變頻調(diào)速典型控制系統(tǒng)（一）

馬小亮

（天津電氣傳動設(shè)計(jì)研究所，天津 300180）

序言：在我國，全部發(fā)電量的60%左右用于電動機(jī)。電動機(jī)調(diào)速是一種通過控制電動機(jī)轉(zhuǎn)速來滿足各種機(jī)械工作要求，改善工作效果的技術(shù)，它是信息、能源和機(jī)械的接口。生產(chǎn)機(jī)械種類繁多，它們的工藝要求千變?nèi)f化，相應(yīng)的調(diào)速控制系統(tǒng)各不相同，不可能把它們都羅列出來。本講座把眾多工藝要求中的共性問題提煉出來，按照實(shí)現(xiàn)這些共性要求的控制方法不同，歸納出幾類典型工藝控制系統(tǒng)，予以分別介紹。

早期的電動機(jī)調(diào)速是直流電動機(jī)調(diào)速（簡稱直流調(diào)速）的天下，自20世紀(jì)80年代以來，隨著電力電子變頻技術(shù)、數(shù)字控制技術(shù)的發(fā)展和高性能交流電動機(jī)調(diào)速方法的發(fā)明，現(xiàn)在已經(jīng)基本上實(shí)現(xiàn)了以交流電動機(jī)調(diào)速（簡稱交流調(diào)速）取代直流調(diào)速。在眾多的交流調(diào)速方法中，變頻調(diào)速是唯一能在調(diào)速性能及效率上與直流調(diào)速競爭，實(shí)現(xiàn)高性能調(diào)速的方法。本講座只介紹變頻調(diào)速的典型控制系統(tǒng)，它的許多控制策略也適合用于直流傳動。

在變頻調(diào)速系統(tǒng)中，變頻器可以放在電動機(jī)定子側(cè)，也可以放在雙饋異步電動機(jī) （繞線異步電動機(jī)）轉(zhuǎn)子側(cè)。變頻器放在雙饋異步電動機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)的系統(tǒng)稱轉(zhuǎn)子側(cè)變頻調(diào)速系統(tǒng)。依據(jù)變頻器工作的象限數(shù)不同，轉(zhuǎn)子側(cè)變頻調(diào)速又分2類：若變頻器只能單象限工作，轉(zhuǎn)差能量從電動機(jī)轉(zhuǎn)子流向電網(wǎng)，則該系統(tǒng)稱串級調(diào)速，轉(zhuǎn)速只能從額定轉(zhuǎn)速向下調(diào)；若變頻器能4象限工作，轉(zhuǎn)差能量可以在電動機(jī)轉(zhuǎn)子和電網(wǎng)間雙向流動，則該系統(tǒng)稱雙饋調(diào)速，轉(zhuǎn)速可以在額定轉(zhuǎn)速上、下調(diào)節(jié)。在轉(zhuǎn)子側(cè)變頻調(diào)速系統(tǒng)中，變頻器的容量按轉(zhuǎn)差功率選取，轉(zhuǎn)差變化范圍小時變頻器容量可以比電動機(jī)功率小很多，它是這種調(diào)速系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)，轉(zhuǎn)差變化范圍大后該優(yōu)點(diǎn)就沒了，所以這種調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速范圍一般小于2。串級調(diào)速主要用于節(jié)能調(diào)速，對調(diào)速性能要求不高場合，雙饋調(diào)速主要用于風(fēng)力和水力發(fā)電，由于應(yīng)用范圍較窄本講座將不涉及它們。變頻器在電動機(jī)定子側(cè)的系統(tǒng)即通常說的是變頻調(diào)速系統(tǒng)，它應(yīng)用最廣泛，是本講座研討的對象。

本講座的內(nèi)容安排如下：第1講為調(diào)速系統(tǒng)分類和變頻調(diào)速用電動機(jī)、變頻器及其控制系統(tǒng)概述；第2講為通用機(jī)械的節(jié)能調(diào)速；第3講為工藝調(diào)速的典型轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)；第4講為多電動機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)；第5講為張力控制系統(tǒng)；第6講為位置控制系統(tǒng)。

第1講 調(diào)速系統(tǒng)分類和變頻調(diào)速用電動機(jī)、變頻器及其控制系統(tǒng)概述

1.1 調(diào)速系統(tǒng)分類［1－2］

1.1.1 按調(diào)速的應(yīng)用領(lǐng)域分類

可粗分為4大類。

1）通用機(jī)械的節(jié)能調(diào)速。通用機(jī)械指風(fēng)機(jī)、泵、壓縮機(jī)等類機(jī)械，量大、面廣，應(yīng)用于各行各業(yè)，它們的用電量占全國總發(fā)電量的1／3。這類機(jī)械過去都采用不調(diào)速的交流電動機(jī)驅(qū)動，風(fēng)量和流量靠擋板及閥門調(diào)節(jié)，浪費(fèi)大量能源。把這類機(jī)械的交流傳動系統(tǒng)由不調(diào)速改為調(diào)速，取消擋板及閥門調(diào)節(jié)，平均可節(jié)電30%～40%，故稱這類調(diào)速系統(tǒng)為節(jié)能調(diào)速系統(tǒng)。改調(diào)速后，由于風(fēng)量和流量可以連續(xù)、平滑和快速精確控制，給工藝（或燃燒）過程的優(yōu)化創(chuàng)造了條件，有助于提高產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量；由于減少了管道和閥門的壓力，可以提高設(shè)備壽命，減小維修量。節(jié)能調(diào)速對調(diào)速性能要求不高，調(diào)速范圍通常不大于2。

