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1、从变频技术的几种控制方式谈调速系统变频器的选择从变频技术的几种控制方式谈调速系统变频器的选择1 引言 随着计算机技术的日新月异，现代电力电子技术的迅速发展和现代调速控制理论的长足进步，变频器不仅用于一般性能的节能调速控制，而且已经用于高性能、高转速、大容量调速控制方面，变频器普遍的被冶金、机械、钢铁、纺织、造纸等企业选用。如何在不同的领域中选择最佳的变频器已经成为工业应用中的首要话题。 2 变频器的发展概况和过程 (1) 发展概况 交流传动与控制技术是目前发展最为迅速的技术之一。这是与电力电子器件制造技术、变流技术、控制技术、微型计算机和大规模集成电路的飞速发展密切相关的。变频技术是应交流电机
2、无级调速的需要而诞生的。20 世纪 50 年代出现了晶闸管(SCR)，60 年代出现了门极可关断晶闸管(GTO)，70 年代出现了高功率晶闸管(GTR)和金属氧化物场效应管(MOSFET)，80 年代相继出现了绝缘双级型晶闸管(IGBT)和集成门极换流晶闸管(IGCT)，90 年代出现了智能功率模块(IPM)。器件的更新促使电力变流技术的不断发展，只要电力电子器件有了新的飞跃，变频器就一定有一个新的飞跃，必定有新的变频器出现。 (2) 发展过程 自 20 世纪 80 年代初通用变频器问世以来，通用变频器更新换代了五次:第一代是 80 年代初的模拟通用变频器，第二代是 80 年代中期的数字式通用
3、变频器，第三代是 90 年代初的智能型通用变频器，第四代是 90 年代中期的多功能通用变频器，本世纪研制上市第五代集中型通用变频器。 3 变频器的控制方式 变频器对电动机进行控制是根据电动机的特性参数及电动机运转要求，进行对电动机提供电压、电流、频率进行控制达到负载的要求。因此就是变频器的主电路一样，逆变器件也相同，单片机位数也一样，只是控制方式不一样，其控制效果是不一样的。所以控制方式是很重要的。它代表变频器的水平。目前变频器对电动机的控制方式大体可分为 U/f 恒定控制; 转差频率控制; 矢量控制; 直接转矩控制; 非线性控制; 自适应控制; 滑模变结构控制; 智能控制。前四种已获得成功应
4、用，并有商品化产品。本文只讨论前四种控制方式。 (1) U/f 恒定控制 U/f 控制是在改变电动机电源频率的同时改变电动机电源的电压，使电动机磁通保持一定，在较宽的调速范围内，电动机的效率，功率因数不下降。因为是控制电压(Voltage)与频率(Frequency)之比，称为 U/f 控制。恒定 U/f 控制存在的主要问题是低速性能较差，转速极低时，电磁转矩无法克服较大的静摩擦力，不能恰当的调整电动机的转矩补偿和适应负载转矩的变化; 其次是无法准确的控制电动机的实际转速。由于恒 U/f 变频器是转速开环控制，由异步电动机的机械特性图可知，设定值为定子频率也就是理想空载转速，而电动机的实际转速
5、由转差率所决定，所以 U/f 恒定控制方式存在的稳定误差不能控制，故无法准确控制电动机的实际转速。 (2) 转差频率控制 转差频率是施加于电动机的交流电源频率与电动机速度的差频率。根据异步电动机稳定数学模型可知，当频率一定时，异步电动机的电磁转矩正比于转差率，机械特性为直线。 转差频率控制就是通过控制转差频率来控制转矩和电流。转差频率控制需要检出电动机的转速，构成速度闭环，速度调节器的输出为转差频率，然后以电动机速度与转差频率之和作为变频器的给定频率。与 U/f 控制相比，其加减速特性和限制过电流的能力得到提高。另外，它有速度调节器，利用速度反馈构成闭环控制，速度的静态误差小。然而要达到自动控
