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(shù)參數(shù)，以便在工程實際更好地選型和設(shè)計應(yīng)用。
　　關(guān)鍵詞：控制方式變頻器變頻電源
　　
　　一、 引言
　　對于交流電機的調(diào)速方式中，用變頻裝置調(diào)速可以實現(xiàn)無級調(diào)速又能節(jié)能，在目前工業(yè)生產(chǎn)及家電產(chǎn)品中應(yīng)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(jù)負載的類型選用比較合理的變頻器，以便構(gòu)成具有最佳性能價格比的理想系統(tǒng)，是大多數(shù)工程技術(shù)人員共同關(guān)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(guān)鍵，選擇合理的變頻電源控制方式，才會最大限度地發(fā)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(shù)參數(shù)，以便于工作在工程技術(shù)人員更好地選型和設(shè)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(yīng)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(tài)型的異步電動機的U/F協(xié)調(diào)控制，轉(zhuǎn)差頻率控制矢量控制，直接轉(zhuǎn)矩控制等。
　　通用型低壓變頻輸出電壓應(yīng)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(jīng)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(diào)制（SPWM）控制方式。U/F控制是為了得到理想的轉(zhuǎn)矩——速度特性，在改變電源頻率進行調(diào)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(jié)構(gòu)比較簡單，這種變頻電源采用開環(huán)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(zhuǎn)矩補償，以改變低頻轉(zhuǎn)矩特性。
　　以U/F=C，正弦脈沖寬度調(diào)節(jié)器制（SPWN）控制方式的特點是：控制電路結(jié)構(gòu)簡單，成本較低，機械特性硬度較好，能夠滿足一般傳動系統(tǒng)的平滑調(diào)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(zhuǎn)矩減小。另外，其機械特性沒有直流電動機硬，動態(tài)轉(zhuǎn)矩能力和靜態(tài)調(diào)速性能都不理想，以U/F=C控制的系統(tǒng)性能不高控制曲線會隨負載的變化而變化，轉(zhuǎn)矩響應(yīng)慢，電動機轉(zhuǎn)矩利用率低，低速時因定子電阻和逆變器死區(qū)效應(yīng)的存在而性能下降，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性變差。
　　（2） 轉(zhuǎn)差頻率控制方式。恒壓頻比控制的變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)可以滿足一般平滑凋速的要求，但其靜態(tài)、動態(tài)、性能都有限。而且，它屬于轉(zhuǎn)速，頻率開環(huán)控制系統(tǒng)。轉(zhuǎn)差頻率控制方式則是采用轉(zhuǎn)速反饋的閉環(huán)控制，是通過控制異步電機的電磁轉(zhuǎn)矩以達到對轉(zhuǎn)速的控制。
　　轉(zhuǎn)差頻率控制方式的特點，它與恒壓頻比控制的變壓變頻調(diào)節(jié)器速系統(tǒng)相比前進了一步，系統(tǒng)的動、靜態(tài)特性都有一定的提高。但其基本關(guān)系式都是從穩(wěn)態(tài)方程中導(dǎo)出的，沒有考慮到電機電磁慣性的影響及在動態(tài)中фm如何變化，所以動態(tài)轉(zhuǎn)矩與磁通并沒得到圓滿的控制。
　　（3） 直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC控制）。在上世紀80年代中期，德國學(xué)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(biāo)系進行磁通，轉(zhuǎn)矩計算，通過跟蹤型PWM逆變器的開關(guān)狀態(tài)直接控制轉(zhuǎn)矩。因此，無需對定子電流進行解耦，免去矢量變換的復(fù)雜計算，控制結(jié)構(gòu)簡單。該技術(shù)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(tǒng)結(jié)構(gòu)，優(yōu)良的動靜態(tài)性能得到了迅速發(fā)展。目前該技術(shù)已成功應(yīng)用在電力機車牽引的大功率交流傳動上。
