變頻器的工作原理和控制方式

一、工作原理

變頻器（Variable-frequency Drive，VFD）是應(yīng)用變頻技術(shù)與微電子技術(shù)，通過改變電機工作電源頻率方式來控制交流電動機的電力控制設(shè)備。變頻器主要由整流（交流變直流）、濾波、逆變（直流變交流）、制動單元、驅(qū)動單元、檢測單元微處理單元等組成。變頻器靠內(nèi)部IGBT的開斷來調(diào)整輸出電源的電壓和頻率，根據(jù)電機的實際需要來提供其所需要的電源電壓，進而達到節(jié)能、調(diào)速的目的，另外，變頻器還有很多的保護功能，如過流、過壓、過載保護等等。隨著工業(yè)自動化程度的不斷提高，變頻器也得到了非常廣泛的應(yīng)用。 

二、控制方式

低壓通用變頻輸出電壓為380～650V，輸出功率為0.75～400kW，工作頻率為0～400Hz，它的主電路都采用交—直—交電路。其控制方式經(jīng)歷了以下四代。 

正弦脈寬調(diào)制(SPWM)控制方式

其特點是控制電路結(jié)構(gòu)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(diào)速要求，已在產(chǎn)業(yè)的各個領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。但是，這種控制方式在低頻時，由于輸出電壓較低，轉(zhuǎn)矩受定子電阻壓降的影響比較顯著，使輸出最大轉(zhuǎn)矩減小。另外，其機械特性終究沒有直流電動機硬，動態(tài)轉(zhuǎn)矩能力和靜態(tài)調(diào)速性能都還不盡如人意，且系統(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、電機轉(zhuǎn)矩利用率不高，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，穩(wěn)定性變差等。因此人們又研究出矢量控制變頻調(diào)速。 

電壓空間矢量(SVPWM)控制方式

它是以三相波形整體生成效果為前提，以逼近電機氣隙的理想圓形旋轉(zhuǎn)磁場軌跡為目的，一次生成三相調(diào)制波形，以內(nèi)切多邊形逼近圓的方式進行控制的。經(jīng)實踐使用后又有所改進，即引入頻率補償，能消除速度控制的誤差；通過反饋估算磁鏈幅值，消除低速時定子電阻的影響；將輸出電壓、電流閉環(huán)，以提高動態(tài)的精度和穩(wěn)定度。但控制電路環(huán)節(jié)較多，且沒有引入轉(zhuǎn)矩的調(diào)節(jié)，所以系統(tǒng)性能沒有得到根本改善。 

矢量控制(VC)方式

矢量控制變頻調(diào)速的做法是將異步電動機在三相坐標系下的定子電流Ia、Ib、Ic、通過三相－二相變換，等效成兩相靜止坐標系下的交流電流Ia1Ib1，再通過按轉(zhuǎn)子磁場定向旋轉(zhuǎn)變換，等效成同步旋轉(zhuǎn)坐標系下的直流電流Im1、It1(Im1相當于直流電動機的勵磁電流；It1相當于與轉(zhuǎn)矩成正比的電樞電流)，然后模仿直流電動機的控制方法，求得直流電動機的控制量，經(jīng)過相應(yīng)的坐標反變換，實現(xiàn)對異步電動機的控制。其實質(zhì)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。通過控制轉(zhuǎn)子磁鏈，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)特性受電動機參數(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。 

直接轉(zhuǎn)矩控制(DTC)方式

1985年，德國魯爾大學(xué)的DePenbrock教授首次提出了直接轉(zhuǎn)矩控制變頻技術(shù)。該技術(shù)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(tǒng)結(jié)構(gòu)、優(yōu)良的動靜態(tài)性能得到了迅速發(fā)展。該技術(shù)已成功地應(yīng)用在電力機車牽引的大功率交流傳動上。 直接轉(zhuǎn)矩控制直接在定子坐標系下分析交流電動機的數(shù)學(xué)模型，控制電動機的磁鏈和轉(zhuǎn)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(zhuǎn)變換中的許多復(fù)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(shù)學(xué)模型。 

矩陣式交—交控制方式

VVVF變頻、矢量控制變頻、直接轉(zhuǎn)矩控制變頻都是交—直—交變頻中的一種。其共同缺點是輸入功率因數(shù)低，諧波電流大，直流電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。為此，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l，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)雖尚未成熟，但仍吸引著眾多的學(xué)者深入研究。其實質(zhì)不是間接的控制電流、磁鏈等量，而是把轉(zhuǎn)矩直接作為被控制量來實現(xiàn)的。具體方法是： 

1、控制定子磁鏈引入定子磁鏈觀測器，實現(xiàn)無速度傳感器方式； 

2、自動識別(ID)依靠精確的電機數(shù)學(xué)模型，對電機參數(shù)自動識別； 

3、算出實際值對應(yīng)定子阻抗、互感、磁飽和因素、慣量等算出實際的轉(zhuǎn)矩、定子磁鏈、轉(zhuǎn)子速度進行實時控制； 

4、實現(xiàn)Band—Band控制按磁鏈和轉(zhuǎn)矩的Band—Band控制產(chǎn)生PWM信號，對逆變器開關(guān)狀態(tài)進行控制。 

