1.11 交-直-交变频器对异步电动机的控制方式
变频器对电动机进行控制，是指变频器根据电动机的特性参数及运转要求，对电动机进行电压、电流、频率的控制以达到负载和工艺的要求。因此，即使变频器的主电路相同、逆变器件相同、单片机的位数也相同，只是控制方式不同，其控制效果是不一样的，所以控制方式很重要。
1.11.1 变频器的U/f恒定控制
电压/频率（U/f）恒定控制是指在改变电动机电源频率的同时也改变电动机电源的电压，使电动机磁通保持恒定，在较宽的调速范围内，电动机的效率、功率因数不下降。因为是控制电压与频率的比，所以称其为电压/频率（U/f）恒定控制。
那么采用变频调速，为什么在改变频率的同时还要改变电压？
异步电动机定子绕组内的感应电动势可由下式表示[1]：
E1=4.44f1W1kW1ϕ1≈U1
式中 E1——定子每相感应电动势（V）；
f1——定子电压频率（Hz）；
W1——定子绕组匝数；
kW1——定子绕组系数；
ϕ1——定子绕组磁通（Wb）；
U1——定子相电压（V）。
可见，ϕ1∞U1/f1。当定子电压频率f1下降或升高时，若U1不变，会导致磁通ϕ1的增大或减小，从而使电动机的最大转矩减小，甚至发生电动机堵转，或者使磁通饱和。因此，为了维持磁通恒定，必须在调节电源频率的同时调节电压，即以U1/f1=C控制。
根据U1和f1的不同比例关系，变频器有以下几种调速方式：
1）当变频器频率大于20Hz且小于额定频率50Hz时，电磁转矩T与U1/f1的二次方成正比，为使T保持不变（即电动机拖动负载能力不发生改变），在调频的同时要调压。这种恒磁通变频变压调速方式又称恒转矩调速。
2）变频器频率大于额定频率50Hz时，需保持U1等于额定电压。这种升频定压调速方式称为恒功率调速。需要说明的是，这只是一种近似的恒功率调速方式。
3）变频器频率低于20Hz时，为避免电动机输出转矩下降，一般变频器都要在低频区进行电压补偿。
综上所述，U/f恒定控制（U/f=C）是在不大于额定频率的情况下，改变电动机电源频率的同时也改变电动机电源电压，它的特点是控制电路结构简单、成本较低，机械特性硬度也较好，能够满足一般传动的平滑调速要求，多用于节能型变频器，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。但是，这种控制方式在低频时，由于输出电压较低，转矩受定子电阻电压降的影响比较显著，使输出最大转矩减小。另外，其机械特性终究没有直流电动机硬，动态转矩能力和静态调速性能都还不尽如人意，且系统性能不高、控制曲线会随负载的变化而变化，转矩响应慢、电动机转矩利用率不高，低速时因定子电阻和逆变器死区效应的存在而使性能下降，稳定性变差等。因此，人们又研究出矢量控制变频调速。
1.11.2 用SPWM方法实现U/f恒定控制
采用电压源型变频器对异步电动机实现U/f恒定控制（U/f=C）的方法很多，目前，中、高压通用变频器大多采用正弦脉冲宽度调制（Sinusoidal Pulse Width Modulation，SP-WM），即三相交流经整流和电容滤波后，形成恒定幅值的直流电压加在逆变器上，逆变器的功率开关器件按一定规律控制其导通和关断，在输出端获得一系列幅值相等而宽度不等的矩形脉冲电压波形，使其输出脉冲电压的面积与所希望输出的正弦波在相应区间内的面积相等。如改变脉冲宽度，即可控制逆变器输出交流基波电压的幅值；改变调制周期，即可控制其输出频率，这样就同时实现了调压和调频。
目前，SPWM有4种方法可以实现：等面积法、硬件调制法、软件生成法和低次谐波消去法。其中，软件生成法有两种基本算法，即自然采样法和规则采样法。下面仅介绍采用自然采样法如何实现U/f恒定控制。
自然采样法通常采用等腰三角波作为载波，因为等腰三角形上下宽度与高度呈线性关系，且左右对称，当它与任意一条不超过可调制范围的光滑曲线相交时，都会得到一组等幅、等矩、脉冲宽度正比于该曲线值的矩形脉冲。图1-60所示为自然采样法形成的SPWM波，图中交点A为发出脉冲的初始时刻，B点为脉冲结束时刻；TC为三角波的周期，t2为AB之间的脉宽时间，t1和t3为间隙时间，TC=t1+t2+t3。自然采样法以正弦波为调制波、等腰三角波为载波进行比较，在两个波形的自然交点时刻控制开关器件的通断，用正弦波作为调制信号的基准信号时，可获得脉宽与正弦波值对应的一系列等幅不等宽的脉冲，图1-61所得波形就是用PWM波代替正弦半波的波形。
