從變頻技術的幾種控制方式談調速系統變頻器的選擇

1 引言
     隨著計算機技術的日新月異，現代電力電子技術的迅速發展和現代調速控制理論的長足進步，變頻器不僅用于一般性能的節能調速控制，而且已經用于高性能、高轉速、大容量調速控制方面，變頻器普遍的被冶金、機械、鋼鐵、紡織、造紙等企業選用。如何在不同的領域中選擇*的變頻器已經成為工業應用中的首要話題。
2 變頻器的發展概況和過程
（1） 發展概況
     交流傳動與控制技術是目前發展zui為迅速的技術之一。這是與電力電子器件制造技術、變流技術、控制技術、微型計算機和大規模集成電路的飛速發展密切相關的。變頻技術是應交流電機無級調速的需要而誕生的。20世紀50年代出現了晶閘管（SCR），60年代出現了門極可關斷晶閘管（GTO），70年代出現了高功率晶閘管（GTR）和金屬氧化物場效應管（MOSFET），80年代相繼出現了絕緣雙級型晶閘管（IGBT）和集成門極換流晶閘管（IGCT），90年代出現了智能功率模塊（IPM）。器件的更新促使電力變流技術的不斷發展，只要電力電子器件有了新的飛躍，變頻器就一定有一個新的飛躍，必定有新的變頻器出現。
（2） 發展過程
     自20世紀80年代初通用變頻器問世以來，通用變頻器更新換代了五次:*代是80年代初的模擬通用變頻器，第二代是80年代中期的數字式通用變頻器，第三代是90年代初的智能型通用變頻器，第四代是90年代中期的多功能通用變頻器，本世紀研制上市第五代集中型通用變頻器。
3 變頻器的控制方式
     變頻器對電動機進行控制是根據電動機的特性參數及電動機運轉要求，進行對電動機提供電壓、電流、頻率進行控制達到負載的要求。因此就是變頻器的主電路一樣，逆變器件也相同，單片機位數也一樣，只是控制方式不一樣，其控制效果是不一樣的。所以控制方式是很重要的。它代表變頻器的水平。目前變頻器對電動機的控制方式大體可分為U/f恒定控制; 轉差頻率控制; 矢量控制; 直接轉矩控制; 非線性控制; 自適應控制; 滑模變結構控制; 智能控制。前四種已獲得成功應用，并有商品化產品。本文只討論前四種控制方式。
（1） U/f恒定控制
     U/f控制是在改變電動機電源頻率的同時改變電動機電源的電壓，使電動機磁通保持一定，在較寬的調速范圍內，電動機的效率，功率因數不下降。因為是控制電壓（Voltage）與頻率（Frequency）之比，稱為U/f控制。恒定U/f控制存在的主要問題是低速性能較差，轉速極低時，電磁轉矩無法克服較大的靜摩擦力，不能恰當的調整電動機的轉矩補償和適應負載轉矩的變化; 其次是無法準確的控制電動機的實際轉速。由于恒U/f變頻器是轉速開環控制，由異步電動機的機械特性圖可知，設定值為定子頻率也就是理想空載轉速，而電動機的實際轉速由轉差率所決定，所以U/f恒定控制方式存在的穩定誤差不能控制，故無法準確控制電動機的實際轉速。
（2） 轉差頻率控制
    轉差頻率是施加于電動機的交流電源頻率與電動機速度的差頻率。根據異步電動機穩定數學模型可知，當頻率一定時，異步電動機的電磁轉矩正比于轉差率，機械特性為直線。
轉差頻率控制就是通過控制轉差頻率來控制轉矩和電流。轉差頻率控制需要檢出電動機的轉速，構成速度閉環，速度調節器的輸出為轉差頻率，然后以電動機速度與轉差頻率之和作為變頻器的給定頻率。與U/f控制相比，其加減速特性和限制過電流的能力得到提高。另外，它有速度調節器，利用速度反饋構成閉環控制，速度的靜態誤差小。然而要達到自動控制系統穩態控制，還達不到良好的動態性能。