2）工藝調(diào)速。由于機(jī)械設(shè)備的工藝需要，要求驅(qū)動電動機(jī)必須調(diào)速運(yùn)行的傳動系統(tǒng)稱為工藝調(diào)速系統(tǒng)，不調(diào)速便不能生產(chǎn)，例如金屬加工、造紙、提升等機(jī)械的傳動系統(tǒng)。工藝調(diào)速是高性能調(diào)速的主要應(yīng)用領(lǐng)域，長期以來在這個領(lǐng)域里，都采用直流調(diào)速，現(xiàn)過渡到以交流調(diào)速為主。

3）車輛牽引和船舶推進(jìn)調(diào)速。各種電動車輛及船舶等運(yùn)輸機(jī)械的電驅(qū)動系統(tǒng)，也要求在運(yùn)行中及時調(diào)速，這類傳動系統(tǒng)稱為牽引和推進(jìn)調(diào)速系統(tǒng)。它們屬工藝調(diào)速范疇，也是高性能調(diào)速的應(yīng)用領(lǐng)域，但由于裝在移動機(jī)械上，又有許多不同于一般機(jī)械的特殊要求，例如供電電源、設(shè)備尺寸和重量、散熱及防護(hù)要求等。過去這類傳動系統(tǒng)都采用直流調(diào)速，現(xiàn)在也改用交流調(diào)速。由于牽引和推進(jìn)機(jī)械對傳動設(shè)備的尺寸、重量和防護(hù)有嚴(yán)格要求，而在這些方面交流比直流占優(yōu)勢，所以交流牽引和推進(jìn)調(diào)速取得更快發(fā)展。

4）特殊調(diào)速。某些應(yīng)用場合，用戶對調(diào)速有特殊要求，滿足這些特殊要求的調(diào)速系統(tǒng)屬特殊調(diào)速系統(tǒng)。例如轉(zhuǎn)速6 000r／min以上的高速系統(tǒng)，直流電動機(jī)滿足不了這個轉(zhuǎn)速要求，只能使用交流調(diào)速。又比如調(diào)速范圍為1∶50 000～1∶100 000的極寬調(diào)速系統(tǒng)，用普通直流或交流電動機(jī)都有困難，只有采用特殊的永磁交流電動機(jī)才能實(shí)現(xiàn)。

1.1.2 按調(diào)速方式分類

有4種按調(diào)速方式分類方法。

1）開環(huán)調(diào)速和閉環(huán)調(diào)速。電動機(jī)的轉(zhuǎn)速給定被設(shè)置后不能自動糾正轉(zhuǎn)速偏差的調(diào)速方式稱為開環(huán)調(diào)速；具有自糾偏能力，能根據(jù)轉(zhuǎn)速給定和實(shí)際值之差自動校正轉(zhuǎn)速，使轉(zhuǎn)速不隨負(fù)載、電網(wǎng)波動及環(huán)境溫度變化而變化的調(diào)速方式稱為閉環(huán)調(diào)速。

2）無級調(diào)速和有級調(diào)速。無級調(diào)速又稱連續(xù)調(diào)速，指電動機(jī)的轉(zhuǎn)速可以平滑調(diào)節(jié)，特點(diǎn)是轉(zhuǎn)速變化均勻，適應(yīng)性強(qiáng)，易實(shí)現(xiàn)自動化，因此在工業(yè)裝置中被廣泛應(yīng)用；有級調(diào)速又稱間斷調(diào)速或分級調(diào)速，它的轉(zhuǎn)速只有有限的幾級，調(diào)速范圍有限且不易實(shí)現(xiàn)自動化。在數(shù)字控制的調(diào)速系統(tǒng)中，它的轉(zhuǎn)速給定被量化后是間斷的，嚴(yán)格說屬于有級調(diào)速，但由于級數(shù)非常多，級差很小，仍認(rèn)為是無級調(diào)速。

3）向上調(diào)速和向下調(diào)速。在額定工況運(yùn)行（施加額定頻率的額定電壓，帶額定負(fù)載）的電動機(jī)的轉(zhuǎn)速稱額定轉(zhuǎn)速，也稱基本轉(zhuǎn)速或基速。從基速向提高轉(zhuǎn)速方向的調(diào)速稱向上調(diào)速，例如弱磁調(diào)速；從基速向降低轉(zhuǎn)速方向的調(diào)速稱向下調(diào)速，例如降壓調(diào)速。

