1.11 交-直-交變頻器對異步電動機的控制方式

變頻器對電動機進行控制，是指變頻器根據電動機的特性參數及運轉要求，對電動機進行電壓、電流、頻率的控制以達到負載和工藝的要求。因此，即使變頻器的主電路相同、逆變器件相同、單片機的位數也相同，只是控制方式不同，其控制效果是不一樣的，所以控制方式很重要。

1.11.1 變頻器的U/f恒定控制

電壓/頻率（U/f）恒定控制是指在改變電動機電源頻率的同時也改變電動機電源的電壓，使電動機磁通保持恒定，在較寬的調速范圍內，電動機的效率、功率因數不下降。因為是控制電壓與頻率的比，所以稱其為電壓/頻率（U/f）恒定控制。

那么采用變頻調速，為什么在改變頻率的同時還要改變電壓？

異步電動機定子繞組內的感應電動勢可由下式表示^[1]：

E₁=4.44f₁W₁k_W1?₁≈U₁

式中 E₁——定子每相感應電動勢（V）；

f₁——定子電壓頻率（Hz）；

W₁——定子繞組匝數；

k_W1——定子繞組系數；

?₁——定子繞組磁通（Wb）；

U₁——定子相電壓（V）。

可見，?₁∞U₁/f₁。當定子電壓頻率f₁下降或升高時，若U₁不變，會導致磁通?₁的增大或減小，從而使電動機的最大轉矩減小，甚至發生電動機堵轉，或者使磁通飽和。因此，為了維持磁通恒定，必須在調節電源頻率的同時調節電壓，即以U₁/f₁=C控制。

根據U₁和f₁的不同比例關系，變頻器有以下幾種調速方式：

1）當變頻器頻率大于20Hz且小于額定頻率50Hz時，電磁轉矩T與U₁/f₁的二次方成正比，為使T保持不變（即電動機拖動負載能力不發生改變），在調頻的同時要調壓。這種恒磁通變頻變壓調速方式又稱恒轉矩調速。

2）變頻器頻率大于額定頻率50Hz時，需保持U₁等于額定電壓。這種升頻定壓調速方式稱為恒功率調速。需要說明的是，這只是一種近似的恒功率調速方式。

3）變頻器頻率低于20Hz時，為避免電動機輸出轉矩下降，一般變頻器都要在低頻區進行電壓補償。

綜上所述，U/f恒定控制（U/f=C）是在不大于額定頻率的情況下，改變電動機電源頻率的同時也改變電動機電源電壓，它的特點是控制電路結構簡單、成本較低，機械特性硬度也較好，能夠滿足一般傳動的平滑調速要求，多用于節能型變頻器，如風機、泵類機械的節能運轉及生產流水線的工作臺傳動等。但是，這種控制方式在低頻時，由于輸出電壓較低，轉矩受定子電阻電壓降的影響比較顯著，使輸出最大轉矩減小。另外，其機械特性終究沒有直流電動機硬，動態轉矩能力和靜態調速性能都還不盡如人意，且系統性能不高、控制曲線會隨負載的變化而變化，轉矩響應慢、電動機轉矩利用率不高，低速時因定子電阻和逆變器死區效應的存在而使性能下降，穩定性變差等。因此，人們又研究出矢量控制變頻調速。

1.11.2 用SPWM方法實現U/f恒定控制

采用電壓源型變頻器對異步電動機實現U/f恒定控制（U/f=C）的方法很多，目前，中、高壓通用變頻器大多采用正弦脈沖寬度調制（Sinusoidal Pulse Width Modulation，SP-WM），即三相交流經整流和電容濾波后，形成恒定幅值的直流電壓加在逆變器上，逆變器的功率開關器件按一定規律控制其導通和關斷，在輸出端獲得一系列幅值相等而寬度不等的矩形脈沖電壓波形，使其輸出脈沖電壓的面積與所希望輸出的正弦波在相應區間內的面積相等。如改變脈沖寬度，即可控制逆變器輸出交流基波電壓的幅值；改變調制周期，即可控制其輸出頻率，這樣就同時實現了調壓和調頻。