图1-60 自然采样法形成的SPWM波
图1-61 用PWM波代替正弦半波的波形
图1-61所示脉冲序列信号用于逆变器电子开关的开通与关断控制时，改变正弦波基准信号的幅值和频率，即可相应地改变逆变器的输出电压与频率。图1-62所示为SPWM波形实际应用于单相桥式PWM逆变电路，负载为电感性，电力晶体管作为开关器件。电力晶体管的控制方法为：在正半周，让晶体管VT2、VT3一直处于截止状态，而让晶体管VT1一直保持导通、晶体管VT4交替通断。当VT1和VT4都导通时，负载上所加的电压为直流电源电压Ud。当VT1导通而VT4关断时，由于电感性负载中的电流不能突变，负载电流将通过二极管VD3续流，如果忽略晶体管和二极管的导通电压降，则负载上所加电压为零。如负载电流较大，那么直到使VT4再一次导通之前，VD3也一直持续导通。如负载电流较快地衰减到零，在VT4再次导通之前，负载电压也一直为零。这样输出负载上的电压就有0、Ud两种电平。同样在负半周，让VT1、VT4一直处于截止状态，而让VT2保持导通、VT3交替通断。当VT2、VT3都导通时，负载上加有电压-Ud，当VT3关断时，VT4续流，负载电压为零。因此，在负载上可得到-Ud和0两种电平。
图1-62 SPWM波形实际应用于单相桥式PWM逆变电路
以上分析可知，控制VT3或VT4的通断，就可使负载上得到SPWM波形。从载波和调制波频率之间的关系看，有同步调制、异步调制和分段调制三种。从PWM的极性来看，控制方式通常分为单极性方式和双极性方式。
如图1-63所示，三角波uc为载波，正弦波uf为调制波，在调制波uf的正半周内载波为正极性的三角波，在负半周内为负极性的三角波，当调制信号波为正弦波时，在uf和uc的交点时刻产生控制信号，用来控制VT3或VT4的通断，这样得到一组幅值相等而脉冲宽度正比于对应区间正弦波曲线函数值的矩形脉冲uo。SPWM逆变器输出基波电压的大小和频率均由调制电压来控制：当改变调制电压的幅值时，脉宽随之改变，即可改变输出电压的大小；当改变调制电压的频率时，输出电压频率随之改变。图1-63所示PWM波形只在一个方向上变化的控制方法称为单极性方式。
图1-63 单极性PWM控制的逆变器波形
如图1-64所示，三角波uc为载波，正弦波uf为调制波，在调制信号波uf的半周内，载波uc在正负两个方向上变化，所得到的PWM波形也是在两个方向上变化。当调制信号波为正弦波时，在uf和uc的交点时刻产生控制信号，用来控制VT3或VT4的通断，这样得到一组幅值相等而脉冲宽度正比于对应区间正弦波曲线函数值的矩形脉冲uo。SPWM逆变器输出基波电压的大小和频率均由调制电压来控制：当改变调制电压的幅值时，脉宽随之改变，即可改变输出电压的大小；当改变调制电压的频率时，输出电压频率随之改变。图1-64所示PWM波形在两个方向上变化的控制方法称为双极性方式。
图1-64 双极性PWM控制的逆变器波形
上面谈到的自然采样法是由模拟控制来实现的，是早期使用的方法，现在已很少使用。目前可由微机进行数字控制，或者采用SPWM专用集成芯片来产生SPWM波，有的单片机本身就带有SPWM端口。
1.11.3 变频器的电压空间矢量控制
电压空间矢量控制（磁通轨迹法）方式又称SVPWM控制方式，它是通过控制电动机的气隙磁通，减小低频时异步电动机的转矩脉动。因为电压矢量的积分是磁通矢量，其实质是磁通轨迹控制，使磁通的轨迹在圆周上以内切多边形逼近圆，通常有六边形磁通轨迹控制（见图1-65a）和圆形磁通轨迹控制（见图1-65b）。它们可用普通的PWM控制，可进行开环或闭环控制。因此，这种控制方式较U/f=C控制在性能有所提高，由于引入频率补偿，减小了电动机的脉动和噪声，所以能基本满足0～50Hz频率段的性能要求，适用于一般精度较低的调速设备。另外，将输出电压、电流闭环，能提高动态的精度和稳定度，但控制电路环节较多，且没有引入转矩的调节，所以系统性能没有得到根本改善。
1.11.4 变频器的矢量控制
矢量控制（磁场定向法）方式又称VC（Vector Control）控制方式，它实质是将交流电动机等效为直流电动机，分别对速度、磁场两个分量进行独立控制。具体是将异步电动机的定子电流矢量分解为产生磁场的电流分量（励磁电流）和产生转矩的电流分量（转矩电流），经过相应坐标变换与反变换，分别加以控制，并同时控制两个分量的幅值和相位，即控制定子电流矢量。