（3） 矢量控制
     矢量控制，也稱磁場定向控制。它是70年代初由西德F.Blasschke等人首先提出，以直流電機和交流電機比較的方法闡述了這一原理。由此開創了交流電動機和等效直流電動機的先河。矢量控制變頻調速的做法是將異步電動機在三相坐標系下的定子交流電流Ia、Ib、Ic。通過三相-二相變換，等效成兩相靜止坐標系下的交流電流Ia1、Ib1，再通過按轉子磁場定向旋轉變換，等效成同步旋轉坐標系下的直流電流Im1、It1（Im1相當于直流電動機的勵磁電流; It1相當于直流電動機的電樞電流），然后模仿直流電動機的控制方法，求得直流電動機的控制量，經過相應的坐標反變換實現對異步電動機的控制。矢量控制方法的出現，使異步電動機變頻調速在電動機的調速領域里的處于優勢地位。但是，矢量控制技術需要對電動機參數進行正確估算，如何提高參數的準確性是一直研究的話題。
（4） 直接轉矩控制
    1985年，德國魯爾大學的DePenbrock教授提出了直接轉矩控制理論，該技術在很大程度上解決了矢量控制的不足，它不是通過控制電流，磁鏈等量間接控制轉矩，而是把轉矩直接作為被控量來控制。轉矩控制的*性在于:轉矩控制是控制定子磁鏈，在本質上并不需要轉速信息，控制上對除定子電阻外的所有電機參數變化魯棒性良好;所引入的定子磁鏈觀測器能很容易估算出同步速度信息，因而能方便的實現無速度傳感器，這種控制被稱為無速度傳感器直接轉矩控制。
4 調速系統變頻器的選擇
（1） 風機和泵類負載
     在過載能力方面要求較低，由于負載轉矩與速度的平方成反比，所以低速運行時負載較輕（羅茨風機除外），又因為這類負載對轉速精度沒有什么要求，故選型時通常以價廉為主要原則，選擇普通功能型變頻器。
（2） 恒轉矩負載
    多數負載具有恒轉矩特性，但在轉速精度及動態性能等方面要求一般不高，例如擠壓機，攪拌機，傳送帶，廠內運輸電車，吊車的平移機構，吊車的提升機構和提升機等。選型時可選V/f控制方式的變頻器，但是采用具有恒轉矩控制功能的變頻器。
（3） 要求響應快的系統
    所謂響應快是指實際轉速對于轉速指令的變化跟蹤得快，從負載變動等急劇外界干擾引起的過渡性速度變化中恢復得快。要求響應快的典型負載有軋鋼機、生產線設備、機床主軸、六角孔沖床等。要使變頻器主電路能力充分發揮加減速特性，選用轉差頻率控制的變頻器。
（4） 被控對象具有一定的動態，靜態指標要求。
    這類負載一般要求低速時有較硬的機械特性，才能滿足生產工藝對控制系統的動態、靜態指標要求，如果控制系統采用開環控制，可選用具有無速度反饋的矢量控制功能的變頻器。
（5） 被控對象具有較高的動態, 靜態指標要求。
    對于調速精度和動態性能指標都有較高要求，以及要求高精度同步運行等場合，可選用帶速度反饋的矢量控制方式的變頻器。如果控制系統采用閉環控制，可選用能夠四象限運行，U/f控制方式，具有恒轉矩功能型變頻器。例如軋鋼，造紙，塑料薄膜加工生產線。這一類對動態性能要求較高的生產機械，采用矢量控制的高性能變頻器。
（6） 要求控制系統具有良好的動態，靜態性能。
    例如電力機車，交流伺服系統，電梯，起重機等領域，可選用具有直接轉矩控制功能的變頻器。
5 結束語
     由于被控對象的千差萬別，性能指標要求的各不相同，變頻器的選擇及配置遠不如上述所列幾種。要做到熟練應用還應在工程實踐中認真探索。
變頻器的控制方式代表著變頻器的性能和水平，在工程應用中根據不同的負載及不同控制要求，合理選擇變頻器以達到資源的*配置，具有重要的意義