4）恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速和恒功率調(diào)速。在調(diào)速過程中，若在流過額定電流條件下（電動機(jī)發(fā)熱情況不變），電動機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩維持額定值不變，則稱這種調(diào)速方式為恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速，這時電動機(jī)輸出的功率與轉(zhuǎn)速成正比；若在流過額定電流條件下，電動機(jī)輸出的功率維持額定值不變，則稱這種調(diào)速方式為恒功率調(diào)速，這時電動機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速成反比。

恒轉(zhuǎn)矩和恒功率調(diào)速方式的選擇應(yīng)與生產(chǎn)機(jī)械負(fù)載類型相配合。如果恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方式用于恒功率類型的負(fù)載，電動機(jī)功率需按最大轉(zhuǎn)矩和最高轉(zhuǎn)速之積來選擇，導(dǎo)致電動機(jī)功率比負(fù)載功率大許多（恒功率負(fù)載最大轉(zhuǎn)矩出現(xiàn)在低速，高轉(zhuǎn)速時轉(zhuǎn)矩小，轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的乘積遠(yuǎn)小于最大轉(zhuǎn)矩和最高轉(zhuǎn)速之積）。如果電動機(jī)的恒功率調(diào)速范圍和負(fù)載要求的恒功率范圍一致，電動機(jī)容量最小。如果負(fù)載要求的恒功率范圍大，電動機(jī)的恒功率調(diào)速范圍受到電氣條件的限制不能滿足時，只能適當(dāng)放大電動機(jī)容量，擴(kuò)大調(diào)速系統(tǒng)的恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速范圍，以彌補(bǔ)恒功率調(diào)速范圍的不足。

1.2 變頻調(diào)速用電動機(jī)

變頻調(diào)速使用的交流電動機(jī)主要有籠形異步電動機(jī)、勵磁同步電動機(jī)和永磁同步電動機(jī)3大類。籠形異步電動機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、便宜、可靠、維護(hù)工作量小（沒有滑環(huán)和電刷）、不需要勵磁裝置、控制簡單，所以得到最廣泛應(yīng)用。籠形異步電動機(jī)也有一些缺點(diǎn)，它的應(yīng)用受到一些限制：

1）異步電動機(jī)功率因數(shù)＜1，在同樣輸出功率下用于異步電動機(jī)的變頻器容量比同步電動機(jī)大10%～15%；

2）異步電動機(jī)氣隙?。庀洞髣t電機(jī)功率因數(shù)和效率會降低），低速大容量電機(jī)（特別是工作于沖擊振動場合的電機(jī)）制造困難；（對于額定轉(zhuǎn)速＞150r／min或200r／min，容量＜3或4MV·A，無沖擊振動要求的電動機(jī)，籠型異步機(jī)比同步機(jī)便宜；若額定轉(zhuǎn)速＞300r／min，容量達(dá)9MV·A，異步機(jī)也便宜；如果超出上述范圍，則同步機(jī)便宜）

3）異步電動機(jī)額定轉(zhuǎn)矩過載倍數(shù)＜2.5，在恒功率（弱磁）調(diào)速區(qū)，最大轉(zhuǎn)矩按升速倍數(shù)的平方下降，因此不適合用于恒功率調(diào)速范圍大（＞2）及要求過載倍數(shù)大的場合；

4）異步電動機(jī)轉(zhuǎn)子時間常數(shù)大，不適合用于要求快速弱磁調(diào)速場合。

在上述不適合異步電動機(jī)工作的場合，宜采用勵磁同步電動機(jī)，主要是低速大功率、沖擊負(fù)載及要求恒功率調(diào)速范圍大等場合。永磁同步電動機(jī)和異步電動機(jī)一樣結(jié)構(gòu)簡單、可靠、維護(hù)工作量小、不需要勵磁裝置、控制簡單，但受永久磁體昂貴影響使得電動機(jī)造價高，影響其推廣應(yīng)用。永磁同步電動機(jī)比異步電動機(jī)體積和重量小、效率高、調(diào)速性能好，所以主要用于對體積、重量和性能有特殊要求的場合。永磁同步電動機(jī)調(diào)速的最大問題是恒功率弱磁調(diào)速困難，只有內(nèi)置式永磁同步電動機(jī)才能弱磁，表面式永磁同步電動機(jī)不能弱磁。

除上述3類電動機(jī)外，還有一類開關(guān)磁阻電動機(jī)，它簡單、結(jié)實(shí)，但噪聲和轉(zhuǎn)矩脈動較大，調(diào)速精度也不理想，應(yīng)用較少，本講座不介紹它的調(diào)速系統(tǒng)和專用變頻器。

