摘要：講解幾種變頻器的變頻電源控制方式，分析不同方式的特點，解釋變頻電源不同控制方式的技術參數，以便在工程實際更好地選型和設計應用。
　　關鍵詞：控制方式變頻器變頻電源
　　
　　一、 引言
　　對于交流電機的調速方式中，用變頻裝置調速可以實現無級調速又能節能，在目前工業生產及家電產品中應用十分廣泛。繼而目前市場上的低壓通用變頻電源品牌很多，對于各具特色的負載，如何根據負載的類型選用比較合理的變頻器，以便構成具有最佳性能價格比的理想系統，是大多數工程技術人員共同關注的課題。
　　眾所周知，變頻器控制方式是決定變頻電源使用性能的關鍵，選擇合理的變頻電源控制方式，才會最大限度地發揮變頻器的特點。本文將對目前存在的變頻電源控制方式進行講解，分析各種變頻電源控制方式的特點，并給出變頻電源各種控制方式時的技術參數，以便于工作在工程技術人員更好地選型和設計。
　　二、 變頻電源中常用的控制方式的分類
　　變頻電源常用控制方式應分為非智能控制方式和智能控制方式兩大類。
　　1.非智能控制方式
　　在交流變頻電源中使用非智能控制方式有：基于靜態型的異步電動機的U/F協調控制，轉差頻率控制矢量控制，直接轉矩控制等。
　　通用型低壓變頻輸出電壓應在380V~650V，輸出功率在0.75KW~400KW，工作頻率在0HZ~400HZ,主電路都采用交直交電路，其控制方式經歷以下幾代，下面分別介紹其特點：
　　（1） 以U/F=C，正弦脈沖寬度調制（SPWM）控制方式。U/F控制是為了得到理想的轉矩——速度特性，在改變電源頻率進行調速的同時，還要保證電機的磁通不變的目的而提出的，通用型號變頻電源基本上都采用這種控制方式。U/F控制變頻電源結構比較簡單，這種變頻電源采用開環控制方式，不能達到較高的控制性能；且在低頻時，必須進行轉矩補償，以改變低頻轉矩特性。
　　以U/F=C，正弦脈沖寬度調節器制（SPWN）控制方式的特點是：控制電路結構簡單，成本較低，機械特性硬度較好，能夠滿足一般傳動系統的平滑調速要求。這種控制方式在低頻時，由于輸出電壓較小，受定子電阻壓降的影響也比較明顯，造成輸出的最大轉矩減小。另外，其機械特性沒有直流電動機硬，動態轉矩能力和靜態調速性能都不理想，以U/F=C控制的系統性能不高控制曲線會隨負載的變化而變化，轉矩響應慢，電動機轉矩利用率低，低速時因定子電阻和逆變器死區效應的存在而性能下降，使系統的穩定性變差。
　　（2） 轉差頻率控制方式。恒壓頻比控制的變壓變頻調速系統可以滿足一般平滑凋速的要求，但其靜態、動態、性能都有限。而且，它屬于轉速，頻率開環控制系統。轉差頻率控制方式則是采用轉速反饋的閉環控制，是通過控制異步電機的電磁轉矩以達到對轉速的控制。
　　轉差頻率控制方式的特點，它與恒壓頻比控制的變壓變頻調節器速系統相比前進了一步，系統的動、靜態特性都有一定的提高。但其基本關系式都是從穩態方程中導出的，沒有考慮到電機電磁慣性的影響及在動態中фm如何變化，所以動態轉矩與磁通并沒得到圓滿的控制。
　　（3） 直接轉矩控制（DTC控制）。在上世紀80年代中期，德國學者提出，其思路是把電動機和逆變器看成一個整體，采用空間電壓矢量分析方法在定子坐標系進行磁通，轉矩計算，通過跟蹤型PWM逆變器的開關狀態直接控制轉矩。因此，無需對定子電流進行解耦，免去矢量變換的復雜計算，控制結構簡單。該技術在很大程度上解決了矢量控制的不足，并以新穎的控制思想，簡單明了的系統結構，優良的動靜態性能得到了迅速發展。目前該技術已成功應用在電力機車牽引的大功率交流傳動上。