目前，SPWM有4種方法可以實現：等面積法、硬件調制法、軟件生成法和低次諧波消去法。其中，軟件生成法有兩種基本算法，即自然采樣法和規則采樣法。下面僅介紹采用自然采樣法如何實現U/f恒定控制。

自然采樣法通常采用等腰三角波作為載波，因為等腰三角形上下寬度與高度呈線性關系，且左右對稱，當它與任意一條不超過可調制范圍的光滑曲線相交時，都會得到一組等幅、等矩、脈沖寬度正比于該曲線值的矩形脈沖。圖1-60所示為自然采樣法形成的SPWM波，圖中交點A為發出脈沖的初始時刻，B點為脈沖結束時刻；T_C為三角波的周期，t₂為AB之間的脈寬時間，t₁和t₃為間隙時間，T_C=t₁+t₂+t₃。自然采樣法以正弦波為調制波、等腰三角波為載波進行比較，在兩個波形的自然交點時刻控制開關器件的通斷，用正弦波作為調制信號的基準信號時，可獲得脈寬與正弦波值對應的一系列等幅不等寬的脈沖，圖1-61所得波形就是用PWM波代替正弦半波的波形。

圖1-60 自然采樣法形成的SPWM波

圖1-61 用PWM波代替正弦半波的波形

圖1-61所示脈沖序列信號用于逆變器電子開關的開通與關斷控制時，改變正弦波基準信號的幅值和頻率，即可相應地改變逆變器的輸出電壓與頻率。圖1-62所示為SPWM波形實際應用于單相橋式PWM逆變電路，負載為電感性，電力晶體管作為開關器件。電力晶體管的控制方法為：在正半周，讓晶體管VT₂、VT₃一直處于截止狀態，而讓晶體管VT₁一直保持導通、晶體管VT₄交替通斷。當VT₁和VT₄都導通時，負載上所加的電壓為直流電源電壓U_d。當VT₁導通而VT₄關斷時，由于電感性負載中的電流不能突變，負載電流將通過二極管VD₃續流，如果忽略晶體管和二極管的導通電壓降，則負載上所加電壓為零。如負載電流較大，那么直到使VT₄再一次導通之前，VD₃也一直持續導通。如負載電流較快地衰減到零，在VT₄再次導通之前，負載電壓也一直為零。這樣輸出負載上的電壓就有0、U_d兩種電平。同樣在負半周，讓VT₁、VT₄一直處于截止狀態，而讓VT₂保持導通、VT₃交替通斷。當VT₂、VT₃都導通時，負載上加有電壓-U_d，當VT₃關斷時，VT₄續流，負載電壓為零。因此，在負載上可得到-U_d和0兩種電平。

圖1-62 SPWM波形實際應用于單相橋式PWM逆變電路

以上分析可知，控制VT₃或VT₄的通斷，就可使負載上得到SPWM波形。從載波和調制波頻率之間的關系看，有同步調制、異步調制和分段調制三種。從PWM的極性來看，控制方式通常分為單極性方式和雙極性方式。

如圖1-63所示，三角波u_c為載波，正弦波u_f為調制波，在調制波u_f的正半周內載波為正極性的三角波，在負半周內為負極性的三角波，當調制信號波為正弦波時，在u_f和u_c的交點時刻產生控制信號，用來控制VT₃或VT₄的通斷，這樣得到一組幅值相等而脈沖寬度正比于對應區間正弦波曲線函數值的矩形脈沖u_o。SPWM逆變器輸出基波電壓的大小和頻率均由調制電壓來控制：當改變調制電壓的幅值時，脈寬隨之改變，即可改變輸出電壓的大小；當改變調制電壓的頻率時，輸出電壓頻率隨之改變。圖1-63所示PWM波形只在一個方向上變化的控制方法稱為單極性方式。