1.3 調(diào)速用變頻器［3］

變頻調(diào)速系統(tǒng)采用的變頻器種類很多。按使用的電力電子器件及控制、換流方式分，有基于半控器件晶閘管（thyristor）移相控制、自然換流的變頻器及基于全控器件IGBT，IGCT，IEGT等PWM控制、自關(guān)斷換流的變頻器2大類。按變流次數(shù)分有交－交直接變頻器及交－直－交間接變頻器2大類。依照中間直流回路中貯能元件不同，交－直－交變頻器又分電壓型（直流貯能元件為電容）及電流型（直流貯能元件為電感）2類。按輸出電壓等級分有低壓變頻器（＜1kV）和中壓變頻器（1～10kV，少數(shù)超過10kV）?，F(xiàn)在使用的變頻器有：晶閘管交－交變頻器（CC）——大功率（2MW 以上），低速（600r／min以下）；晶閘管交－直－交電流型變頻器（LCI）——大功率（5MW 以上），中高速（600r／min以上）；IGBT 交－直－交電壓型低壓變頻器——690V以下，中、小功率（2 MW以下）；IGBT交－交變頻器（又稱矩陣變頻器MC）——低壓小功率，研發(fā)階段；交－直－交電壓型中壓變頻器——中壓（2.3～10kV），大、中功率（1 MW 以上）；交－直－交電流型中壓變頻器——中壓（6.9kV），大、中功率（1MW 以上）。早期人們還使用過基于晶閘管強(qiáng)制關(guān)斷的交－直－交變頻器、基于大功率雙極型晶體管（功率BJT，早期稱GTR）和可關(guān)斷晶閘管（GTO）的交－直－交變頻器，現(xiàn)均已經(jīng)淘汰，本講座不再涉及。

基于晶閘管的變頻器（CC和LCI）的優(yōu)點(diǎn)是：便宜、可靠；可以4象限運(yùn)行，能把電動機(jī)的再生能量（電機(jī)制動時的動能或下放重物時的勢能）回饋至電網(wǎng)。CC和LCI相比，CC性能優(yōu)于LCI，但CC受輸出頻率＜20Hz限制而LCI無此限制，所以它們的應(yīng)用場合不同：CC適合用于低速（600r／min以下）、負(fù)載波動大、對調(diào)速性能要求高的場合；LCI適合用于高速（600r／min以上）、負(fù)載平穩(wěn)、對調(diào)速性能要求一般的場合。它們的缺點(diǎn)是電網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)低、諧波大，需要龐大的電網(wǎng)補(bǔ)償及諧波吸收裝置，因此正逐漸被交－直－交PWM變頻器取代。

基于自關(guān)斷器件的交－直－交電壓型PWM變頻器網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)高、諧波小，應(yīng)用最廣泛。其中的低壓變頻器只有一種兩電平結(jié)構(gòu)，使用的開關(guān)器件主要是IGBT及少量功率MOSFET（電壓低于200V的中小功率變頻器）。廣泛應(yīng)用的中壓變頻器有三電平中點(diǎn)鉗位（3L－NPC）及H橋級聯(lián)（HBC）2種結(jié)構(gòu)，使用的開關(guān)器件有低壓IGBT、高壓IGBT、IGCT和IEGT。兩種中壓變頻器的適用場合如下：

1）HBC適合用于6kV和10kV電動機(jī)及不要求再生能量回饋的傳動（它也能實(shí)現(xiàn)回饋，但需付出較大代價），特別是有“旁路運(yùn)行”要求的場合（在變頻器故障時切除變頻器，電動機(jī)直接聯(lián)到電網(wǎng)，恒速工作）。主要應(yīng)用領(lǐng)域是風(fēng)機(jī)、泵和壓縮機(jī)等節(jié)能調(diào)速傳動，它們量大、面廣。

2）3L－NPC輸出電壓達(dá)不到6kV，適合用于無“旁路運(yùn)行”要求的場合（不調(diào)速就不能生產(chǎn)，電動機(jī)不能恒速工作，這時電動機(jī)電壓不必和電網(wǎng)一樣），特別是要求再生能量回饋的場合。主要應(yīng)用領(lǐng)域是工藝調(diào)速及車輛牽引和船舶推進(jìn)等傳動。

交－直－交電壓型低壓變頻器和3L－NPC中壓變頻器的交－直整流電源有多種型式供選用。

1）不可控整流電源（DFE）。不可控整流電源主要指二極管整流電源。有時為了限制開機(jī)時貯能電容的充電電流，改用晶閘管可控整流電源，但在充電結(jié)束后維持觸發(fā)延遲角α＝0°，由于這時已不控制，所以它也屬于不可控整流電源類。它最簡單、經(jīng)濟(jì)、可靠，應(yīng)用最廣，但不能把再生能量回饋至電網(wǎng)。如果要求電動機(jī)再生工作（電氣制動或下放重物），則需在直流母線加裝制動單元和制動電阻，吸收再生能量。