　　直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)，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(biāo)系下分析異步電機的數(shù)學(xué)模型，計算與控制異步電機的磁鏈和轉(zhuǎn)矩。采用離散的兩點式調(diào)節(jié)器（Bang-Bang控制），把轉(zhuǎn)矩檢測值與轉(zhuǎn)矩給定值作比較，使轉(zhuǎn)矩波的限制在一定的容差范圍內(nèi)，容差的大小由頻率調(diào)節(jié)器來控制，并產(chǎn)生PWM脈沖調(diào)制信號，直接對逆變器的開關(guān)狀態(tài)進行控制，以獲得高動態(tài)性能的轉(zhuǎn)矩輸出。它的控制效果不取決于異步電機的數(shù)學(xué)模型是否簡化，而取決于轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(biāo)變換與計算和為解耦而簡化異步電動機數(shù)學(xué)模型，沒有通常的PWM脈寬調(diào)制信號發(fā)生器，所以它的控制結(jié)構(gòu)簡單控制信號處理的物理概念明確，系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩影響迅速且無超調(diào)，是一種具有高靜、動態(tài)性能的交流調(diào)速控制方式。即使在開關(guān)的狀態(tài)下，也能輸出100%的額定轉(zhuǎn)矩，對于多拖動系統(tǒng)具有負荷平衡功能。
　　直接轉(zhuǎn)矩控制是以測量電動機電流和直流電壓作為自適應(yīng)電動機模型的輸入。該模型每隔25μs產(chǎn)生一組精確的轉(zhuǎn)矩和磁通實際值，轉(zhuǎn)矩比較器和磁通比較器將轉(zhuǎn)矩和磁通的實際值分別與給定值進行比較得到最佳開關(guān)位置。由此可以看出它是通過對轉(zhuǎn)矩和磁通的測量，同步調(diào)整逆變電路的開關(guān)狀態(tài)，進而調(diào)整電動機的轉(zhuǎn)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(diào)速的方法是：將異步電動機在三相坐標(biāo)系下的定子電流、、通過三相——二相變換，等效成兩相靜止坐標(biāo)系下的交流電流、，再通過按轉(zhuǎn)子磁場子定向旋轉(zhuǎn)變換，等效成同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的直流電流、（相當(dāng)于直流電動機的勵磁電流；相當(dāng)于直流電動機與轉(zhuǎn)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(jīng)過相應(yīng)的坐標(biāo)反變換，實現(xiàn)對異步電動機的控制。
　　矢量控制的實質(zhì)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(zhuǎn)子磁鏈，以轉(zhuǎn)子磁通定向，然后分解定子電流而獲得轉(zhuǎn)矩和磁場兩個分量，經(jīng)坐標(biāo)變換，實現(xiàn)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(yīng)用中，由于轉(zhuǎn)子磁鏈難以準確觀測，系統(tǒng)特性受電機參數(shù)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(zhuǎn)變換較復(fù)雜，使得實際的控制效果難以達到理想分析的結(jié)果。
　　矢量控制方式又有基于轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(shù)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(wǎng)，即不能進行四象限運行。因此矩陣式交—交變頻應(yīng)運而生。由于矩陣式交—交變頻省去了中間直流環(huán)節(jié)，從而省去了體積大、價格貴的電解電容。它能實現(xiàn)功率因數(shù)為1。輸入電流為正弦且能四象限運行。系統(tǒng)的功率密度大。該技術(shù)目前尚未成熟，仍吸引著眾多的學(xué)者深入研究。
　　（6） 最優(yōu)控制。該控制在實際應(yīng)用中，控制系統(tǒng)根據(jù)要求的不同而有所不同，可以根據(jù)最優(yōu)控制理論對某一控制要求進行個別參數(shù)的優(yōu)化。例如在高壓變頻的控制區(qū)應(yīng)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(xiàn)一定條件下的電壓最優(yōu)波形。
　　（7） 其他非智能控制方式。在實際應(yīng)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(xiàn)。例如自適應(yīng)控制，滑模變結(jié)構(gòu)控制，差頻控制，環(huán)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(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、模糊控制、專家系統(tǒng)、學(xué)習(xí)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(yīng)用中已有一些成功的范例。