矩陣式交—交變頻具有快速的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)(<2ms)，很高的速度精度(±2%，無PG反饋)，高轉(zhuǎn)矩精度(<+3%)；同時還具有較高的起動轉(zhuǎn)矩及高轉(zhuǎn)矩精度，尤其在低速時(包括0速度時)，可輸出150%～200%轉(zhuǎn)矩。 

三、變頻器的選用

選用變頻器的類型，按照生產(chǎn)機械的類型、調(diào)速范圍、靜態(tài)速度精度、起動轉(zhuǎn)矩的要求，決定選用那種控制方式的變頻器最合適。所謂合適是既要好用，又要經(jīng)濟，以滿足工藝和生產(chǎn)的基本條件和要求 。

需要控制的電機及變頻器自身

1）電機的極數(shù)。一般電機極數(shù)以不多于(極為宜，否則變頻器容量就要適當加大。

2）轉(zhuǎn)矩特性、臨界轉(zhuǎn)矩、加速轉(zhuǎn)矩。在同等電機功率情況下，相對于高過載轉(zhuǎn)矩模式，變頻器規(guī)格可以降額選取。3）電磁兼容性。為減少主電源干擾，使用時可在中間電路或變頻器輸入電路中增加電抗器，或安裝前置隔離變壓器。一般當電機與變頻器距離超過50m時，應(yīng)在它們中間串入電抗器、濾波器或采用屏蔽防護電纜 。

變頻器功率的選用

系統(tǒng)效率等于變頻器效率與電動機效率的乘積，只有兩者都處在較高的效率下工作時，則系統(tǒng)效率才較高。從效率角度出發(fā)，在選用變頻器功率時，要注意以下幾點：

1）變頻器功率值與電動機功率值相當時最合適，以利變頻器在高的效率值下運轉(zhuǎn)。

2）在變頻器的功率分級與電動機功率分級不相同時，則變頻器的功率要盡可能接近電動機的功率，但應(yīng)略大于電動機的功率。

3）當電動機屬頻繁起動、制動工作或處于重載起動且較頻繁工作時，可選取大一級的變頻器，以利用變頻器長期、安全地運行。

4）經(jīng)測試，電動機實際功率確實有富余，可以考慮選用功率小于電動機功率的變頻器，但要注意瞬時峰值電流是否會造成過電流保護動作。

5）當變頻器與電動機功率不相同時，則必須相應(yīng)調(diào)整節(jié)能程序的設(shè)置，以利達到較高的節(jié)能效果 。

變頻器箱體結(jié)構(gòu)的選用

變頻器的箱體結(jié)構(gòu)要與環(huán)境條件相適應(yīng)，即必須考慮溫度、濕度、粉塵、酸堿度、腐蝕性氣體等因素。常見有下列幾種結(jié)構(gòu)類型可供用戶選用：

1）敞開型IPOO型本身無機箱，適用裝在電控箱內(nèi)或電氣室內(nèi)的屏、盤、架上，尤其是多臺變頻器集中使用時，選用這種型式較好，但環(huán)境條件要求較高；

2）封閉型IP20型適用一般用途，可有少量粉塵或少許溫度、濕度的場合；

3）密封型IP45型適用工業(yè)現(xiàn)場條件較差的環(huán)境；

4）密閉型IP65型適用環(huán)境條件差，有水、塵及一定腐蝕性氣體的場合 。

變頻器容量的確定

合理的容量選擇本身就是一種節(jié)能降耗措施。根據(jù)現(xiàn)有資料和經(jīng)驗，比較簡便的方法有三種：

1）電機實際功率確定發(fā)。首先測定電機的實際功率，以此來選用變頻器的容量。

2）公式法。當一臺變頻器用于多臺電機時，應(yīng)滿足：至少要考慮一臺電動機啟動電流的影響，以避免變頻器過流跳閘。

3）電機額定電流法變頻器。

變頻器容量選定過程，實際上是一個變頻器與電機的最佳匹配過程，最常見、也較安全的是使變頻器的容量大于或等于電機的額定功率，但實際匹配中要考慮電機的實際功率與額定功率相差多少，通常都是設(shè)備所選能力偏大，而實際需要的能力小，因此按電機的實際功率選擇變頻器是合理的，避免選用的變頻器過大，使投資增大。對于輕負載類，變頻器電流一般應(yīng)按1.1N（N為電動機額定電流）來選擇，或按廠家在產(chǎn)品中標明的與變頻器的輸出功率額定值相配套的最大電機功率來選擇 。

主電源

1）電源電壓及波動。應(yīng)特別注意與變頻器低電壓保護整定值相適應(yīng)，因為在實際使用中，電網(wǎng)電壓偏低的可能性較大。

2）主電源頻率波動和諧波干擾。這方面的干擾會增加變頻器系統(tǒng)的熱損耗，導(dǎo)致噪聲增加，輸出降低。

3）變頻器和電機在工作時，自身的功率消耗。在進行系統(tǒng)主電源供電設(shè)計時，兩者的功率消耗因素都應(yīng)考慮進去 。

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