2）整流／回饋電源。整流／回饋電源基于可逆整流，其特點(diǎn)是：既能整流，向直流母線供能，又能回饋，把再生能量送回交流電網(wǎng)，適合用于再生能量大，制動頻繁場合。有2種整流／回饋電源：晶閘管整流／回饋電源和IGBT整流／回饋電源。

晶閘管整流／回饋電源基于晶閘管可逆整流，由2套晶閘管橋構(gòu)成，一套整流，一套逆變。它簡單、便宜、應(yīng)用最多，問題是存在回饋橋逆變失敗的可能，若在回饋橋工作期間突然交流電源故障，進(jìn)線電壓降低過多，將導(dǎo)致逆變顛覆，直流電源短路，燒熔斷器。這種故障曾在現(xiàn)場多次發(fā)生。

為克服晶閘管整流／回饋電源的上述缺點(diǎn)，Siemens公司在它的SINAMICS－S120系列產(chǎn)品中推出一種改進(jìn)方案——IGBT整流／回饋電源。它的主電路與下面介紹的PWM整流相同，由反并聯(lián)了整流二極管的IGBT三相整流橋構(gòu)成，但不釆用PWM調(diào)制，在一個電源周期中每個IGBT只導(dǎo)通和關(guān)斷一次，在三相橋式整流的自然換流點(diǎn)（導(dǎo)通延遲角α＝0°處）開始導(dǎo)通，持續(xù)120°后關(guān)斷。它既可整流也可逆變（回饋），在交流電源故障或進(jìn)線電壓降低過多時，關(guān)斷所有IGBT，二極管橋阻止逆變電流流通，從而避免逆變顛覆發(fā)生。這種整流／回饋電源比晶閘管整流／回饋電源貴（用IGBT取代晶閘管），但比IGBT的PWM整流電源便宜（控制簡單，進(jìn)線電抗?。?。

3）電壓型PWM整流電源（又稱有源前端AFE）。電壓型PWM整流電源（AFE）的主電路與前述IGBT整流／回饋電源相同，但釆用PWM調(diào)制，其特點(diǎn)是：①電網(wǎng)側(cè)輸入電流為正弦波，無功從感性到容性連續(xù)可調(diào)（包括功率因數(shù)＝1）；②雙方向功率流，既可整流，又可回饋再生能量；③可在不穩(wěn)定的電網(wǎng)中可靠工作：在電網(wǎng)電壓大幅度波動時仍維持直流母線電壓不變；在電網(wǎng)故障（電壓降低超出允許范圍或完全掉電）時立即關(guān)斷所有IGBT，AFE變成二極管整流橋，不存在逆變顛覆問題，不會出事故。

盡管AFE有許多優(yōu)良的性能，但因價格比普通整流電源貴許多（約等于逆變器價格），不宜大量使用，主要用于對調(diào)速回饋性能及電網(wǎng)質(zhì)量要求高的場合。

4）公共直流母線。如果在1個工作面或1條生產(chǎn)線上有多臺電動機(jī)需要變頻調(diào)速，宜采用公共直流母線供電方式，即由1套大的整流電源向多套逆變器供電，見圖1。

圖1 公共直流母線

采用公共直流母線的優(yōu)點(diǎn)：①整流器容量小。由于不可能所有變頻調(diào)速電動機(jī)同時全速、滿載工作，整流器的容量小于各逆變器容量之和（整流器容量是按電動機(jī)有功功率來選擇，不是按電動機(jī)電流來選擇，如果電動機(jī)電流大，轉(zhuǎn)速和電壓不高，需要的整流容量不大）。②解決再生回饋問題容易。若公共母線下的1臺或幾臺電動機(jī)再生工作，而其他電動機(jī)電動工作，再生的能量可以通過直流母線流入正在電動工作的電動機(jī)，大大減小需要吸收或回饋的功率。另外由于只有1條直流母線，僅需1套能量吸收或回饋裝置就能解決所有電機(jī)的再生制動問題。③安裝尺寸小。因?yàn)殡娋W(wǎng)側(cè)元件，如熔斷器、接觸器、進(jìn)線電抗等可以集中采用一次，比多套電網(wǎng)側(cè)元件分散安裝尺寸小。

