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[摘 要]交流变频调速技术具有高效性、精确性、可靠性等优点，是具有发展前景的一种调速方式。变频调速技术已经应用于供水、发电和石油化工等多种工业领域，且不仅使控制更加精准、自动化，同时在节能方面有很好的效果。本文主要是对其控制方式和应用展开相关探讨。
[关键词]变频 矢量控制 转差频率控制
中图分类号：TH122 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）33-0383-01
变频调速系统的主要工作原理是借助于控制技术、电力电子技术和计算机技术的结合， 使系统获得需要的电压、电流和频率。各类变频器输出一般为可变电压、可变频率的形式。在磁通恒定时， 不同频率异步电动机的机械特性硬度变化很小， 所以在调速时气隙磁通保持为恒定值至关重要。磁通太弱， 铁芯不能获得充分利用， 造成浪费； 磁通太强，铁芯饱和， 使电机电流上升， 异步电动机发生过热现象。定子频率控制是异步电动机获得平稳调速的关键。
一、变频调速控制方式
1、u/f 控制方式
第一代变频器采用壓频比标量控制方式， 是最基本的控制方式。这种控制方式是通过对定子每相电动势和电动机交流电源的频率进行适当控制， 可使气隙磁通保持不变。分两种情况： 基频以下的恒磁通变频调速———为使电机的气隙主磁通保持不变，可采用定子相电压与交流电源的频率的比值近似等于常数的方式进行控制， 属于恒转矩调速方式， 但要考虑到电机定子电阻和漏电抗的压降而加以修正。基频以上的弱磁通变频调速--因受额定电压限制，在频率由额定值增加时会使主磁通减小， 导致转矩减小， 属于近似恒功率调速。通过变频装置， 获得电压频率均可调的供电电源， 实现调速控制， 即VVVF 控制。
2、转差频率控制
改变转差率s 亦可以改变异步电动机的转速n。转差频率控制就是通过检测电动机的转速相对应的频率与转差频率的和来给定变频器的输出， 能控制与转差率有直接关系的转矩和电流。该方式往往包含电流控制环节， 由于转差频率和电流共同被控制，因而稳定性能较好， 能承受急剧的加减速度和负荷波动， 并因采用了速度反馈环节， 大大地提高了转速控制精度。它将转速放大器的输出转换成转差频率和电流指令， 在各自的控制环节中变成变频器频率指令和异步电动机定子端电压指令。从频率指令和定子端电压指令后， 其线路结构与u/f 控制方式相同。该方式必须进行闭环控制， 因此常被用于单机运行， 能得到恒定输出特性， 并且高低转速时都能输出较大转矩。其优点是转子差频变化能反映负荷变化， 能适应于系统急剧加速及负荷变化大的情况，大大提高了加速控制精度， 但其机械特性同u/f 控制方式一样都是非线性的， 因而产生的动态转矩受到限制。
3、矢量控制
第二代变频器主要特征在于采用空间矢量控制，参照直流电动机控制方式将异步电动机定子电流空间矢量分解为产生磁通的转子励磁分量和与此垂直产生转矩的电流分量。比前两种控制完善得多， 调速范围宽、起动力矩高、精度高达0.01%， 响应快。高精度调速都采用矢量控制变频器SVPWM。矢量控制和矢量调节实质在于消除电机多变量的内在耦合， 并控制其大小及相位， 从而获得优良的动态性能， 缺点是控制回路复杂， 成本相对较高。
4、直接转矩控制
由于矢量控制对电机参数变化的依赖性较大，特别是当电机参数变化较大时， 难以保证动态过程完全解耦。以异步电动机的转矩直接作为被控制量， 强调转矩的直接控制效果，并不极力追求理想正弦波。它与矢量控制技术并行发展但又有所不同， 避免了矢量控制中二次坐标变换及求模和相角的复杂计算， 直接在静止坐标系（ 定子坐标系） 上借助三相定子电压和电流计算电机的转矩和励磁， 并与给定转矩和励磁进行比较， 通过对转矩的Bang- Bang 控制， 使转矩响应在一拍内完成且无超调。接转矩控制方法不仅系统结构简单， 对电机参数变化不敏感， 而且控制性能比矢量控制还好， 这是目前最先进的控制方式。转矩矢量控制直接取交流电动机参数进行控制， 控制简单，精确度高， 处理速度非常快， 但处理器DSP 及很多硬件都是高速器件， 价格较贵， 较难推广。
二、变频调速技术的应用
现在大量工业设备的拖动，仍采用交流电动机恒速传动的方案运行，例如风机与水泵最主要的调节手段靠调节风门、阀门开度的大小来调整，无论生产的需求大小，都要全速运行，不能随工况的变化来进行相应的调节，这样不仅对机械造成磨损，还造成了能量的大量浪费，变频调速技术的应用有助解决此类问题.
