1N1kN1Φm得知，要使交流異步電機(jī)的磁通Φm保持恒定，至少要控制好兩個(gè)變量 Eg和 f1。 Eg為氣隙磁通在定子每相中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)有效值，f1為定子頻率。

從該計(jì)算公式還可以得出，要保持Φm不變，當(dāng)定子頻率降低時(shí)， Eg也必須同時(shí)降低。然而，簡(jiǎn)單的技術(shù)手段并不能直接控制繞組中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，當(dāng)電動(dòng)勢(shì)值維持在較高水平時(shí)，電機(jī)定子繞組的漏磁阻抗壓降很小可以忽略，此時(shí)交流異步電機(jī)的定子相電壓U1≈Eg，但在低頻時(shí)，由于 Eg 比較小，定子阻抗壓降所占的份量就不能再忽略。從而導(dǎo)致了交流電機(jī)在低轉(zhuǎn)速下負(fù)載特性和動(dòng)態(tài)性能不佳。電機(jī)在基頻以下的機(jī)械特性見(jiàn)圖 1。

圖1 V/F控制方式（基頻以下）電機(jī)機(jī)械特性曲線(xiàn)

當(dāng)電機(jī)在基頻以上運(yùn)行時(shí)，頻率可以從額定頻率fn1往上升，但電壓U1不能超過(guò)額定值Un，只能維持U1=Un，這時(shí)磁鏈與頻率f1成反比降低，只能弱磁調(diào)速。此時(shí)電機(jī)恒功率調(diào)速，其機(jī)械特性見(jiàn)圖2。

圖2 V/F控制方式（基頻以上）電機(jī)機(jī)械特性曲線(xiàn)

從機(jī)械特性圖可以總結(jié)出交流異步電機(jī)V/F控制調(diào)速系統(tǒng)的缺點(diǎn)：（1）低速性能和動(dòng)態(tài)性能不好。（2）起動(dòng)之初，定子漏抗小，大功率電機(jī)定子電阻小，由于無(wú)電流閉環(huán)，定子電流不好控制，電流中常有直流分量，產(chǎn)生阻轉(zhuǎn)矩，影響啟動(dòng)。

交流異步電機(jī)V/F控制調(diào)速系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)：（1）變頻器結(jié)構(gòu)和算法簡(jiǎn)單，成本低，滿(mǎn)足大多數(shù)機(jī)械的調(diào)速需要，尤其是用于風(fēng)機(jī)、泵類(lèi)的節(jié)能調(diào)速，具有極其優(yōu)越的性?xún)r(jià)比。（2）在低速時(shí)，通過(guò)人為的把電壓U1抬高一些，以便近似的補(bǔ)償定子壓降，可在一定程度上解決啟動(dòng)力矩過(guò)小的問(wèn)題。

2 矢量控制方式

V/F 控制方式基本解決了交流異步電機(jī)平滑調(diào)速的問(wèn)題，能夠滿(mǎn)足許多工業(yè)應(yīng)用的要求，但距離直流電機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的性能還有較大差距。當(dāng)面對(duì)動(dòng)態(tài)性能要求較高時(shí)應(yīng)用工況時(shí)，V/F 控制方式就顯得捉襟見(jiàn)肘了。為了進(jìn)一步提高交流變頻調(diào)速系統(tǒng)的性能，許多專(zhuān)家學(xué)者進(jìn)行了長(zhǎng)期的研究，在 1971 年，由西門(mén)子公司提出了“感應(yīng)式電動(dòng)機(jī)磁場(chǎng)定向控制原理”，基于該原理，發(fā)展出目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用的采用矢量控制的變頻調(diào)速系統(tǒng)。

矢量控制的主要目的是使交流電動(dòng)機(jī)具備直流電機(jī)的調(diào)速性能。先通過(guò)三相到兩相的變換，將電機(jī)的三相輸入電流等效成為直流電機(jī)的勵(lì)磁電流Im和力矩電流It，這種等效需要利用旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的變換，才能將交流電機(jī)的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)變得靜止，從而達(dá)到模擬直流電機(jī)的控制方法。最后還要利用旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)反變換得到控制交流電機(jī)的正確輸入。整個(gè)控制方式將在變頻器中通過(guò)交直交或交交變換實(shí)現(xiàn)，見(jiàn)圖3。

圖3 交流異步電機(jī)三相/二相變換原理圖

矢量控制調(diào)速方式的優(yōu)點(diǎn)：（1） 采用矢量控制的異步電機(jī)可以實(shí)現(xiàn)在額定轉(zhuǎn)速下恒轉(zhuǎn)矩輸出，額定轉(zhuǎn)速以上恒功率輸出。其機(jī)械特性可以媲美直流變頻系統(tǒng)。（2） 直流電動(dòng)機(jī)受整流的限制，過(guò)高的 di/dt 是不容許的，因此其動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度會(huì)受到影響。采用矢量控制方式的變頻調(diào)速系統(tǒng)，電機(jī)電流可以在變頻器允許范圍內(nèi)快速響應(yīng)，其動(dòng)態(tài)性能甚至可以超過(guò)直流電動(dòng)機(jī)。（3）采用 V/F 控制方式的變頻調(diào)速系統(tǒng)啟動(dòng)力矩通常比較小，不能適應(yīng)重載啟動(dòng)的應(yīng)用要求。而采用適量控制的調(diào)速系統(tǒng)，由于調(diào)速特性類(lèi)似于直流電機(jī)，在啟動(dòng)時(shí)，力矩電流分量的增加可以線(xiàn)性提高電機(jī)的啟動(dòng)力矩，使得電機(jī)在啟動(dòng)時(shí)也能輸出額定力矩。