圖1-63 單極性PWM控制的逆變器波形

如圖1-64所示，三角波u_c為載波，正弦波u_f為調制波，在調制信號波u_f的半周內，載波u_c在正負兩個方向上變化，所得到的PWM波形也是在兩個方向上變化。當調制信號波為正弦波時，在u_f和u_c的交點時刻產生控制信號，用來控制VT₃或VT₄的通斷，這樣得到一組幅值相等而脈沖寬度正比于對應區間正弦波曲線函數值的矩形脈沖u_o。SPWM逆變器輸出基波電壓的大小和頻率均由調制電壓來控制：當改變調制電壓的幅值時，脈寬隨之改變，即可改變輸出電壓的大小；當改變調制電壓的頻率時，輸出電壓頻率隨之改變。圖1-64所示PWM波形在兩個方向上變化的控制方法稱為雙極性方式。

圖1-64 雙極性PWM控制的逆變器波形

上面談到的自然采樣法是由模擬控制來實現的，是早期使用的方法，現在已很少使用。目前可由微機進行數字控制，或者采用SPWM專用集成芯片來產生SPWM波，有的單片機本身就帶有SPWM端口。

1.11.3 變頻器的電壓空間矢量控制

電壓空間矢量控制（磁通軌跡法）方式又稱SVPWM控制方式，它是通過控制電動機的氣隙磁通，減小低頻時異步電動機的轉矩脈動。因為電壓矢量的積分是磁通矢量，其實質是磁通軌跡控制，使磁通的軌跡在圓周上以內切多邊形逼近圓，通常有六邊形磁通軌跡控制（見圖1-65a）和圓形磁通軌跡控制（見圖1-65b）。它們可用普通的PWM控制，可進行開環或閉環控制。因此，這種控制方式較U/f=C控制在性能有所提高，由于引入頻率補償，減小了電動機的脈動和噪聲，所以能基本滿足0～50Hz頻率段的性能要求，適用于一般精度較低的調速設備。另外，將輸出電壓、電流閉環，能提高動態的精度和穩定度，但控制電路環節較多，且沒有引入轉矩的調節，所以系統性能沒有得到根本改善。

1.11.4 變頻器的矢量控制

矢量控制（磁場定向法）方式又稱VC（Vector Control）控制方式，它實質是將交流電動機等效為直流電動機，分別對速度、磁場兩個分量進行獨立控制。具體是將異步電動機的定子電流矢量分解為產生磁場的電流分量（勵磁電流）和產生轉矩的電流分量（轉矩電流），經過相應坐標變換與反變換，分別加以控制，并同時控制兩個分量的幅值和相位，即控制定子電流矢量。

圖1-65 空間電壓矢量（磁通軌跡法）控制原理圖

矢量控制方法成功實施后，使交流異步電動機變頻調速后的機械特性以及動態變頻性能都達到了與直流電動機調壓時的調速性能不相上下的程度。它可調整變頻器的輸出電壓，使電動機的輸出轉矩和電壓的二次方成正比，從而改善電動機的輸出轉矩特性。它的優點是轉矩可以連續平滑調節，調速范圍較寬。矢量控制方法的提出具有劃時代的意義，使用矢量控制，可以使電動機在較低速時的輸出轉矩達到額定轉矩。然而在實際應用中，由于轉子磁鏈難以準確觀測，系統特性受電動機參數的影響較大，需要在線調整，且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。

1.11.5 變頻器的直接轉矩控制

1.直接轉矩控制的基本原理

1985年，德國魯爾大學的德彭布羅克（DePenbrock）教授首次提出了直接轉矩控制變頻技術。該技術在很大程度上解決了上述矢量控制的不足，并以新穎的控制思想、簡潔明了的系統結構、優良的動靜態性能得到了迅速發展。

直接轉矩控制（Direct Torque Control，DTC）系統直接在定子坐標系下分析交流電動機的數學模型，控制電動機的定子磁鏈（而不是轉子磁鏈）和轉矩。它不需要將交流電動機等效為直流電動機，因而省去了矢量旋轉變換中的許多復雜計算；它不需要模仿直流電動機的控制，也不需要為解耦而簡化交流電動機的數學模型。

