變頻器控制方法的對(duì)比

彭云

摘 要 探討了不同控制方法下變頻器的特性，并對(duì)u/f控制、轉(zhuǎn)差頻率控制、矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制進(jìn)行了著重對(duì)比，最后為實(shí)際工程中變頻器的合理選擇和應(yīng)用提出幾點(diǎn)建議。

【關(guān)鍵詞】變頻器 控制方式 特性對(duì)比

變頻器是工業(yè)控制領(lǐng)域中的重要元器件，以其高精度、寬范圍、高效率，且無(wú)級(jí)調(diào)速等優(yōu)異性能成為電氣傳動(dòng)領(lǐng)域的重要電子設(shè)備。結(jié)合當(dāng)前變頻器市場(chǎng)應(yīng)用，從不同控制技術(shù)對(duì)比探析中歸納控制特性，更好的促進(jìn)變頻器的合理化選型。

1 變頻器的控制方式

變頻器是借助于電力電子技術(shù)、控制技術(shù)等來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)電流、電壓、頻率的改變，以獲得相應(yīng)的調(diào)速控制目標(biāo)。以異步電動(dòng)機(jī)為例，調(diào)速時(shí)氣隙磁通保持恒定十分重要，如果磁通太弱，鐵芯難以充分發(fā)揮作用，磁通太強(qiáng)，引發(fā)電流太大，導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)過(guò)熱。因此，優(yōu)化定子頻率控制是確保平穩(wěn)調(diào)速的關(guān)鍵。

1.1 u/f控制方式

早期的變頻器采用壓頻比標(biāo)量控制方式，對(duì)異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行調(diào)速控制時(shí)，保持氣隙磁通為恒定值，電動(dòng)機(jī)定子每相電動(dòng)勢(shì)的有效值計(jì)算為：E1=4.44f1N1Φm。從上式來(lái)看，調(diào)控E1和f1，來(lái)保持氣隙磁通Φm恒定。一種方法是利用U1/f1近似等于常數(shù)方式來(lái)控制，保持恒轉(zhuǎn)距調(diào)速，但因電動(dòng)機(jī)定子電阻、漏電抗的壓降而需要進(jìn)行修正；另一種方法是采用基頻以上磁通恒定調(diào)速，但因受額定電壓的限制，頻率增加時(shí)可能導(dǎo)致主磁通減少，而發(fā)生轉(zhuǎn)矩減少。但綜合來(lái)看，異步電動(dòng)機(jī)在變頻器調(diào)速控制上，利用u/f控制方式，來(lái)改變定子頻率，以獲得低速運(yùn)行時(shí)足夠的轉(zhuǎn)矩，且不會(huì)因?yàn)榇棚柡投龃髣?lì)磁電流，降低功率和效率。因此，在維持最大過(guò)載系數(shù)不變條件下，可以忽視定子電阻，從而獲得不同負(fù)載下的頻率和電壓最佳變化規(guī)律。不過(guò)，應(yīng)該指出的是，在變頻調(diào)速恒轉(zhuǎn)矩條件下，當(dāng)頻率足夠高時(shí)可以忽略定子電阻，而在低頻條件下，定子電阻不能忽略。因此，在低頻條件下，應(yīng)該適當(dāng)增加u/f比，來(lái)補(bǔ)償定子電阻的影響。

1.2 轉(zhuǎn)差頻率控制方式

轉(zhuǎn)差頻率控制是根據(jù)轉(zhuǎn)速所對(duì)應(yīng)的頻率與轉(zhuǎn)差頻率的和，來(lái)控制與轉(zhuǎn)差率有關(guān)的轉(zhuǎn)矩和電流。該方式精度較高，調(diào)速范圍較大，但不足是穩(wěn)定性不夠，易受到外界干擾。當(dāng)然，從轉(zhuǎn)差頻率控制中，通過(guò)改變轉(zhuǎn)差率來(lái)調(diào)整轉(zhuǎn)速，并通過(guò)轉(zhuǎn)速反饋來(lái)控制變頻器的頻率，再控制其相應(yīng)的轉(zhuǎn)矩。由于轉(zhuǎn)差頻率、電流都在控制范圍，使其承受的加減速度、負(fù)荷波動(dòng)較大，影響穩(wěn)定性。不過(guò)，通過(guò)利用轉(zhuǎn)速放大器裝置，來(lái)轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)差頻率、電流指令，可以獲得較高的調(diào)速控制精度。顯然，從頻率指令、定子端電壓指令控制中，該控制結(jié)構(gòu)屬于閉環(huán)控制，多用于單機(jī)控制，但其機(jī)械特性與 u/f控制方式一樣都具有非線性。