矢量控制調(diào)速方式的缺點(diǎn)：（1） 變頻器價(jià)格昂貴，以西門(mén)子驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品為例，具備矢量控制方式的 55kW等級(jí)變頻器比只有 V/F 控制方式的變頻器貴近 2 萬(wàn)元。（2） 矢量控制算法復(fù)雜，對(duì)電機(jī)的參數(shù)有較高的依賴(lài)性，因此，不能用一臺(tái)變頻器同時(shí)驅(qū)動(dòng)多臺(tái)電機(jī)。

3 直接轉(zhuǎn)矩控制方式

直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)簡(jiǎn)稱(chēng) DTC ( Direct Torque Control) 系統(tǒng)，是一種新型的交流電機(jī)調(diào)速控制方式，其主要通過(guò)電機(jī)電流和電壓的反饋來(lái)評(píng)估電機(jī)力矩輸出，并不斷的修正和調(diào)整，達(dá)到直接控制轉(zhuǎn)矩的目的。該種控制方式主要應(yīng)用于ABB公司的變頻器中。

直接轉(zhuǎn)矩控制以電機(jī)定子磁鏈為基準(zhǔn)進(jìn)行計(jì)算和控制。由于定子漏磁鏈已含在定子磁鏈中，定子磁鏈計(jì)算與定子漏感無(wú)關(guān)，使用電動(dòng)機(jī)參數(shù)少。定子磁鏈計(jì)算在磁鏈觀測(cè)器中進(jìn)行，它就是矢量控制系統(tǒng)中的電壓模型，即

再用K/P變換得定子磁鏈幅值 Ψs和位置角?s。然后在α-β坐標(biāo)系，通過(guò)定子電流和磁鏈（交流值）計(jì)算轉(zhuǎn)矩。

由于以定子磁鏈為基礎(chǔ)，轉(zhuǎn)矩和磁鏈不解耦，不宜使用調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩和磁鏈的分別控制，所以在直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)中，用兩個(gè)bang-bang控制器對(duì)其分別控制?？刂葡到y(tǒng)框圖見(jiàn)圖4。

圖4 直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)圖

直接轉(zhuǎn)矩控制調(diào)速系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)：（1）不需要通過(guò)旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換來(lái)使交流電機(jī)的控制模型直流，簡(jiǎn)化了控制器的控制算法和結(jié)構(gòu)。（2）控制器和控制算法的直接控制目標(biāo)是電機(jī)轉(zhuǎn)矩，使得電機(jī)的出力需要快速變化時(shí)，變頻器能夠快速響應(yīng)，達(dá)到極好的動(dòng)態(tài)特性。（3）采用直接轉(zhuǎn)矩控制方式的交流異步電機(jī)，同樣擁有媲美直接變頻系統(tǒng)的機(jī)械特性，能實(shí)現(xiàn)高動(dòng)態(tài)性能的調(diào)速系統(tǒng)。

直接轉(zhuǎn)矩控制調(diào)速方式的缺點(diǎn)：采用DTC控制方式的交流異步電機(jī)其輸出轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)相對(duì)VC控制方式偏大。

矢量控制方式和直接轉(zhuǎn)矩控制方式能實(shí)現(xiàn)交流異步電機(jī)的高性能調(diào)速，但還是有所差別，在此對(duì)兩種控制方式的電機(jī)性能進(jìn)行單獨(dú)比較：DTC的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)速度比VC略快。但在使用時(shí)要考慮到機(jī)械本身的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和固有頻率等因素。對(duì)于常規(guī)應(yīng)用，兩種控制方式都能很好的滿(mǎn)足。

（1）DTC控制方式的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)比VC略大。

（2） DTC采用bang-bang控制，其開(kāi)關(guān)頻率隨轉(zhuǎn)速變化而變化，VC的開(kāi)關(guān)頻率固定。

（3） DTC計(jì)算內(nèi)容少，但由于短時(shí)間內(nèi)不斷對(duì)電機(jī)輸出力矩進(jìn)行修正和控制，對(duì)控制器的運(yùn)算速度有一定要求。

（4）VC控制方式的調(diào)速范圍比DTC控制方式略寬。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)交流變頻調(diào)速系統(tǒng)的主流控制方式進(jìn)行比較，可以更加深入的了解各類(lèi)型傳動(dòng)技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域。目前市面上采用V/F控制變頻器應(yīng)用最為廣泛，各種風(fēng)機(jī)、泵類(lèi)、壓縮機(jī)均采用V/F控制方式的變頻器進(jìn)行調(diào)速以適應(yīng)設(shè)備的變工況運(yùn)行，相對(duì)節(jié)流和排空調(diào)節(jié)的方法可大大節(jié)約設(shè)備耗電量。而采用VC控制方式的變頻器主要應(yīng)用于寬范圍調(diào)速系統(tǒng)和伺服控制系統(tǒng)。DTC則主要適應(yīng)于需要快速轉(zhuǎn)矩響應(yīng)的大慣量運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，如電力機(jī)車(chē)等?？傊?，每種控制方式均有其不可替代的優(yōu)點(diǎn)和適用工況，應(yīng)根據(jù)負(fù)載特性和應(yīng)用需求合理選擇變頻器的控制類(lèi)型。

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