　　直接轉矩控制技術，是利用空間矢量，定子磁場定向的分析方法，直接在定子坐標系下分析異步電機的數學模型，計算與控制異步電機的磁鏈和轉矩。采用離散的兩點式調節器（Bang-Bang控制），把轉矩檢測值與轉矩給定值作比較，使轉矩波的限制在一定的容差范圍內，容差的大小由頻率調節器來控制，并產生PWM脈沖調制信號，直接對逆變器的開關狀態進行控制，以獲得高動態性能的轉矩輸出。它的控制效果不取決于異步電機的數學模型是否簡化，而取決于轉矩的實際情況，它不需要將交流電機與直流電機作比較、等效、轉化，即不需要模仿直流電動機的控制，由于它省掉了矢量變換方式的坐標變換與計算和為解耦而簡化異步電動機數學模型，沒有通常的PWM脈寬調制信號發生器，所以它的控制結構簡單控制信號處理的物理概念明確，系統的轉矩影響迅速且無超調，是一種具有高靜、動態性能的交流調速控制方式。即使在開關的狀態下，也能輸出100%的額定轉矩，對于多拖動系統具有負荷平衡功能。
　　直接轉矩控制是以測量電動機電流和直流電壓作為自適應電動機模型的輸入。該模型每隔25μs產生一組精確的轉矩和磁通實際值，轉矩比較器和磁通比較器將轉矩和磁通的實際值分別與給定值進行比較得到最佳開關位置。由此可以看出它是通過對轉矩和磁通的測量，同步調整逆變電路的開關狀態，進而調整電動機的轉矩和磁通，以達到精確控制的目的。
　　（4） 矢量控制（磁場定向法）
　　矢量控制（又稱VC控制）變頻調速的方法是：將異步電動機在三相坐標系下的定子電流、、通過三相——二相變換，等效成兩相靜止坐標系下的交流電流、，再通過按轉子磁場子定向旋轉變換，等效成同步旋轉坐標系下的直流電流、（相當于直流電動機的勵磁電流；相當于直流電動機與轉矩成正比電樞電流。）然后模仿直流電動機的控制方法，求得交流電動機的控制量，經過相應的坐標反變換，實現對異步電動機的控制。
　　矢量控制的實質是將交流電動機等效成直流電動機，分別對速度、磁場兩個分量進行獨立控制。通過控制轉子磁鏈，以轉子磁通定向，然后分解定子電流而獲得轉矩和磁場兩個分量，經坐標變換，實現正交或解耦控制。矢量控制方法的提出具有劃時代的意義。然而在實際應用中，由于轉子磁鏈難以準確觀測，系統特性受電機參數的影響較大，且在等效直流電動機控制過程中所用矢量旋轉變換較復雜，使得實際的控制效果難以達到理想分析的結果。
　　矢量控制方式又有基于轉差頻率控制的矢量控制方式，無速度傳感器矢量控制方式和速度傳感器矢量控制方式等。
　　（5） 矩陣式交一交方式。VVVF變換，矢量控制變頻：直接轉矩控制變頻都是交—直—交變頻控制方式中的一種。其共同缺點是輸入功率因數低，諧波電流大，直流回路需要大的儲能電容，再生能量又不能反饋回電網，即不能進行四象限運行。因此矩陣式交—交變頻應運而生。由于矩陣式交—交變頻省去了中間直流環節，從而省去了體積大、價格貴的電解電容。它能實現功率因數為1。輸入電流為正弦且能四象限運行。系統的功率密度大。該技術目前尚未成熟，仍吸引著眾多的學者深入研究。
　　（6） 最優控制。該控制在實際應用中，控制系統根據要求的不同而有所不同，可以根據最優控制理論對某一控制要求進行個別參數的優化。例如在高壓變頻的控制區應用中，就成功的采用了時間分段控制和相位平移控制兩種策略，以實現一定條件下的電壓最優波形。
　　（7） 其他非智能控制方式。在實際應用中，還有一些非智能控制方式在變頻電源的控制中得以實現。例如自適應控制，滑模變結構控制，差頻控制，環流控制，頻率控制等。
　　2.智能控制方式
　　智能控制方式主要有神經網絡控制、模糊控制、專家系統、學習控制等。目前在變頻電源的控制中采用智能控制方式在具體應用中已有一些成功的范例。
