变频器控制方法的对比

彭云

摘 要 探讨了不同控制方法下变频器的特性，并对u/f控制、转差频率控制、矢量控制和直接转矩控制进行了着重对比，最后为实际工程中变频器的合理选择和应用提出几点建议。

【关键词】变频器 控制方式 特性对比

变频器是工业控制领域中的重要元器件，以其高精度、宽范围、高效率，且无级调速等优异性能成为电气传动领域的重要电子设备。结合当前变频器市场应用，从不同控制技术对比探析中归纳控制特性，更好的促进变频器的合理化选型。

1 变频器的控制方式

变频器是借助于电力电子技术、控制技术等来实现对电流、电压、频率的改变，以获得相应的调速控制目标。以异步电动机为例，调速时气隙磁通保持恒定十分重要，如果磁通太弱，铁芯难以充分发挥作用，磁通太强，引发电流太大，导致电动机过热。因此，优化定子频率控制是确保平稳调速的关键。

1.1 u/f控制方式

早期的变频器采用压频比标量控制方式，对异步电动机进行调速控制时，保持气隙磁通为恒定值，电动机定子每相电动势的有效值计算为：E1=4.44f1N1Φm。从上式来看，调控E1和f1，来保持气隙磁通Φm恒定。一种方法是利用U1/f1近似等于常数方式来控制，保持恒转距调速，但因电动机定子电阻、漏电抗的压降而需要进行修正；另一种方法是采用基频以上磁通恒定调速，但因受额定电压的限制，频率增加时可能导致主磁通减少，而发生转矩减少。但综合来看，异步电动机在变频器调速控制上，利用u/f控制方式，来改变定子频率，以获得低速运行时足够的转矩，且不会因为磁饱和而增大励磁电流，降低功率和效率。因此，在维持最大过载系数不变条件下，可以忽视定子电阻，从而获得不同负载下的频率和电压最佳变化规律。不过，应该指出的是，在变频调速恒转矩条件下，当频率足够高时可以忽略定子电阻，而在低频条件下，定子电阻不能忽略。因此，在低频条件下，应该适当增加u/f比，来补偿定子电阻的影响。

1.2 转差频率控制方式

转差频率控制是根据转速所对应的频率与转差频率的和，来控制与转差率有关的转矩和电流。该方式精度较高，调速范围较大，但不足是稳定性不够，易受到外界干扰。当然，从转差频率控制中，通过改变转差率来调整转速，并通过转速反馈来控制变频器的频率，再控制其相应的转矩。由于转差频率、电流都在控制范围，使其承受的加减速度、负荷波动较大，影响稳定性。不过，通过利用转速放大器装置，来转换转差频率、电流指令，可以获得较高的调速控制精度。显然，从频率指令、定子端电压指令控制中，该控制结构属于闭环控制，多用于单机控制，但其机械特性与 u/f控制方式一样都具有非线性。

1.3 矢量控制方式

随着变频器控制技术的革新，以空间矢量控制、参照直流控制方式来实现对异步电动机定子电流空间矢量的分解，从而产生转子励磁分量与转矩的电流分量。该方式力矩高、调速宽，精度也获得大大提升。利用矢量控制方式可以消除电动机多变量参数的耦合影响，从而获得优良控制性能。不足是整个电路回路较为复杂，增加了控制成本。矢量控制方法的基本思想是按照旋转磁场等效原则，通过检测气隙中相差90°的极距点磁通量的值，来换算成磁通幅值信号、旋转磁空间相位角信号。但由于磁槽的影响，对于磁通信号本身所产生的脉动较大，特别是在低速条件下，磁通观测值变化强烈，不利于有效调速控制。

1.4 直接转矩控制方式

该方式与矢量控制相比，主要以异步电动机转矩为被控制量，通过调整转矩来完成调速控制。直接转矩控制方式，有效解决了矢量控制中对电机参数的过度依赖，避免了矢量控制中二次坐标的变换及复杂计算，利用三相定子电压、电流来计算转矩、励磁，使转矩响应在一拍內完成且无超调。作为最先进的控制方式，该方法以交流电动机参数为直接控制，精度大幅提升，但因周边DSP控制处理器件较多，且成本高，推广应用范围受限。

2 不同控制方式的对比分析

从变频器调速控制性能来看，无论是那种控制方式，都需要从控制指标来衡量系统设计的综合稳定性。力矩阶跃时间是当力矩突然增加所需的时间，由于SPWM开环时间为100ms，矢量控制速度反馈为10～20ms，而DTC开环时间为5ms。由此带来的电动机从空载到突然增加100%力矩后，瞬时速度必然下降。当力矩阶跃时间越少，则误差越小，反之则越大。同样，静态速度误差主要是在某一转速下，负载由空载增加到额定值所带来的转速降落与空载转速之间的比值，多用来表示负载变速下的稳定性。通常，SPWM矢量控制编码反馈与DTC编码反馈的静态速度误差为±0.01%，在系统启动时，因其负载转矩小于变频装置的启动转矩，具有较好的启动特性。当SPWM调速控制时，启动转矩约为150%～180%额定转矩；而DTC启动转矩约为200%额定转矩，可见，变频调速控制方式的稳定性能要优于DTC控制方式。

3 变频器合理化选用分析

从变频器的选择使用来看，优于SPWM控制方式无法实现对力矩的有效控制，其精度不足，多适用于风机、泵类负载；矢量控制技术，利用力矩分量、磁通分量来获得精确控制，保持良好的力矩与速度特性，更适宜控制要求高的工况。不过，由于矢量控制下转子磁链无法准确观测，加之矢量变换复杂性强，其实际控制效果并非理想。同时，考虑到转子磁链在控制系统中需要加配位置、速度传感器，给工况应用场合带来不便。利用直接转矩控制方式，其性能要优于定子磁链控制方式，加上对电动机其他参数的控制，具有较高的鲁棒性，具有较广的应用性。另外，在交流调速系统设计中，要考虑的系统配置的最佳性能，应从设计、结构、成本、维护工作量等方面来合理化选择，在保障系统技术指标前提下，降低投资，实现高性能价格比。

参考文献

[1]李国洪，陈华玉.变频器控制的异步电机参数辨识研究[J].国外电子测量技术，2016（12）：66-69.

[2]易卫乔.基于PLC及变频器的集成控制方法研究及其应用[J].自动化应用，2016（08）：18-19.

作者单位

江苏省扬州技师学院 江苏省扬州市 225003endprint