變頻調速的基本方法芻議

楊榮昌

摘 要：近年來，在電力電子技術以及大規模集成電路飛速發展的情況下，各種行業的生產工藝也得到了極大程度的改進和創新。變頻調速作為工業控制中至關重要的部分，本文在簡單分析其工作原理和方式的基礎上，深入研究了變頻調速的主要控制方式，以期為廣大變頻器研究者提供一定的參考意見和建議。

關鍵詞：變頻調速；工作原理；控制方式

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.05.236

作為變頻調速的核心部件，變頻器至關重要。從理論上分析，變頻器其實是一個實現電機變速運行的簡單設備。簡而言之，變頻器可以將頻率為50Hz或60Hz的工頻電源轉換成其他頻率的交流電源。在這一轉換過程中，控制電路主要控制的是主電路。但是，在具體的變頻過程中，其操作步驟并不像理論上這么簡單。所以，深入了解變頻調速的原理，并熟練掌握其控制方式，對變頻調速的實踐操作有非常現實的指導作用和意義。

1 變頻調速的原理及方式

1.1 原理分析

從理論方面解釋，依靠外加電氣參數的改變，以實現系統在負載方面的改變，是不現實的。想要改變系統負載，唯一的方式就是從電動機出發，改變其電氣的自身參數。由于影響電動機機械特性曲線的電氣參數很多，想要改變這些既定的電氣參數，以實現不同機械特性的人為改變，就需要引入具體的變頻器進行電動機驅動。利用變頻器，可以讓人為改變的機械特性曲線與原有的負載特性曲線產生穩定且全新的交點，這樣，便真正實現了速度的穩定調節，這就是變頻調速的基本原理。

1.2 方式分析

一般情況下，變頻的實現方式有兩種：

第一種，交-交變頻。利用半導體有關的交流技術，對晶閘管道通進行角α的改變和控制，這樣，便可直接調節和控制其直流電輸出的實時電壓。當α處于90°時，其輸出的實時電壓為零；當α處于0°時，其輸出的實時電壓值最大。如果讓α自90°朝著0°逐漸變化，然后再按照同樣的時間逆方向返回，得到的輸出直流電壓值就會呈現由大到小再由小到大的變化規律。如果將兩組相同的整流橋進行反向并聯，并按照如上方式進行控制，便可得到完整交流波形的二分之一波形。由于控制角α具有極強的可控制性，其對應輸出的實時電壓值也具有相似的可控制性，如此，便可輕易實現調壓過程。當α角發生變化時，其速度的快慢可直接改變輸出波形的周期，由此，交-交變頻便得以實現。

第二種，交-直-交變頻。這種方式的變頻就是在交-交變頻方式的基礎上，在其中間環節添加了一個較為復雜的直流環節。首先，將實時輸出的交流電從整流中通過，轉變成為直流電。然后，直流電再從逆變器中通過，直接轉變成為交流電。這樣，便實現了交-直-交變頻。該過程中使用的變頻器通常被人們稱為交-直-交變頻器。

2 變頻調速的基本控制方式

2.1 u/f控制

根據電機定子的相關規律，可知其感應電勢的表達式為：

E1=4.44kW1Φmf0W0

當電動機處于額定電壓的運行狀態時，電機電子無論是在電阻方面，還是在漏電抗的壓降方面，都具有較低的值，其U1和E1也幾近相同。

根據上述電動勢的表達式可以知道，如果f0發生變化，雖然電機的實時電壓不會隨之而動，但電機在Φm方面則會發生飽和現象或勵磁欠缺現象。一旦磁通量發生飽和現象，那么，電機機體中便會通過大規模的勵磁電流，相應的，電機內部的銅、鐵損耗也會大幅度增加。而一旦電機發生勵磁欠缺現象，電機具體的輸出轉矩則會受到對應程度的影響。所以，想要切實維持磁通量的恒定，就必須保持E/f始終處于恒定狀態。這種控制方法的優缺點鮮明，優點是可對電機進行開環速度把握和控制，缺點是只能處于基礎頻率以下運行，且低速性能也相對較差。

2.2 直接轉矩控制

直接轉矩控制，又被稱為“直接自我控制”，其思想主要是將轉矩作為磁鏈和轉矩控制工作開展和進行的中心。該方式最常見于ABB公司，是控制性能極其高超的一種。具體而言，該方式對電機的磁鏈和轉矩進行控制時，是分別進行的。控制磁鏈時，其主要的控制對象并不是常規的轉子磁鏈，而是定子磁鏈。通過對定子磁鏈以及轉矩等部件的數學模型建立，可以檢測獲得磁通量和轉矩的實時幅值和實時值。與給定值對比分析，便可得到與定子磁鏈以及轉矩對應的反饋數據。利用該反饋數據進行逆變電路控制，通過切換逆變電路的開、關狀態，就可直接實現閉環控制磁鏈及轉矩。

2.3 矢量控制

通過異步電機電子電流矢量的控制和測量，以及電機勵磁和轉矩電流的控制和掌握，可以實現矢量控制異步電機轉矩的目的和效果。具體而言，矢量控制就是在分解電機定子電流矢量的基礎上，將其轉換成為兩種電流分量，一種是磁場的勵磁電流，一種是電場的轉矩電流。然后對這兩種分量的相位和幅值分別進行科學控制。由于該分量相位和幅值的控制又稱為定子電流矢量的控制，所以，其變頻的具體控制方式就稱為矢量控制。在實際運用中，由于定子磁鏈的觀測難度極大，電機參數對系統特性的整體影響極大的原因，加之矢量在等效直流電機控制中旋轉和變換的過程極為復雜，導致控制的最終效果無法實現理論分析的理想狀態。

2.4 轉差頻率控制

轉差頻率控制，是對轉矩進行直接控制的一種方式。同時，這種方式也與u/f控制有關，是基于u/f控制方法進行的。當異步電機實際操作速率的對應電源頻率已知時，根據預期轉矩，對變頻器的實時輸出頻率進行調節和控制，便可以實現電機對應頻率的實時輸出。如此，便達到了轉差頻率的有效控制。利用該方式進行頻率控制時，需要在具體的控制系統中配備相應的速度傳感器。除此之外，根據實際情況，還可以額外添加電流反饋這一環節，從而不斷加強電流控制和頻率控制。總而言之，轉差頻率控制，是閉環控制中較為簡單的一種。這種方式不僅可以增強變頻器的穩定性，還可以保障加減速器和負載變動器在接受指令時，具有極其快速的反應能力。

3 結束語

在電子電力技術飛速發展的今天，變頻調速技術也在不斷發展和完善。就交流變頻調速技術而言，無論是其良好的控制，還是其調速的優良性能，都在具體的工藝操作中有著至關重要的作用和意義。

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