1、恒压供水系统的应用
恒压供水是利用高压变频器对水泵电动机进行变频控制，以此实现供水流量的变负荷节，达到恒压供水的目的。变频恒压供水系统原理，主要由PLC、变频器、PID 调节器等组成。测量元件采用压力传感器装在出水口处，变频器内部内嵌式可编程控制器通过将测量水压与给定值进行比较，并通过PID进行调整，将调整结果转换为频率调节信号传送至变
频器，直至达到供水压力给定值。在变频恒压供水的方式下，可以正确推算当天可能的供水量，合理调配工频车运行车次。人为控制变频机组运行频率在合理的范围内，使每台水泵都处于各自的高效区运行，压缩富裕水头； 根据供水量的变化情况和变频机组的实际运行频率，及时调整，使不同的供水压力段，均能将能量损失降低到最小，且使运行工况平稳可靠。
2、发电厂的应用
在发电厂中，风机和水泵是最主要的耗电设备，且容量大、耗电多，加上这些设备都是长期连续运行和常常处于低负荷及变负荷运行状态，其节能潜力巨大。流量与转速成正比； 扬程与转速的平方成正比； 而轴功率与转速的立方成正比。在其他运行条件不变的情况下，通过下调电机的运行速度，其节能效果十分显著。风机与水泵的用电量占发电厂的很大一部分，如果在这方面能节能将会大大提高发电厂的经济效益。
除了上述应用，变频调速技术在石油、化工等许多其他工业领域均有很多应用，可见其研究具有现实意义。交流变频调速有以下的优势： （ 1） 自动化程度高，以从零到超电机转速的范围内任意调整转速。（ 2） 节能效果明显，可以使风机泵类设备的轴功率随效率的立方近似成正比降低，还可以通过比例调压或自动降压，使电机保持最佳励磁，改善功率因数，平均节电率可达20% ～ 50%。（ 3） 起动性能优越且损耗小。避免了电机在直接起动时产生的强电流冲击，从而延长了风机和泵类设备的使用寿命。（ 4） 保护功能齐全，设有过压、低压、欠相、过载和瞬间停电等多种保护，输出电压稳定。
参考文献
[1]任伊昵，高祎韩，韩旭，马皓.基于双有源桥DC-DC回流功率优化的变频移相混合控制策略[J/OL].电源学报：1-12[2018-03-15].
[2]张春花，黄凯，徐晓明.永磁调速与变频调速技术在选煤厂循环水泵的应用[J/OL].能源与环保，2018（02）：144-149[2018-03-15].
[关键词]变频 矢量控制 转差频率控制
中图分类号：TH122 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）33-0383-01
变频调速系统的主要工作原理是借助于控制技术、电力电子技术和计算机技术的结合， 使系统获得需要的电压、电流和频率。各类变频器输出一般为可变电压、可变频率的形式。在磁通恒定时， 不同频率异步电动机的机械特性硬度变化很小， 所以在调速时气隙磁通保持为恒定值至关重要。磁通太弱， 铁芯不能获得充分利用， 造成浪费； 磁通太强，铁芯饱和， 使电机电流上升， 异步电动机发生过热现象。定子频率控制是异步电动机获得平稳调速的关键。
一、变频调速控制方式
1、u/f 控制方式
第一代变频器采用壓频比标量控制方式， 是最基本的控制方式。这种控制方式是通过对定子每相电动势和电动机交流电源的频率进行适当控制， 可使气隙磁通保持不变。分两种情况： 基频以下的恒磁通变频调速———为使电机的气隙主磁通保持不变，可采用定子相电压与交流电源的频率的比值近似等于常数的方式进行控制， 属于恒转矩调速方式， 但要考虑到电机定子电阻和漏电抗的压降而加以修正。基频以上的弱磁通变频调速--因受额定电压限制，在频率由额定值增加时会使主磁通减小， 导致转矩减小， 属于近似恒功率调速。通过变频装置， 获得电压频率均可调的供电电源， 实现调速控制， 即VVVF 控制。
2、转差频率控制
改变转差率s 亦可以改变异步电动机的转速n。转差频率控制就是通过检测电动机的转速相对应的频率与转差频率的和来给定变频器的输出， 能控制与转差率有直接关系的转矩和电流。该方式往往包含电流控制环节， 由于转差频率和电流共同被控制，因而稳定性能较好， 能承受急剧的加减速度和负荷波动， 并因采用了速度反馈环节， 大大地提高了转速控制精度。它将转速放大器的输出转换成转差频率和电流指令， 在各自的控制环节中变成变频器频率指令和异步电动机定子端电压指令。从频率指令和定子端电压指令后， 其线路结构与u/f 控制方式相同。该方式必须进行闭环控制， 因此常被用于单机运行， 能得到恒定输出特性， 并且高低转速时都能输出较大转矩。其优点是转子差频变化能反映负荷变化， 能适应于系统急剧加速及负荷变化大的情况，大大提高了加速控制精度， 但其机械特性同u/f 控制方式一样都是非线性的， 因而产生的动态转矩受到限制。
