第二章 变频器对电动机的控制

第一节 变频器对异步电动机的控制方式

目前变频器对电动机的控制方式有如下几种：V/F恒定控制，转差频率控制，矢量控制，转矩控制，直接转速控制，非线性控制，自适应控制，滑模变结构控制等。其中前五种控制方式已经获得成功应用，并有商品化的产品，所以下面讨论前五种控制方式。

一、V/F恒定控制

V/F控制方式是在改变电动机电源频率的同时，也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。因为控制的是电压和频率之比（U/f），所以称作V/F控制。这种控制方式比较简单，常用于节能型变频器，如风机、泵类机械的节能运转及生产流水线的工作台传动等。另外，空调器等家用电器也采用V/F控制的变频器。

U/f一定的控制常用在通用变频器上，主要用于风机、水泵的调速节能，以及对调速范围要求不高的场合。其突出的优点是可以进行电动机的开环速度控制。U/f一定的控制存在的主要问题是低速性能较差，原因是低速时异步电动机定子电压降所占比重增大，已不能忽略，最终造成电动机的电磁转矩减小。U/f一定的控制存在的缺点可以采用补偿低端电压的方法解决，即在低速时适当提升电压，以补偿定子电阻电压降的影响。

二、转差频率控制

转差频率控制需要在电动机转子上安装测速发电机等速度检测器，用以检测电动机的速度，然后以电动机速度与转差频率之和作为变频器的输出频率。这种控制方式与V/F控制相比，其加减速特性和限制过电流的能力得到提高。

三、矢量控制

矢量控制是一种高性能异步电动机控制方式，它基于电动机的动态数学模型，分别控制电动机的转矩电流和励磁电流，具有与直流电动机相类似的控制性能。

直流电动机具有励磁和电枢两套绕组，工作时由不同的电源供电。当励磁电流恒定时，直流电动机所产生的电磁转矩与电枢电流成正比，控制直流电动机的电枢电流就可以控制电动机的转矩，因而直流电动机具有良好的控制性能。

异步电动机也有两套多相绕组（定子绕组和转子绕组），其中定子绕组与外部电源相连，在定子绕组中流过定子电流。定子电流一方面将电磁能量转变为机械能供给负载，另一方面通过电磁感应在转子绕组中产生感应电动势，并流过电流。因此异步电动机的定子电流中包括了励磁电流分量和转子电流分量。由于励磁电流是异步电动机定子电流的一部分，因此，很难像直流电动机那样仅仅控制异步电动机的定子电流，达到控制电动机转矩的目的。但是异步电动机的动态数学方程具有和直流电动机的动态方程式相同的形式，因而可以选择合适的控制策略，使异步电动机得到与直流电动机相类似的控制性能，这就是矢量控制。关于矢量控制具体的工作原理，在有关专业书籍中有详细的介绍，这里因为篇幅关系不再赘述。

四、转矩控制

转矩控制的对象是电动机的转矩，而不是转速。传送给变频器的目标信号（给定信号）最终控制的是电动机的电磁转矩，而不是频率。在转矩控制方式下，电动机转速的大小，取决于电磁转矩和负载转矩较量的结果，可能加速，也可能减速，其频率不可调节。有时转矩控制用于起动或停止的过渡过程中，当拖动系统起动结束后，即切换成转速控制方式，以便控制转速。

转矩控制常用于牵引和起重装置的起动，以及恒张力控制等。以电梯控制为例，如果采用转速控制，起动转矩是恒定的，故在起动瞬间容易产生冲击。而采用转矩控制模式时，可以使电动机的电磁转矩逐渐增大，直至克服负载转矩时开始缓慢加速，可使起动过程十分平稳。

五、直接转速控制

直接转速控制（DSC）对变频器的输出电压、电流进行检测，经坐标变换处理后，送入电动机模型，推算出电动机的磁通、瞬时转速，在保持磁通闭环的同时，每秒钟对电动机的转速进行高达数千次的校正，所以称为直接转速控制。这种控制方式具有更快的响应速度、更小的转矩脉动、更稳定的准确度，同时还能补偿线路电压降、线路电阻及定子电阻温升带来的影响。