交流變頻調速系統的主流控制方式介紹

李鑫

（東方汽輪機有限公司，四川 德陽 618000）

交流電動機使用方便，維護工作量小，且價格便宜，因此被廣泛應用。但在以往的很長一段時期，交流電機的調速裝置價格極高且調速性能不佳，使得在調速領域一直以直流調速為主。近年來，隨著電力電子技術和控制技術的發展，交流調速系統的性價比不斷的提高，交流調速系統已經出現了全面取代直流調速系統的趨勢。

需要對電機進行調速的應用場合有如下四種。

第一種：通過對電機進行調速，改變風機水泵的使用工況，避免采用風門和旁路來調節流量，浪費大量的能源。

第二種：加工中心和機床類需要進行調節刀頭車削速度或步進速度的場合。

第三種：近年來非常熱門的電動汽車或高鐵機車的主驅動電機調速。總結來說就是牽引調速。

第四種：試驗類設備的工藝調速，如動平衡機等。這類應用場合對調速性能的要求各不相同，對設備供應商的技術實力要求較高。

在這四大類應用領域中，交流調速系統已經占有極大的比例。交流電機的調速方式有很多種，主要分為有級調速和無極調速兩大類，具體如下。

有級調速：

變極對數。主要針對異步電機的定子側，效率高。

轉子串電阻。主要針對繞線式異步電機的轉子側，效率低。

無級調速：

調壓調速。主要針對異步電機的定子側，效率低。

變頻調速（也稱變壓變頻調速）。主要針對異步電機或同步電機的定子側，效率高。

串級調速。主要針對繞線式異步電機轉子側，效率高。

雙饋調速。主要針對繞線式異步電機轉子側，效率高。

液力耦合器調速。主要針對異步電機或者同步電機的轉軸，效率低。

電磁轉差離合器。主要針對異步電機或者同步電機的轉軸，效率低。

近年來，很多調速方式已經逐步退出主流傳動領域，如無極調速、液力耦合調速、電磁轉差離合器調速。目前市場應用主要集中于交流異步電機的變頻調速，其產品種類豐富，功率等級覆蓋范圍寬，可以滿足各種嚴苛要求的調速應用。交流變頻調速系統在實現其調速性能時，會根據需求采用不同的控制方式，主要包括 V/F控制方式、矢量控制方式、直接轉矩控制方式，每種控制方式均有各自的特點和適用條件。本文主要介紹以上幾種應用最廣泛的異步電機變頻調速控制方式，并分析其優缺點。

1 V/F控制方式

任何種類的電機在實施調速時，要保證其輸出特性穩定并發揮出電機的額定出力都需要主勵磁通穩定的保持在額定值。降低勵磁磁通量，也就等同于弱磁調速，這種方式會降低電機的出力。增強磁通，會使得電機的鐵心飽和，發熱量增大，效率降低，嚴重時還會燒毀電機繞組。

直流變頻調速電機通常都有獨立的勵磁繞組，串勵和并勵的勵磁方式通常都不會用于調速電機。再利用專用的勵磁調節系統，控制好勵磁繞組的電流就可以實現對勵磁強度的絕對控制。可以說直流電機的勵磁可以通過簡單的技術手段實現絕對的掌控，必要時還能根據需要補償磁場強度。這就是直流電機易于調速的主要原因。

在交流電機中，磁通是定子和轉子磁勢合成產生的，因此其勵磁磁通無法簡單實現穩定控制。從三相異步電機電動勢有效值計算公式 Eg=4.44f1N1kN1Φm得知，要使交流異步電機的磁通Φm保持恒定，至少要控制好兩個變量 Eg和 f1。 Eg為氣隙磁通在定子每相中感應電動勢有效值，f1為定子頻率。

從該計算公式還可以得出，要保持Φm不變，當定子頻率降低時， Eg也必須同時降低。然而，簡單的技術手段并不能直接控制繞組中的感應電動勢，當電動勢值維持在較高水平時，電機定子繞組的漏磁阻抗壓降很小可以忽略，此時交流異步電機的定子相電壓U1≈Eg，但在低頻時，由于 Eg 比較小，定子阻抗壓降所占的份量就不能再忽略。從而導致了交流電機在低轉速下負載特性和動態性能不佳。電機在基頻以下的機械特性見圖 1。

圖1 V/F控制方式（基頻以下）電機機械特性曲線

當電機在基頻以上運行時，頻率可以從額定頻率fn1往上升，但電壓U1不能超過額定值Un，只能維持U1=Un，這時磁鏈與頻率f1成反比降低，只能弱磁調速。此時電機恒功率調速，其機械特性見圖2。

圖2 V/F控制方式（基頻以上）電機機械特性曲線

從機械特性圖可以總結出交流異步電機V/F控制調速系統的缺點：（1）低速性能和動態性能不好。（2）起動之初，定子漏抗小，大功率電機定子電阻小，由于無電流閉環，定子電流不好控制，電流中常有直流分量，產生阻轉矩，影響啟動。

交流異步電機V/F控制調速系統的優點：（1）變頻器結構和算法簡單，成本低，滿足大多數機械的調速需要，尤其是用于風機、泵類的節能調速，具有極其優越的性價比。（2）在低速時，通過人為的把電壓U1抬高一些，以便近似的補償定子壓降，可在一定程度上解決啟動力矩過小的問題。

