变频器的控制方式和应用选型

变频器的控制方式和应用选型

南亚翔

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摘要：本文结合国内变频技术的推广应用，阐述了通用变频器的几种控制方式的技术特性，针对变频器控制方式的合理选用，重点论述了转距控制型变频器的选型和应用中的相关问题。

关键词：控制方式；应用选型；问题分析

1引言

变频技术是应交流电机无级调速的需要而诞生的。20世纪60年代以后，电力电子器件经历了SCR（晶闸管）、GTO（门极可关断晶闸管）、BJT（双极型功率晶体管）、MOSFET（金属氧化物场效应管）、SIT（静电感应晶体管）、SITH（静电感应晶闸管）、MGT（MOS控制晶体管）、MCT（MOS控制晶闸管）、IGBT（绝缘栅双极型晶体管）、HVIGBT（耐高压绝缘栅双极型晶闸管）的发展过程，器件的更新促进了电力电子变换技术的不断发展。20世纪70年代开始，脉宽调制变压变频（PWM－VVVF）调速研究引起了人们的高度重视。20世纪80年代，作为变频技术核心的PWM模式优化问题吸引着人们的浓厚兴趣，并得出诸多优化模式，其中以鞍形波PWM模式效果最佳。20世纪80年代后半期开始，美、日、德、英等发达国家的VVVF变频器已投入市场并获得了广泛应用。

2变频器控制方式的分类

变频器常用的控制方式分为非智能控制方式和智能控制方式。

非智能控制方式

在交流变频器中使用的非智能控制方式有V/F协调控制、转差频率控制、矢量控制、直接转矩控制等。低压通用变频输出电压在380~650V，输出功率在0.75~400kW，工作频率在0~400Hz，它的主电路都采用交-直-交电路。其采用的控制方式如下。

(1)V/F=C正弦脉宽调制(SPWM)控制方式

V/F控制是为了得到理想的转矩-速度特性，基于在改变电源频率进行调速的同时，又要保证电动机的磁通不变的思想而提出的，通用型变频器基本上都采用这种控制方式。采用V/F控制方式的变频器结构非常简单，但是这种变频器采用开环控制方式，不能达到较高的控制性能，而且，在低频时，必须进行转矩补偿，以改变低频转矩特性。

V/F=C正弦脉宽调制(SPWM)控制方式的特点是:控制电路结构简单、成本较低，机械特性硬度也较好，能够满足一般传动系统的平滑调速要求。这种控制方式在低频时，由于输出电压较低，受电动机定子电阻压降的影响比较显著，故造成输出最大转矩减小。另外，其机械特性没有直流电动机硬，动态转矩能力和静态调速性能都不理想，采用V/F=C控制方式的系统性能不高、控制曲线会随负载的变化而变化，转矩响应慢、电动机转矩利用率不高，低速时因定子电阻和逆变器死区效应的存在而性能下降，使系统的稳定性变差等。

(2)矢量控制(磁场定向法)

70年代西门子工程师F.Blaschke首先提出异步电动机矢量控制理论，以解决交流电动机转矩控制问题。矢量控制(又称VC控制)变频调速系统的方法是:将异步电动机在三相坐标系下的定子交流电流Ia、Ib、Ic、通过三相-二相变换，等效成两相静止坐标系下的交流电流Ia1、Ib1，再通过按转子磁场定向旋转变换，等效成同步旋转坐标系下的直流电流Im1、It1(Im1相当于直流电动机的励磁电流；It1相当于直流电动机与转矩成正比的电枢电流)，然后模仿直流电动机的控制方法，求得直流电动机的控制量，经过相应的坐标反变换，实现对异步电动机的控制。

矢量控制的实质是将交流电动机等效为直流电动机，分别对速度，磁场两个分量进行独立控制。通过控制转子磁链为转子磁通定向，然后分解定子电流而获得转矩和磁场两个分量，经坐标变换，实现正交或解耦控制。矢量控制方法的提出具有划时代的意义。然而在实际应用中，由于转子磁链难以准确观测，系统特性受电动机参数的影响较大，且在等效直流电动机控制过程中所用矢量旋转变换较复杂，使得实际的控制效果难以达到理想分析的结果。

矢量控制方式又有基于转差频率控制的矢量控制方式、无速度传感器矢量控制方式和有速度传感器的矢量控制方式等。

基于转差频率的矢量控制方式与转差频率控制方式两者的主要区别是:基于转差频率的矢量控制要经过坐标变换对电动机定子电流的相位进行控制，使之满足一定的条件，以消除转矩电流过渡过程中的波动。因此，基于转差频率的矢量控制方式比基于转差频率控制方式在输出特性方面能得到很大的改善。但是，这种控制方式属于闭环控制方式，需要在电动机上安装速度传感器，因此，应用范围受到限制。

无速度传感器矢量控制是通过坐标变换处理，分别对励磁电流和转矩电流进行控制，然后通过控制电动机定子绕组上的电压、电流辨识转速以达到控制励磁电流和转矩电流的目的。这种控制方式调速范围宽，启动转矩大，工作可靠，操作方便，但计算比较复杂，一般需要专门的处理器来进行计算，因此，实时性不是太理想，控制精度受到计算精度的影响。