1.4 變頻器調(diào)速控制系統(tǒng)［3］

調(diào)速的任務(wù)是控制轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速通過轉(zhuǎn)矩來改變，轉(zhuǎn)矩不只和電流有關(guān)還與磁鏈有關(guān)，電動機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和磁鏈耦合在一起，要想實(shí)現(xiàn)高性能調(diào)速必須解開耦合，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩和磁鏈的分別控制。直流電動機(jī)的整流子幫助它實(shí)現(xiàn)了解耦，調(diào)速性能好；交流電動機(jī)本身不解耦，調(diào)速性能不如直流電動機(jī)，需要用某種控制策略幫它解耦，才能在調(diào)速性能上與直流電動機(jī)競爭。變頻調(diào)速的控制策略有2類：按電動機(jī)穩(wěn)態(tài)模型控制的調(diào)速系統(tǒng)和高性能調(diào)速系統(tǒng)。前者簡單但不解耦，調(diào)速性能（主要是動態(tài)性能）差；后者解耦，實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)矩與磁鏈的分別控制，性能好。按電動機(jī)穩(wěn)態(tài)模型控制的調(diào)速系統(tǒng)通過控制電動機(jī)定子電壓（或電流）幅值和頻率來控制轉(zhuǎn)速，它們都是標(biāo)量，又稱標(biāo)量控制系統(tǒng)。這類控制系統(tǒng)有2種：壓頻比（V／f）控制和轉(zhuǎn)差頻率控制。前者廣泛用于一般調(diào)速場合，后者主要用于電流型變頻，現(xiàn)在很少使用，本講座不涉及它。高性能調(diào)速通過控制定子電壓電流矢量（幅值和相角）來分別控制轉(zhuǎn)矩和磁鏈，從而控制轉(zhuǎn)速。它主要有2種：矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制。近年來為解決高壓開關(guān)器件開關(guān)頻率低帶來的特殊問題，從矢量控制基礎(chǔ)上又演變出一種新控制策略——定子磁鏈軌跡控制，它不同于常規(guī)矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制，而性能優(yōu)于它們。

1.4.1 壓頻比（V／f）控制

壓頻比（V／f）控制是按電動機(jī)穩(wěn)態(tài)關(guān)系進(jìn)行控制的開環(huán)系統(tǒng)，它的控制量是交流電動機(jī)的定子電壓幅值us和頻率fs，它們都是標(biāo)量。電動機(jī)的電勢幅值es≈us，磁鏈幅值為Ψ，采用相對值計(jì)算時，在穩(wěn)態(tài)

由式（1）知，通過電壓和頻率比可以控制磁鏈幅值。在V／f控制系統(tǒng)中電壓和頻率按圖2中虛線所示關(guān)系控制（圖2中實(shí)線是es與fs的關(guān)系，低頻段虛線與實(shí)線之差用來補(bǔ)償定子電阻壓降）。

圖2 V／f控制中電壓和頻率關(guān)系

在基速以下（fs＜fsN），us與fs成比例，維持磁鏈恒定，恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速；在基速以上（fs＞fsN）維持us恒定，Ψ與fs成反比，恒功率調(diào)速（弱磁調(diào)速）。在V／f控制系統(tǒng)中，根據(jù)期望的轉(zhuǎn)速，通過V／f曲線發(fā)生器，產(chǎn)生定子電壓和頻率給定信號（us＊和fs＊），經(jīng)PWM發(fā)生器去控制變頻器。

注意：

1）受高速時電動機(jī)功率因數(shù)降低影響，異步電動機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩Td.max隨n升高按平方關(guān)系減小

在選擇電動機(jī)容量時需校驗(yàn)恒功率調(diào)速段最大轉(zhuǎn)矩是否夠用（留30%裕量），這是異步電動機(jī)不宜用于恒功率調(diào)速倍數(shù)大于2場合的原因。

2）同步電動機(jī)V／f控制調(diào)速系統(tǒng)的最大轉(zhuǎn)矩受失步限制，這是同步電動機(jī)V／f控制系統(tǒng)不宜用于沖擊負(fù)載和經(jīng)常加減速場合的原因。

V／f控制存在下述缺點(diǎn)：

1）啟動電流不好控制。啟動電流由V／f特性初始電壓和定子電阻決定，初始電壓是開環(huán)設(shè)定的，設(shè)大了啟動電流太大，設(shè)小了電動機(jī)啟動不起來。定子電阻相對值很小，微小的電壓變化會引起大的電流變化，啟動電流控制困難。隨電動機(jī)容量加大，定子電阻相對值減小，這問題更嚴(yán)重。

2）啟動初期電流有直流分量，阻礙啟動。由于定子電阻小，PWM電壓波形中微小的直流分量會引起較大定子電流直流分量，產(chǎn)生阻力矩，阻礙轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。電動機(jī)容量越大，定子電阻越小，這問題越嚴(yán)重。

3）磁場建立慢，啟動轉(zhuǎn)矩小。啟動之初，定子電壓和頻率同時施加，由于轉(zhuǎn)子繞組的阻尼作用，要經(jīng)過3倍轉(zhuǎn)子時間常數(shù)后磁鏈才能達(dá)到穩(wěn)態(tài)值，磁場弱則啟動轉(zhuǎn)矩小。電動機(jī)容量越大，轉(zhuǎn)子時間常數(shù)越大（達(dá)s級），這問題越嚴(yán)重。