图1-65 空间电压矢量（磁通轨迹法）控制原理图
矢量控制方法成功实施后，使交流异步电动机变频调速后的机械特性以及动态变频性能都达到了与直流电动机调压时的调速性能不相上下的程度。它可调整变频器的输出电压，使电动机的输出转矩和电压的二次方成正比，从而改善电动机的输出转矩特性。它的优点是转矩可以连续平滑调节，调速范围较宽。矢量控制方法的提出具有划时代的意义，使用矢量控制，可以使电动机在较低速时的输出转矩达到额定转矩。然而在实际应用中，由于转子磁链难以准确观测，系统特性受电动机参数的影响较大，需要在线调整，且等效直流电动机控制过程中所用矢量旋转变换较复杂，使得实际的控制效果难以达到理想分析的结果。
1.11.5 变频器的直接转矩控制
1.直接转矩控制的基本原理
1985年，德国鲁尔大学的德彭布罗克（DePenbrock）教授首次提出了直接转矩控制变频技术。该技术在很大程度上解决了上述矢量控制的不足，并以新颖的控制思想、简洁明了的系统结构、优良的动静态性能得到了迅速发展。
直接转矩控制（Direct Torque Control，DTC）系统直接在定子坐标系下分析交流电动机的数学模型，控制电动机的定子磁链（而不是转子磁链）和转矩。它不需要将交流电动机等效为直流电动机，因而省去了矢量旋转变换中的许多复杂计算；它不需要模仿直流电动机的控制，也不需要为解耦而简化交流电动机的数学模型。
直接转矩控制的基本原理是把电动机和逆变器看作一个整体进行控制，逆变器所有开关状态的变化都以交流电动机的电磁过程为基础，将交流电动机的转矩控制和磁链控制有机地统一。直接转矩控制估计定子磁链时，由于定子磁链的估计只涉及定子电阻，所以对电动机参数的依赖性大大减弱，可以获得快速的转矩响应。
图1-66给出了直接转矩控制的原理框图。直接转矩控制将检测到的电动机定子电压和电流送入计算器，根据计算的结果分别控制异步电动机的转速和磁链。转速调节器（ASR）的输出作为电磁转矩的给定信号
，在
后面设置转矩内环，它可以抑制磁链变化对转速子系统的影响，从而使转速和磁链子系统实现了近似的解偶，因此能获得较高的静、动态性能。[3]
除转矩和磁链砰-砰控制外，直接转矩控制的核心问题就是转矩和定子磁链反馈信号的计算模型，以及如何根据两个砰-砰控制器的输出信号选择电压空间矢量和逆变器的开关状态。
图1-66 直接转矩控制的原理框图
DTC系统采用的是两相静止坐标（αβ坐标），图1-66中，根据给定定子磁链和反馈信号进行砰-砰控制，按控制程序选取电压空间矢量的作用顺序和持续时间。在电压空间矢量按磁链控制的同时，优先接受转矩的砰-砰控制。
2.直接转矩控制的特点
直接转矩控制系统和矢量控制系统都是已经获得实际应用的高性能交流调速系统。两者都采用转矩和磁链分别控制，这符合异步电动机动态数学模型所需的控制要求。直接转矩控制的特点如下：
1）直接转矩控制直接在定子坐标系下分析交流电动机的数学模型，避开了矢量控制中的两次坐标变换及求矢量模与相角的复杂计算工作，直接在静止的定子坐标系上计算电动机的转矩与磁通，它所需的信号处理工作简单。其使转矩响应时间控制在1拍以内，且无超调，控制性能更好。
2）直接转矩控制磁场定向所用的是定子磁链，只要知道定子电阻就可以把它观测出来；而矢量控制磁场定向所用的是转子磁链，观测转子磁链需要知道电动机转子电阻和电感。因此，直接转矩控制方式大大减少了矢量控制技术性能易受参数变化影响的问题。
3）直接转矩控制采用空间矢量的概念来分析三相交流电动机的数学模型和控制其各物理量，使问题变得简单明了。
4）直接转矩控制技术不需要专门的PWM波形发生器，因而控制线路简单，特别适用于电压型逆变器，方便实现数字化控制。
变频器直接转矩控制的具体特点还可以参见6.6.2节和9.7.4节实例中有关内容。
1.11.6 变频器几种控制方法的比较
1.11.1～1.11.5节的几种控制方式比较见表1-7。[1]
需要说明的是：传统的U/f控制精度不高，响应不够及时，往往无法满足低速大转矩负载或重载起动的电动机。采用了无速度传感器矢量控制的变频器仅需对三相电压、两相电流进行检测，即可根据预先自动测定的电动机模型，进行异步电动机的磁通和转矩解耦控制，实现低速大转矩负载起动和运行。从表1-7可以看出，实现低速大转矩负载起动和运行可选直接转矩控制。
表1-7 交-直-交变频器四种控制方式的比较
注：∗直接转矩控制，在带PG或编码器后，可拓宽至1∶1000，静态速度精度可达±0.01%。