　　（1） 神經網絡控制。該控制方式應用在變頻電源的控制中，一般是進行比較復雜的系統控制，這時對于系統的模型了解甚少，因此神經網絡即要完成系統辨識的功能，又要進行控制。而且神經網絡控制可以同時控制多個變頻電源，因此神經網絡在多個變頻電源并聯時進行控制比較適合。但神經網絡的層次數太多或者算法過于復雜都會在具體應用中帶來很多實際困難。
　　（2） 模糊控制。這種控制算法用于控制變頻電源的電壓和頻率。使電動機的升速時間得到控制，以避免升速過快對電機使用壽命的影響，以及升速過慢影響系統的工作效率。模糊控制的關鍵在于論域，隸屬度以及模糊級別的劃分，這種控制方式適用于多輸入單輸出系統。
　　（3） 專家系統。專家系統是利用“專家”的經驗進行控制的一種控制方式，因此，專家系統中要建立一個專家庫，存放一定的專家信息；另外還要有推理機制，以便于根據已知信息尋求理想的控制結果。專家庫與推理機制的設計是尤為重要的，關系著專家系統控制的優劣。應用專家系統既可以控制變頻電源的電壓，又可以控制其電流。
　　（4） 學習控制。該控制主要是用于重復性的輸入，規則的，PWM信號（例如中心調制PWM）恰好滿足這個條件。因此學習控制也可用于變頻電源的控制中。學習控制不需要了解太多的系統信息，但需要1-2個學習周期，因此快速性相對較差。而且，學習控制的算法中有需要實現超前環節，這個模擬器件是無法實現的。同時，學習控制還涉及到一個穩定性的問題，應用時要特別注意。
　　三、.變頻電源控制方式的合理選用
　　控制方式是決定變頻電源使用性能的關鍵所在，目前市場上低壓通用變頻電源品種很多，包括歐、美、日及國產的共百余種。選用變頻電源時不要以為檔次越高越好，只要控制負載的特性，滿足使用要求就可以使構成的系統具有高的性能價格比。如下表1給出了變頻電源不同控制方式的技術參數。
　　表1變頻電源不同控制方工的技術參數
　　控制方式 U/F=C控制 電壓空間
　　矢量控制 矢量控制 直接轉矩
　　控制
　　反饋裝置 不帶PG 帶PG或PID調節器 不要 不帶PG 帶PG或編碼器 
　　速比1 <1：40 1：60 1：100 1：100 1：1000 1：100
　　起動轉矩（在3Hz） 150% 150% 150% 150% 零轉矩時為150% 零轉矩時為>150%200%
　　靜態速度精度% ±（0.20.3） ±（0.20.3） ±0.2 ±0.2 ±0.02 ±0.2
　　特點及適用場合 轉速響應速度慢，開環控制結構簡單；調試工作容易，可采用通用異步機；調速范圍小，調速精度低。適用于一般要求不高的地方，如風機、泵類等負載。 較高精度調速或控制 一般工業上的調速或控制 不需要PG（轉速脈沖發生器）；可以進行轉矩控制；響應速度快。一般可適用于所有調速或控制。 轉矩控制性能好；響應速度極快；需安裝PG部件；調速范圍寬，精度高，價格貴。一般適用于要求高的設備，如伺服拖動、高精度傳動轉矩控制。 轉矩控制性能好；響應速度快；調整速范圍寬，精度高，價格貴。一般適用于負荷起動、起重負載轉矩控制系統，理發師轉矩波動大負載。
　　
　　四、 結束語
　　分析討論了各種變頻電源控制方式的特點，特別是非智能控制方式和智能控制方式，并給出變頻電源不同控制方式的技術參數，使用的場合，以便工程技術人員更好地選擇合理的變頻電源控制方式，合理地選擇變頻器，最大限度地發揮變頻器的功能。
　　
　　參考文獻： 
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