4）空載運(yùn)行時，在個別頻率段會出現(xiàn)振蕩現(xiàn)象。

V／f控制系統(tǒng)雖然有上述缺點(diǎn)，但因其簡單，性能也能滿足一般調(diào)速要求，因此應(yīng)用最廣泛，特別是異步電動機(jī)系統(tǒng)。隨電動機(jī)容量加大，V／f控制系統(tǒng)的缺點(diǎn)更加明顯，這時在變頻器總成本中控制系統(tǒng)所占比例已很小，所以越來越多的大容量變頻器改用無轉(zhuǎn)速傳感器的高性能控制系統(tǒng)，即使被拖動機(jī)械對調(diào)速性能要求不高。

1.4.2 高性能基礎(chǔ)調(diào)速系統(tǒng)

為滿足種類繁多的生產(chǎn)機(jī)械和千變?nèi)f化的工藝要求，設(shè)計(jì)了眾多的基于高性能調(diào)速的工藝控制系統(tǒng)，它們有一個共同的核心——基礎(chǔ)調(diào)速系統(tǒng)，所有具體系統(tǒng)都是在它的基礎(chǔ)上衍生出來的。

基礎(chǔ)調(diào)速系統(tǒng)是一個由轉(zhuǎn)矩內(nèi)環(huán)和轉(zhuǎn)速外環(huán)構(gòu)成的雙環(huán)系統(tǒng)，框圖見圖3。

圖3 基礎(chǔ)調(diào)速系統(tǒng)框圖

圖3中，ASR為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器；ATL為轉(zhuǎn)矩控制環(huán)；INV為逆變器；PG為編碼器；F／D為頻率／數(shù)字變換。

雖然調(diào)速的任務(wù)是控制轉(zhuǎn)速，但調(diào)速的關(guān)鍵是轉(zhuǎn)矩控制，只有在能快速、準(zhǔn)確控制轉(zhuǎn)矩的條件下才能獲得好的調(diào)速性能。轉(zhuǎn)矩內(nèi)環(huán)ATL的任務(wù)就是控制轉(zhuǎn)矩，在接收到轉(zhuǎn)矩給定信號T＊后，通過ATL的控制使電動機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)矩T快速、無振蕩地達(dá)到給定值，響應(yīng)時間只有幾ms到幾十ms。有無轉(zhuǎn)矩控制環(huán)是高性能調(diào)速系統(tǒng)與普通標(biāo)量控制系統(tǒng)區(qū)別的標(biāo)志。

由于電動機(jī)轉(zhuǎn)矩不僅與電動機(jī)電流有關(guān)，還與磁鏈有關(guān)，只有在能分別控制磁鏈和轉(zhuǎn)矩條件下才能有好的轉(zhuǎn)矩控制效果，因此在圖3的ATL中還包含有磁鏈控制環(huán)節(jié)。一個調(diào)速系統(tǒng)的全部調(diào)速范圍分2段：基速以下是恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速，磁鏈恒定；基速以上是恒功率調(diào)速，磁鏈與轉(zhuǎn)速成反比，轉(zhuǎn)速越高磁鏈越小，又稱弱磁調(diào)速。2種調(diào)速用電動機(jī)電壓幅值來控制：在它低于額定電壓時，維持磁鏈恒定；在它達(dá)到額定電壓后，維持電壓恒定，隨轉(zhuǎn)速升高自動弱磁。這自動弱磁控制環(huán)節(jié)也含ATL在內(nèi)，不另外畫出。對于不弱磁的調(diào)速系統(tǒng)，由于磁鏈恒定，可用電流環(huán)代表轉(zhuǎn)矩環(huán)。

ATL的實(shí)現(xiàn)可以采用矢量控制（含定子磁鏈軌跡控制）系統(tǒng)或直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)，在許多書籍和文獻(xiàn)中都有詳細(xì)介紹，這里不再重復(fù)。對于工藝控制而言，需要解決的是轉(zhuǎn)速外環(huán)問題，轉(zhuǎn)矩內(nèi)環(huán)只要好用就行，并不介意它具體是什么系統(tǒng)，所以在本講座介紹各種工藝控制框圖時用一個方框表示轉(zhuǎn)矩環(huán)，不指明它的具體內(nèi)容。

轉(zhuǎn)速外環(huán)的核心是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR，它是一個比例－積分（PI）調(diào)節(jié)器，輸入是轉(zhuǎn)速給定n＊和實(shí)際值n之偏差，輸出是轉(zhuǎn)矩給定T＊。若轉(zhuǎn)速偏差n＊－n≠0，在調(diào)節(jié)器比例和積分的作用下，輸出轉(zhuǎn)矩給定T＊就要變化，經(jīng)ATL控制，電動機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)矩T隨之變化，從而改變轉(zhuǎn)速，減小轉(zhuǎn)速偏差，直至n＊－n＝0，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速穩(wěn)態(tài)無差。ASR輸出有最大和最小值限制，它也就是電動機(jī)最大轉(zhuǎn)矩Tmax和最小轉(zhuǎn)矩Tmin限制。基礎(chǔ)調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性繪于圖4。