1.3 矢量控制方式

隨著變頻器控制技術(shù)的革新，以空間矢量控制、參照直流控制方式來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)異步電動(dòng)機(jī)定子電流空間矢量的分解，從而產(chǎn)生轉(zhuǎn)子勵(lì)磁分量與轉(zhuǎn)矩的電流分量。該方式力矩高、調(diào)速寬，精度也獲得大大提升。利用矢量控制方式可以消除電動(dòng)機(jī)多變量參數(shù)的耦合影響，從而獲得優(yōu)良控制性能。不足是整個(gè)電路回路較為復(fù)雜，增加了控制成本。矢量控制方法的基本思想是按照旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)等效原則，通過(guò)檢測(cè)氣隙中相差90°的極距點(diǎn)磁通量的值，來(lái)?yè)Q算成磁通幅值信號(hào)、旋轉(zhuǎn)磁空間相位角信號(hào)。但由于磁槽的影響，對(duì)于磁通信號(hào)本身所產(chǎn)生的脈動(dòng)較大，特別是在低速條件下，磁通觀測(cè)值變化強(qiáng)烈，不利于有效調(diào)速控制。

1.4 直接轉(zhuǎn)矩控制方式

該方式與矢量控制相比，主要以異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩為被控制量，通過(guò)調(diào)整轉(zhuǎn)矩來(lái)完成調(diào)速控制。直接轉(zhuǎn)矩控制方式，有效解決了矢量控制中對(duì)電機(jī)參數(shù)的過(guò)度依賴(lài)，避免了矢量控制中二次坐標(biāo)的變換及復(fù)雜計(jì)算，利用三相定子電壓、電流來(lái)計(jì)算轉(zhuǎn)矩、勵(lì)磁，使轉(zhuǎn)矩響應(yīng)在一拍內(nèi)完成且無(wú)超調(diào)。作為最先進(jìn)的控制方式，該方法以交流電動(dòng)機(jī)參數(shù)為直接控制，精度大幅提升，但因周邊DSP控制處理器件較多，且成本高，推廣應(yīng)用范圍受限。

2 不同控制方式的對(duì)比分析

從變頻器調(diào)速控制性能來(lái)看，無(wú)論是那種控制方式，都需要從控制指標(biāo)來(lái)衡量系統(tǒng)設(shè)計(jì)的綜合穩(wěn)定性。力矩階躍時(shí)間是當(dāng)力矩突然增加所需的時(shí)間，由于SPWM開(kāi)環(huán)時(shí)間為100ms，矢量控制速度反饋為10～20ms，而DTC開(kāi)環(huán)時(shí)間為5ms。由此帶來(lái)的電動(dòng)機(jī)從空載到突然增加100%力矩后，瞬時(shí)速度必然下降。當(dāng)力矩階躍時(shí)間越少，則誤差越小，反之則越大。同樣，靜態(tài)速度誤差主要是在某一轉(zhuǎn)速下，負(fù)載由空載增加到額定值所帶來(lái)的轉(zhuǎn)速降落與空載轉(zhuǎn)速之間的比值，多用來(lái)表示負(fù)載變速下的穩(wěn)定性。通常，SPWM矢量控制編碼反饋與DTC編碼反饋的靜態(tài)速度誤差為±0.01%，在系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，因其負(fù)載轉(zhuǎn)矩小于變頻裝置的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，具有較好的啟動(dòng)特性。當(dāng)SPWM調(diào)速控制時(shí)，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩約為150%～180%額定轉(zhuǎn)矩；而DTC啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩約為200%額定轉(zhuǎn)矩，可見(jiàn)，變頻調(diào)速控制方式的穩(wěn)定性能要優(yōu)于DTC控制方式。

3 變頻器合理化選用分析

從變頻器的選擇使用來(lái)看，優(yōu)于SPWM控制方式無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)力矩的有效控制，其精度不足，多適用于風(fēng)機(jī)、泵類(lèi)負(fù)載；矢量控制技術(shù)，利用力矩分量、磁通分量來(lái)獲得精確控制，保持良好的力矩與速度特性，更適宜控制要求高的工況。不過(guò)，由于矢量控制下轉(zhuǎn)子磁鏈無(wú)法準(zhǔn)確觀測(cè)，加之矢量變換復(fù)雜性強(qiáng)，其實(shí)際控制效果并非理想。同時(shí)，考慮到轉(zhuǎn)子磁鏈在控制系統(tǒng)中需要加配位置、速度傳感器，給工況應(yīng)用場(chǎng)合帶來(lái)不便。利用直接轉(zhuǎn)矩控制方式，其性能要優(yōu)于定子磁鏈控制方式，加上對(duì)電動(dòng)機(jī)其他參數(shù)的控制，具有較高的魯棒性，具有較廣的應(yīng)用性。另外，在交流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，要考慮的系統(tǒng)配置的最佳性能，應(yīng)從設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)、成本、維護(hù)工作量等方面來(lái)合理化選擇，在保障系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)前提下，降低投資，實(shí)現(xiàn)高性能價(jià)格比。

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作者單位

江蘇省揚(yáng)州技師學(xué)院 江蘇省揚(yáng)州市 225003endprint