3、矢量控制
第二代变频器主要特征在于采用空间矢量控制，参照直流电动机控制方式将异步电动机定子电流空间矢量分解为产生磁通的转子励磁分量和与此垂直产生转矩的电流分量。比前两种控制完善得多， 调速范围宽、起动力矩高、精度高达0.01%， 响应快。高精度调速都采用矢量控制变频器SVPWM。矢量控制和矢量调节实质在于消除电机多变量的内在耦合， 并控制其大小及相位， 从而获得优良的动态性能， 缺点是控制回路复杂， 成本相对较高。
4、直接转矩控制
由于矢量控制对电机参数变化的依赖性较大，特别是当电机参数变化较大时， 难以保证动态过程完全解耦。以异步电动机的转矩直接作为被控制量， 强调转矩的直接控制效果，并不极力追求理想正弦波。它与矢量控制技术并行发展但又有所不同， 避免了矢量控制中二次坐标变换及求模和相角的复杂计算， 直接在静止坐标系（ 定子坐标系） 上借助三相定子电压和电流计算电机的转矩和励磁， 并与给定转矩和励磁进行比较， 通过对转矩的Bang- Bang 控制， 使转矩响应在一拍内完成且无超调。接转矩控制方法不仅系统结构简单， 对电机参数变化不敏感， 而且控制性能比矢量控制还好， 这是目前最先进的控制方式。转矩矢量控制直接取交流电动机参数进行控制， 控制简单，精确度高， 处理速度非常快， 但处理器DSP 及很多硬件都是高速器件， 价格较贵， 较难推广。
二、变频调速技术的应用
现在大量工业设备的拖动，仍采用交流电动机恒速传动的方案运行，例如风机与水泵最主要的调节手段靠调节风门、阀门开度的大小来调整，无论生产的需求大小，都要全速运行，不能随工况的变化来进行相应的调节，这样不仅对机械造成磨损，还造成了能量的大量浪费，变频调速技术的应用有助解决此类问题.
1、恒压供水系统的应用
恒压供水是利用高压变频器对水泵电动机进行变频控制，以此实现供水流量的变负荷节，达到恒压供水的目的。变频恒压供水系统原理，主要由PLC、变频器、PID 调节器等组成。测量元件采用压力传感器装在出水口处，变频器内部内嵌式可编程控制器通过将测量水压与给定值进行比较，并通过PID进行调整，将调整结果转换为频率调节信号传送至变
频器，直至达到供水压力给定值。在变频恒压供水的方式下，可以正确推算当天可能的供水量，合理调配工频车运行车次。人为控制变频机组运行频率在合理的范围内，使每台水泵都处于各自的高效区运行，压缩富裕水头； 根据供水量的变化情况和变频机组的实际运行频率，及时调整，使不同的供水压力段，均能将能量损失降低到最小，且使运行工况平稳可靠。
2、发电厂的应用
在发电厂中，风机和水泵是最主要的耗电设备，且容量大、耗电多，加上这些设备都是长期连续运行和常常处于低负荷及变负荷运行状态，其节能潜力巨大。流量与转速成正比； 扬程与转速的平方成正比； 而轴功率与转速的立方成正比。在其他运行条件不变的情况下，通过下调电机的运行速度，其节能效果十分显著。风机与水泵的用电量占发电厂的很大一部分，如果在这方面能节能将会大大提高发电厂的经济效益。
除了上述应用，变频调速技术在石油、化工等许多其他工业领域均有很多应用，可见其研究具有现实意义。交流变频调速有以下的优势： （ 1） 自动化程度高，以从零到超电机转速的范围内任意调整转速。（ 2） 节能效果明显，可以使风机泵类设备的轴功率随效率的立方近似成正比降低，还可以通过比例调压或自动降压，使电机保持最佳励磁，改善功率因数，平均节电率可达20% ～ 50%。（ 3） 起动性能优越且损耗小。避免了电机在直接起动时产生的强电流冲击，从而延长了风机和泵类设备的使用寿命。（ 4） 保护功能齐全，设有过压、低压、欠相、过载和瞬间停电等多种保护，输出电压稳定。
参考文献
[1]任伊昵，高祎韩，韩旭，马皓.基于双有源桥DC-DC回流功率优化的变频移相混合控制策略[J/OL].电源学报：1-12[2018-03-15].
[2]张春花，黄凯，徐晓明.永磁调速与变频调速技术在选煤厂循环水泵的应用[J/OL].能源与环保，2018（02）：144-149[2018-03-15].