圖4 基礎(chǔ)調(diào)速系統(tǒng)機(jī)械特性

依照轉(zhuǎn)速實(shí)際值信號的來源不同，有2類轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)：有轉(zhuǎn)速傳感器系統(tǒng)——轉(zhuǎn)速反饋信號n來自轉(zhuǎn)速傳感器（編碼器＋脈沖／數(shù)字變換）；無轉(zhuǎn)速傳感器系統(tǒng)——轉(zhuǎn)速反饋信號n來自ATL中的轉(zhuǎn)速觀測器。有轉(zhuǎn)速傳感器系統(tǒng)的靜態(tài)轉(zhuǎn)速精度取決于轉(zhuǎn)速檢測精度，在采用編碼器＋脈沖／數(shù)字變換檢測時，檢測精度取決于標(biāo)準(zhǔn)時鐘脈沖精度及一個采樣周期中標(biāo)準(zhǔn)時鐘脈沖個數(shù)，精度可以做到很高。當(dāng)轉(zhuǎn)速降到低速（n＜5%）時，轉(zhuǎn)矩環(huán)ATL中的電動機(jī)模型從電壓模型過渡到電流模型，受電動機(jī)參數(shù)變化影響變大（對于異步電動機(jī)系統(tǒng)主要是轉(zhuǎn)子電阻變化），定向精度降低，整個調(diào)速系統(tǒng)的靜態(tài)轉(zhuǎn)速精度也受影響，要適當(dāng)降低，這個問題對于矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制都一樣。無轉(zhuǎn)速傳感器系統(tǒng)主要用于異步電動機(jī)系統(tǒng)，它的轉(zhuǎn)速觀測器工作原理基于電壓模型和電流模型的比較，受電流模型中轉(zhuǎn)子電阻等參數(shù)變化影響，觀測精度不可能做到很高，因此整個調(diào)速系統(tǒng)的靜態(tài)轉(zhuǎn)速精度要比有轉(zhuǎn)速傳感器系統(tǒng)低很多。當(dāng)轉(zhuǎn)速降到低速（n＜5%）時，由于電壓模型不能正常工作，轉(zhuǎn)速觀測器無法正確觀測轉(zhuǎn)速，所以許多變頻器的無轉(zhuǎn)速傳感器系統(tǒng)在低速時都被改造成轉(zhuǎn)速開環(huán)的電流－頻率系統(tǒng)，穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速精度降低到電動機(jī)本身的轉(zhuǎn)差率。由于這時的無轉(zhuǎn)速傳感器系統(tǒng)已不是高性能控制系統(tǒng)，而是標(biāo)量控制系統(tǒng)，所以低速的轉(zhuǎn)矩出力也受影響。西門子公司Masterdrives系列變頻器的靜態(tài)轉(zhuǎn)速精度如下：有轉(zhuǎn)速傳感器系統(tǒng)，n＞10%時轉(zhuǎn)速精度0.000 5%，n＜5%時轉(zhuǎn)速精度0.001%；無轉(zhuǎn)速傳感器系統(tǒng)，n＞10%時轉(zhuǎn)速精度0.1fslip，n＜5%時轉(zhuǎn)速精度fslip（fslip是轉(zhuǎn)差頻率相對值，電動機(jī)功率越大，fslip越小，對于功率≥30kW的電動機(jī)，fslip＜2%）。這不是最高水平的指標(biāo)，但從中我們可以看出2種系統(tǒng)在2種轉(zhuǎn)速下調(diào)速精度的差別。無轉(zhuǎn)速傳感器同步電動機(jī)系統(tǒng)，電動機(jī)工作無轉(zhuǎn)差，觀測器被用來觀測磁場瞬時位置，同樣由于低速時電壓模型不能正常工作，調(diào)速系統(tǒng)也被轉(zhuǎn)成電流－頻率標(biāo)量系統(tǒng)，轉(zhuǎn)矩出力受影響。了解上述差別，可以幫助我們選用系統(tǒng)：有轉(zhuǎn)速傳感器系統(tǒng)適合用于要求調(diào)速精度高，啟動轉(zhuǎn)矩大，有穩(wěn)定低速運(yùn)行工況的場合；無轉(zhuǎn)速傳感器系統(tǒng)適合用于要求調(diào)速精度中等，啟動轉(zhuǎn)矩一般，無穩(wěn)定低速運(yùn)行工況的場合。

［1］天津電氣傳動設(shè)計(jì)研究所.電氣傳動自動化技術(shù)手冊［M］.第2版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

［2］中國電氣工程大典：第15卷，（電氣傳動自動化）［M］.北京：中國電力出版社，2009.

［3］馬小亮.高性能變頻調(diào)速及其典型控制系統(tǒng)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

（未完待續(xù)）