高壓變頻器矢量控制策略研究

程志遠

摘 要：高壓變頻器控制策略分為標量控制技術及矢量控制技術。標量控制策略簡單易行，通過控制電動機壓頻比，實現電機的變頻調速，是目前風機、泵類等負載高壓變頻調速系統中最為廣泛應用的調速技術。而矢量控制策略一般應用于要求較高的高壓變頻產品中，它可以實現電動機更高的控制性能。相信隨著高壓變頻器的應用領域不斷拓展，控制技術以及用戶要求的不斷提高，矢量控制將會逐步替代標量控制，成為高壓變頻器的主流控制策略。

關鍵詞：高壓變頻器；矢量控制；策略；研究

1 概述

高壓變頻器在采用矢量控制的過程中，不僅要求在調速控制策略中與直流電動機相匹配，還要求控制異步電動機產生電磁轉矩。在矢量控制方案中，最為關鍵的是要準確獲取異步電動機的端電壓、端電流以及電動機轉速等一些關鍵參數，如果這些關鍵參數無法通過傳感器準確獲取，則難以達到理想的控制效果，即會出現電動機的轉速調節過程中，無法滿足所提出靜態和動態方面的要求，這是矢量控制的缺點，但目前采用矢量控制的高壓變頻器，已經具備對異步電動機運行參數的自動檢測、在線辨識以及自適應控制參數調整等功能，帶有這種電機在線參數辨識功能的高壓變頻器，可以在驅動異步電動機進行正常變頻調速之前，有針對性地對異步電動機的參數進行在線辨識，并調整相關控制參數，從而實現對異步電動機調速過程提供強有力的矢量控制，進一步提高異步電動機調速性能。

2 基本原理

矢量控制的基本原理是首先通過電機的等效電路來得出電動機的磁鏈方程，具體包括定轉子磁鏈，氣隙磁鏈，其中氣隙磁鏈是與定子和轉子相關聯的。一般的感應電動機轉子電流較難測量，所以需要通過氣隙把轉子電流變換成定子電流，然后通過一系列坐標變換，即首先需通過3/2變換，變成靜止的dq坐標系，然后通過前面的磁鏈方程而產生的單位矢量，從而得到旋轉坐標下的類似于直流機的磁場電流分量和轉矩電流分量，這樣即可達到解耦的目的，該控制算法加快了系統的響應速度。最后再經過2/3坐標變換，最終產生三相交流電去驅動電動機，可實現良好的異步電動機調速性能。

矢量控制變頻調速的具體做法是將異步電動機在三相坐標系下的定子電流Ia、Ib、Ic通過3/2變換及轉子磁場定向坐標旋轉變換，等效成同步M-T坐標系下的直流電流Im1及It1，其中Im1與It1相當于直流電動機的勵磁電流及與轉矩成正比的電機電樞電流，這樣便可模仿直流電動機控制策略，在控制算法中求得直流電動機的控制量后進行坐標反變換，實現對異步電動機的控制。

目前使用矢量控制的高壓變頻器，目前普遍采用M-T坐標系，該坐標系是定向于轉子磁鏈并與之同速旋轉坐標系，在該坐標系中，M軸（磁通軸）即為電動機中d軸沿轉子總磁鏈矢量Ψ2方向，而T軸則是電動機的q軸逆時針旋轉90°垂直于Ψ2方向。

在M-T坐標系下，異步電動機電流可被解耦為磁通電流和轉矩電流兩部分，兩者分別決定了異步電動機的磁通及輸出轉矩，可見在這個旋轉坐標系下，交流異步電動機模型可以轉化為相近似的直流電動機數學模型。

3 控制方案

通過上述矢量控制基本原理理論分析可知，需要四個理論知識支持來實現異步電動機的矢量控制，，即等效電路、磁鏈方程、轉矩方程、坐標變換（包括靜止和旋轉坐標變換）。然而在實際進行矢量控制過程中，轉子磁鏈值難以準確觀測，而且在將異步交流電動機模型等效成直流電動機模型控制過程中，坐標旋轉變換控制算法復雜，因而使得矢量控制算法難以達到理想的控制效果。為了解決上述問題，文章采用轉速、磁鏈雙閉環矢量控制策略。

圖1為采用了轉速、磁鏈雙閉環電動機矢量控制系統框圖，圖中標*的量為給定量，其余為實際測量值。速度環經調節器后獲得q軸電流is的給定值isq*，同時磁鏈環經調節器獲得d軸電流is的給定值isd*，通過反饋獲得的角速度及磁鏈觀測器可得到轉角θ，利用isq*、isd*及θ進行坐標變換，即dq-abc變換，在結合電動機測量得到的iabc，饋入PWM脈沖發生器，最終產生逆變器驅動信號，從而驅動電動機進行調速運行。該矢量控制方法是通過轉子磁通定向的坐標變換實現的，這種控制方法有如下特點：

（1）電動機模型中電壓指令的給定保證了轉矩方向和磁場的設定值輸出。

（2）磁通閉環、間接磁場定向、轉速閉環使得控制系統清晰、簡潔，更易于工程實現。

（3）在轉速控制環中，電動機電流的動態調節過程與電機端電壓的靜態模型采用分離的方式，解決了電動機參數變化對電動機工作過程中電流動態調節的閉環影響，提高了系統控制的穩定性。

實踐表明，該控制方案實現起來較為方便，但其控制效果取決于對異步電動機系統在線參數辨識的精確性以及對異步電動機參數的溫度補償精確性，同時由于引入了磁通閉環的設計方案，導致系統控制存在一定的局限性，但總體的來說，該方案趨于成熟且易于實現，如果傳感器及控制器的精度較高，同樣可以達到較理想的控制效果。

4 結束語

文章詳細研究了高壓變頻調速矢量控制策略，其基本原理是基于電動機動態數學模型的矢量控制技術，文章通過矢量控制基本原理描述及控制方案的實施，完整分析了這種控制策略，具有一定工程應用價值。

參考文獻

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