　　（1） 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制。該控制方式應(yīng)用在變頻電源的控制中，一般是進行比較復(fù)雜的系統(tǒng)控制，這時對于系統(tǒng)的模型了解甚少，因此神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)即要完成系統(tǒng)辨識的功能，又要進行控制。而且神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制可以同時控制多個變頻電源，因此神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在多個變頻電源并聯(lián)時進行控制比較適合。但神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的層次數(shù)太多或者算法過于復(fù)雜都會在具體應(yīng)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(tǒng)的工作效率。模糊控制的關(guān)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(tǒng)。
　　（3） 專家系統(tǒng)。專家系統(tǒng)是利用“專家”的經(jīng)驗進行控制的一種控制方式，因此，專家系統(tǒng)中要建立一個專家?guī)欤�存放一定的專家信息；另外還要有推理機制，以便于根據(jù)已知信息尋求理想的控制結(jié)果。專家?guī)炫c推理機制的設(shè)計是尤為重要的，關(guān)系著專家系統(tǒng)控制的優(yōu)劣。應(yīng)用專家系統(tǒng)既可以控制變頻電源的電壓，又可以控制其電流。
　　（4） 學(xué)習(xí)控制。該控制主要是用于重復(fù)性的輸入，規(guī)則的，PWM信號（例如中心調(diào)制PWM）恰好滿足這個條件。因此學(xué)習(xí)控制也可用于變頻電源的控制中。學(xué)習(xí)控制不需要了解太多的系統(tǒng)信息，但需要1-2個學(xué)習(xí)周期，因此快速性相對較差。而且，學(xué)習(xí)控制的算法中有需要實現(xiàn)超前環(huán)節(jié)，這個模擬器件是無法實現(xiàn)的。同時，學(xué)習(xí)控制還涉及到一個穩(wěn)定性的問題，應(yīng)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(guān)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(chǎn)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(gòu)成的系統(tǒng)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(shù)參數(shù)。
　　表1變頻電源不同控制方工的技術(shù)參數(shù)
　　控制方式 U/F=C控制 電壓空間
　　矢量控制 矢量控制 直接轉(zhuǎn)矩
　　控制
　　反饋裝置 不帶PG 帶PG或PID調(diào)節(jié)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(zhuǎn)矩（在3Hz） 150% 150% 150% 150% 零轉(zhuǎn)矩時為150% 零轉(zhuǎn)矩時為>150%200%
　　靜態(tài)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(zhuǎn)速響應(yīng)速度慢，開環(huán)控制結(jié)構(gòu)簡單；調(diào)試工作容易，可采用通用異步機；調(diào)速范圍小，調(diào)速精度低。適用于一般要求不高的地方，如風(fēng)機、泵類等負載。 較高精度調(diào)速或控制 一般工業(yè)上的調(diào)速或控制 不需要PG（轉(zhuǎn)速脈沖發(fā)生器）；可以進行轉(zhuǎn)矩控制；響應(yīng)速度快。一般可適用于所有調(diào)速或控制。 轉(zhuǎn)矩控制性能好；響應(yīng)速度極快；需安裝PG部件；調(diào)速范圍寬，精度高，價格貴。一般適用于要求高的設(shè)備，如伺服拖動、高精度傳動轉(zhuǎn)矩控制。 轉(zhuǎn)矩控制性能好；響應(yīng)速度快；調(diào)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(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)，理發(fā)師轉(zhuǎn)矩波動大負載。
　　
　　四、 結(jié)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(shù)參數(shù)，使用的場合，以便工程技術(shù)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(fā)揮變頻器的功能。
　　
　　參考文獻： 
　　[1]李華德，白晶，李志民，李擎，交流調(diào)速控制系統(tǒng)[M]。北京：電子工業(yè)出版社，2003
　　[2]馮垛生，，張淼，變頻器應(yīng)用與維護[M]，廣州：華南理工大學(xué)出版社，2001。
　　[3]周志敏，周紀海，紀愛華，變頻電源實用技術(shù)—設(shè)計與應(yīng)用[M]，北京：中國電力出版社，2005