2 矢量控制方式

V/F 控制方式基本解決了交流異步電機平滑調速的問題，能夠滿足許多工業應用的要求，但距離直流電機雙閉環調速系統的性能還有較大差距。當面對動態性能要求較高時應用工況時，V/F 控制方式就顯得捉襟見肘了。為了進一步提高交流變頻調速系統的性能，許多專家學者進行了長期的研究，在 1971 年，由西門子公司提出了“感應式電動機磁場定向控制原理”，基于該原理，發展出目前已經廣泛應用的采用矢量控制的變頻調速系統。

矢量控制的主要目的是使交流電動機具備直流電機的調速性能。先通過三相到兩相的變換，將電機的三相輸入電流等效成為直流電機的勵磁電流Im和力矩電流It，這種等效需要利用旋轉坐標系的變換，才能將交流電機的旋轉磁場變得靜止，從而達到模擬直流電機的控制方法。最后還要利用旋轉坐標反變換得到控制交流電機的正確輸入。整個控制方式將在變頻器中通過交直交或交交變換實現，見圖3。

圖3 交流異步電機三相/二相變換原理圖

矢量控制調速方式的優點：（1） 采用矢量控制的異步電機可以實現在額定轉速下恒轉矩輸出，額定轉速以上恒功率輸出。其機械特性可以媲美直流變頻系統。（2） 直流電動機受整流的限制，過高的 di/dt 是不容許的，因此其動態響應速度會受到影響。采用矢量控制方式的變頻調速系統，電機電流可以在變頻器允許范圍內快速響應，其動態性能甚至可以超過直流電動機。（3）采用 V/F 控制方式的變頻調速系統啟動力矩通常比較小，不能適應重載啟動的應用要求。而采用適量控制的調速系統，由于調速特性類似于直流電機，在啟動時，力矩電流分量的增加可以線性提高電機的啟動力矩，使得電機在啟動時也能輸出額定力矩。

矢量控制調速方式的缺點：（1） 變頻器價格昂貴，以西門子驅動產品為例，具備矢量控制方式的 55kW等級變頻器比只有 V/F 控制方式的變頻器貴近 2 萬元。（2） 矢量控制算法復雜，對電機的參數有較高的依賴性，因此，不能用一臺變頻器同時驅動多臺電機。

3 直接轉矩控制方式

直接轉矩控制系統簡稱 DTC ( Direct Torque Control) 系統，是一種新型的交流電機調速控制方式，其主要通過電機電流和電壓的反饋來評估電機力矩輸出，并不斷的修正和調整，達到直接控制轉矩的目的。該種控制方式主要應用于ABB公司的變頻器中。

直接轉矩控制以電機定子磁鏈為基準進行計算和控制。由于定子漏磁鏈已含在定子磁鏈中，定子磁鏈計算與定子漏感無關，使用電動機參數少。定子磁鏈計算在磁鏈觀測器中進行，它就是矢量控制系統中的電壓模型，即

再用K/P變換得定子磁鏈幅值 Ψs和位置角?s。然后在α-β坐標系，通過定子電流和磁鏈（交流值）計算轉矩。

由于以定子磁鏈為基礎，轉矩和磁鏈不解耦，不宜使用調節器實現轉矩和磁鏈的分別控制，所以在直接轉矩控制系統中，用兩個bang-bang控制器對其分別控制。控制系統框圖見圖4。

圖4 直接轉矩控制系統圖

直接轉矩控制調速系統的優點：（1）不需要通過旋轉坐標變換來使交流電機的控制模型直流，簡化了控制器的控制算法和結構。（2）控制器和控制算法的直接控制目標是電機轉矩，使得電機的出力需要快速變化時，變頻器能夠快速響應，達到極好的動態特性。（3）采用直接轉矩控制方式的交流異步電機，同樣擁有媲美直接變頻系統的機械特性，能實現高動態性能的調速系統。

直接轉矩控制調速方式的缺點：采用DTC控制方式的交流異步電機其輸出轉矩脈動相對VC控制方式偏大。

矢量控制方式和直接轉矩控制方式能實現交流異步電機的高性能調速，但還是有所差別，在此對兩種控制方式的電機性能進行單獨比較：DTC的轉矩響應速度比VC略快。但在使用時要考慮到機械本身的結構強度和固有頻率等因素。對于常規應用，兩種控制方式都能很好的滿足。

（1）DTC控制方式的轉矩脈動比VC略大。

（2） DTC采用bang-bang控制，其開關頻率隨轉速變化而變化，VC的開關頻率固定。

（3） DTC計算內容少，但由于短時間內不斷對電機輸出力矩進行修正和控制，對控制器的運算速度有一定要求。

（4）VC控制方式的調速范圍比DTC控制方式略寬。

4 結語

通過對交流變頻調速系統的主流控制方式進行比較，可以更加深入的了解各類型傳動技術的應用領域。目前市面上采用V/F控制變頻器應用最為廣泛，各種風機、泵類、壓縮機均采用V/F控制方式的變頻器進行調速以適應設備的變工況運行，相對節流和排空調節的方法可大大節約設備耗電量。而采用VC控制方式的變頻器主要應用于寬范圍調速系統和伺服控制系統。DTC則主要適應于需要快速轉矩響應的大慣量運動控制系統，如電力機車等。總之，每種控制方式均有其不可替代的優點和適用工況，應根據負載特性和應用需求合理選擇變頻器的控制類型。

[1]仲明振. 電氣傳動自動化技術手冊[M]. 北京:機械工業出版社,2005.

[2]陳伯時. 電力拖動自動控制系統[M]. 北京:機械工業出版社,2000.