采用矢量控制方式的通用变频器不仅可在调速范围上与直流电动机相匹配，而且可以控制异步电动机产生的转矩。由于矢量控制方式所依据是准确的被控异步电动机的参数，有的通用变频器在使用时需要准确地输入异步电动机参数，有的通用变频器需要使用速度传感器和编码器。目前新型矢量控制通用变频器中已经具备异步电动机参数自动检测、自动辨识、自适应功能，带有这种功能的通用变频器在驱动异步电动机进行正常运转之前可以自动地对异步电动机的参数进行辨识，并根据辨识结果调整控制算法中的有关参数，从而对普通的异步电动机进行有效的矢量控制。

(3)直接转矩控制(DTC控制)

在80年代中期，德国学者Depenbrock教授于1985年提出直接转矩控制，其思路是把电动机和逆变器看成一个整体，采用空间电压矢量分析方法在定子坐标系进行磁通、转矩计算，通过跟踪PWM逆变器的开关状态直接控制转矩。因此，无需对定子电流进行解耦，免去矢量变换的复杂计算，控制结构简单。该技术在很大程度上解决了矢量控制的不足，并以新颖的控制思想、简洁明了的系统结构、优良的动静态性能得到了迅速发展。目前，该技术已成功地应用在电力机车牵引的大功率交流传动上。

直接转矩控制技术，是利用空间矢量、定子磁场定向的分析方法，直接在定子坐标系下分析异步电动机的数学模型，计算与控制异步电动机的磁链和转矩，采用离散的两点式调节器(Band-Band控制)，把转矩检测值与转矩给定值作比较，使转矩波动限制在一定的误差范围内，误差的大小由频率调节器来控制，并产生PWM脉宽调制信号，直接对逆变器的开关状

态进行控制，以获得高动态性能的转矩输出。它的控制效果不取决于异步电动机的数学模型是否能够简化，而是取决于转矩的实际状况，它不需要将交流电动机与直流电动机作比较、等效、转化，即不需要模仿直流电动机的控制，由于它省掉了矢量变换方式的坐标变换与计算和为解耦而简化异步电动机数学模型，没有通常的PWM脉宽调制信号发生器，所以它的控制结构简单、控制信号处理的物理概念明确、系统的转矩响应迅速且无超调，是一种具有高静、动态性能的交流调速控制方式。即使在开环的状态下，也能输出100%的额定转矩，对于多拖动具有负荷平衡功能。

(4)矩阵式交-交方式

VVVF变频、矢量控制变频、直接转矩控制变频都是交-直-交变频控制方式中的一种，其共同缺点是输入功率因数低，谐波电流大，直流回路需要大的储能电容，再生能量又不能反馈回电网，即不能进行四象限运行。为此，矩阵式交-交变频应运而生。由于矩阵式交-交变频省去了中间直流环节，从而省去了体积大、价格贵的电解电容。它能实现功率因数为l，输入电流为正弦波且能四象限运行，系统的功率密度大。该技术目前虽尚未成熟，但仍吸引着众多的学者深入研究。其实质不是间接的控制电流、磁链等量，而是把转矩直接作为被控制量来实现的。具体方法是:

(1)引入定子磁链观测器，实现无速度传感器方式。

(2)依靠精确的电动机数学模型，对电动机参数自动识别。

(3)依据定子阻抗、互感、磁饱和因素、惯量等，算出实际的转矩、定子磁链、转子速度进行实时控制。

(4)按磁链和转矩的Band-Band控制产生PWM信号，对逆变器开关状态进行控制、矩阵式交-交方式具有快速的转矩响应(<2ms)，很高的速度精度(±2%，无PC反馈)，高转矩精度(<+3%)。具有较高的起动转矩，尤其在低速时(包括0速度时)，可输出150%~200%转矩。

(5)最优控制

最优控制是基于最优控制理论，根据最优控制的理论对某一个控制要求进行个别参数的最优化。在实际的应用中，控制系统根据要求的不同而有所不同，例如在高压变频器的控制中，就成功的采用了时间分段控制和相位平移控制两种策略，以实现一定条件下的电压最优波形。

(6)其他非智能控制方式

在实际应用的变频器控制方式中，还有一些非智能控制方式在变频器的控制中得以实现，例如自适应控制、滑模变结构控制、差频控制、环流控制、频率控制等。

3变频器控制方式的合理选用

变频器控制方式决定了由其构成的变频调速控制系统的动态性能，目前市场上低压通用变频器品牌很多，包括欧、美、日及国产的共近百种。选用变频器时不要认为档次越高越好，只要按负载的特性，满足使用要求就可，以使构成的变频调速控制系统具有高的性能价格比。附表给出了变频器不同控制方式的技术参数。

4结论

变频器的控制方式代表着变频器的性能和水平，在工程应用中根据不同的负载及不同控制要求，合理选择变频器及控制方式，以达到资源的最佳配置，具有重要的意义。

参考文献

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[2]变频器控制原理及方式探讨[J].吕亮.中国石油和化工标准与质量.2016(24)

[3]第1讲选用变频器的原则和注意事项(一)[J].屈建喜.电世界.2010(05)

[4]使用变频器时应注意的问题[J].张金达.山东工业技术.2018(08)