6、制系统稳态控制，还达不到良好的动态性能。 (3) 矢量控制 矢量控制，也称磁场定向控制。它是 70 年代初由西德F.Blasschke 等人首先提出，以直流电机和交流电机比较的方法阐述了这一原理。由此开创了交流电动机和等效直流电动机的先河。矢量控制变频调速的做法是将异步电动机在三相坐标系下的定子交流电流 Ia、Ib、Ic。通过三相-二相变换，等效成两相静止坐标系下的交流电流 Ia1、Ib1，再通过按转子磁场定向旋转变换，等效成同步旋转坐标系下的直流电流 Im1、It1(Im1 相当于直流电动机的励磁电流; It1 相当于直流电动机的电枢电流)，然后模仿直流电动机的控制方法，求得直流电动机的控制
7、量，经过相应的坐标反变换实现对异步电动机的控制。矢量控制方法的出现，使异步电动机变频调速在电动机的调速领域里全方位的处于优势地位。但是，矢量控制技术需要对电动机参数进行正确估算，如何提高参数的准确性是一直研究的话题。 (4) 直接转矩控制 1985 年，德国鲁尔大学的 DePenbrock 教授首次提出了直接转矩控制理论，该技术在很大程度上解决了矢量控制的不足，它不是通过控制电流，磁链等量间接控制转矩，而是把转矩直接作为被控量来控制。转矩控制的优越性在于:转矩控制是控制定子磁链，在本质上并不需要转速信息，控制上对除定子电阻外的所有电机参数变化鲁棒性良好;所引入的定子磁链观测器能很容易估算出同步
8、速度信息，因而能方便的实现无速度传感器，这种控制被称为无速度传感器直接转矩控制。 4 调速系统变频器的选择 (1) 风机和泵类负载 在过载能力方面要求较低，由于负载转矩与速度的平方成反比，所以低速运行时负载较轻(罗茨风机除外)，又因为这类负载对转速精度没有什么要求，故选型时通常以价廉为主要原则，选择普通功能型变频器。 (2) 恒转矩负载 多数负载具有恒转矩特性，但在转速精度及动态性能等方面要求一般不高，例如挤压机，搅拌机，传送带，厂内运输电车，吊车的平移机构，吊车的提升机构和提升机等。选型时可选 V/f 控制方式的变频器，但是最好采用具有恒转矩控制功能的变频器。 (3) 要求响应快的系统 所谓
9、响应快是指实际转速对于转速指令的变化跟踪得快，从负载变动等急剧外界干扰引起的过渡性速度变化中恢复得快。要求响应快的典型负载有轧钢机、生产线设备、机床主轴、六角孔冲床等。要使变频器主电路能力充分发挥加减速特性，最好选用转差频率控制的变频器。 (4) 被控对象具有一定的动态，静态指标要求。 这类负载一般要求低速时有较硬的机械特性，才能满足生产工艺对控制系统的动态、静态指标要求，如果控制系统采用开环控制，可选用具有无速度反馈的矢量控制功能的变频器。 (5) 被控对象具有较高的动态, 静态指标要求。 对于调速精度和动态性能指标都有较高要求，以及要求高精度同步运行等场合，可选用带速度反馈的矢量控制方式的
10、变频器。如果控制系统采用闭环控制，可选用能够四象限运行，U/f 控制方式，具有恒转矩功能型变频器。例如轧钢，造纸，塑料薄膜加工生产线。这一类对动态性能要求较高的生产机械，采用矢量控制的高性能变频器。 (6) 要求控制系统具有良好的动态，静态性能。 例如电力机车，交流伺服系统，电梯，起重机等领域，可选用具有直接转矩控制功能的专用变频器。 5 结束语 由于被控对象的千差万别，性能指标要求的各不相同，变频器的选择及配置远不如上述所列几种。要做到熟练应用还应在工程实践中认真探索。 变频器的控制方式代表着变频器的性能和水平，在工程应用中根据不同的负载及不同控制要求，合理选择变频器以达到资源的最佳配置，具有重要的意义。