直接轉矩控制的基本原理是把電動機和逆變器看作一個整體進行控制，逆變器所有開關狀態的變化都以交流電動機的電磁過程為基礎，將交流電動機的轉矩控制和磁鏈控制有機地統一。直接轉矩控制估計定子磁鏈時，由于定子磁鏈的估計只涉及定子電阻，所以對電動機參數的依賴性大大減弱，可以獲得快速的轉矩響應。

圖1-66給出了直接轉矩控制的原理框圖。直接轉矩控制將檢測到的電動機定子電壓和電流送入計算器，根據計算的結果分別控制異步電動機的轉速和磁鏈。轉速調節器（ASR）的輸出作為電磁轉矩的給定信號，在后面設置轉矩內環，它可以抑制磁鏈變化對轉速子系統的影響，從而使轉速和磁鏈子系統實現了近似的解偶，因此能獲得較高的靜、動態性能。^[3]

除轉矩和磁鏈砰-砰控制外，直接轉矩控制的核心問題就是轉矩和定子磁鏈反饋信號的計算模型，以及如何根據兩個砰-砰控制器的輸出信號選擇電壓空間矢量和逆變器的開關狀態。

圖1-66 直接轉矩控制的原理框圖

DTC系統采用的是兩相靜止坐標（αβ坐標），圖1-66中，根據給定定子磁鏈和反饋信號進行砰-砰控制，按控制程序選取電壓空間矢量的作用順序和持續時間。在電壓空間矢量按磁鏈控制的同時，優先接受轉矩的砰-砰控制。

2.直接轉矩控制的特點

直接轉矩控制系統和矢量控制系統都是已經獲得實際應用的高性能交流調速系統。兩者都采用轉矩和磁鏈分別控制，這符合異步電動機動態數學模型所需的控制要求。直接轉矩控制的特點如下：

1）直接轉矩控制直接在定子坐標系下分析交流電動機的數學模型，避開了矢量控制中的兩次坐標變換及求矢量模與相角的復雜計算工作，直接在靜止的定子坐標系上計算電動機的轉矩與磁通，它所需的信號處理工作簡單。其使轉矩響應時間控制在1拍以內，且無超調，控制性能更好。

2）直接轉矩控制磁場定向所用的是定子磁鏈，只要知道定子電阻就可以把它觀測出來；而矢量控制磁場定向所用的是轉子磁鏈，觀測轉子磁鏈需要知道電動機轉子電阻和電感。因此，直接轉矩控制方式大大減少了矢量控制技術性能易受參數變化影響的問題。

3）直接轉矩控制采用空間矢量的概念來分析三相交流電動機的數學模型和控制其各物理量，使問題變得簡單明了。

4）直接轉矩控制技術不需要專門的PWM波形發生器，因而控制線路簡單，特別適用于電壓型逆變器，方便實現數字化控制。

變頻器直接轉矩控制的具體特點還可以參見6.6.2節和9.7.4節實例中有關內容。

1.11.6 變頻器幾種控制方法的比較

1.11.1～1.11.5節的幾種控制方式比較見表1-7。^[1]

需要說明的是：傳統的U/f控制精度不高，響應不夠及時，往往無法滿足低速大轉矩負載或重載起動的電動機。采用了無速度傳感器矢量控制的變頻器僅需對三相電壓、兩相電流進行檢測，即可根據預先自動測定的電動機模型，進行異步電動機的磁通和轉矩解耦控制，實現低速大轉矩負載起動和運行。從表1-7可以看出，實現低速大轉矩負載起動和運行可選直接轉矩控制。

表1-7 交-直-交變頻器四種控制方式的比較

注：?直接轉矩控制，在帶PG或編碼器后，可拓寬至1∶1000，靜態速度精度可達±0.01%。