變頻器的控制方式詳解

變頻調(diào)速技術(shù)是現(xiàn)代電力傳動(dòng)技術(shù)的重要發(fā)展方向，而作為變頻調(diào)速系統(tǒng)的核心—變頻器的性能也越來(lái)越成為調(diào)速性能優(yōu)劣的決定因素，除了變頻器本身制造工藝的“先天”條件外，對(duì)變頻器采用什么樣的控制方式也是非常重要的。本文從工業(yè)實(shí)際出發(fā)，綜述了近年來(lái)各種變頻器控制方式的特點(diǎn)，并展望了今后的發(fā)展方向。

1）變頻器的基本結(jié)構(gòu)

變頻器是把工頻電源（50Hz或60Hz）變換成各種頻率的交流電源，以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的變速運(yùn)行的設(shè)備，其中控制電路完成對(duì)主電路的控制，整流電路將交流電變換成直流電，直流中間電路對(duì)整流電路的輸出進(jìn)行平滑濾波，逆變電路將直流電再逆變成交流電。對(duì)于如矢量控制變頻器這種需要大量運(yùn)算的變頻器來(lái)說(shuō)，有時(shí)還需要一個(gè)進(jìn)行轉(zhuǎn)矩計(jì)算的CPU以及一些相應(yīng)的電路。

2）變頻器的分類

變頻器的分類方法有多種，按照主電路工作方式分類，可以分為電壓型變頻器和電流型變頻器；按照開(kāi)關(guān)方式分類，可以分為PAM控制變頻器、PWM控制變頻器和高載頻PWM控制變頻器；按照工作原理分類，可以分為V/f控制變頻器、轉(zhuǎn)差頻率控制變頻器和矢量控制變頻器等；按照用途分類，可以分為通用變頻器、高性能專用變頻器、高頻變頻器、單相變頻器和三相變頻器等。

對(duì)于控制方式，要根據(jù)生產(chǎn)機(jī)械的具體要求來(lái)進(jìn)行選擇。

1、二次方律負(fù)載 對(duì)于離心式風(fēng)機(jī)、水泵和空氣壓縮機(jī)一類的二次方律負(fù)載，一般采用V/F控制方式為宜。因?yàn)閂/F控制方式有低勵(lì)磁U/f線，在低頻運(yùn)行時(shí)可以更好地節(jié)能。矢量控制方式實(shí)質(zhì)上是使電動(dòng)機(jī)始終保持額定磁通的控制方式，不可能實(shí)現(xiàn)低勵(lì)磁。 2.恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載

（1）對(duì)于負(fù)載率經(jīng)常變動(dòng)、調(diào)速范圍又不很大的負(fù)載，一般以選擇無(wú)反饋矢量控制為好，因?yàn)閂/F控制方式的“轉(zhuǎn)矩提升量”不易預(yù)置得恰到好處，但采用無(wú)饋矢量控制方式時(shí)，須注意：

1）必須進(jìn)行電動(dòng)機(jī)參數(shù)的自測(cè)定。

2、如最低工作頻率在5Hz以下時(shí)，需要了解所選的變頻器品牌的低頻運(yùn)行特性。部分變頻器在無(wú)反饋矢量控制方式下低頻運(yùn)行時(shí)，常不夠穩(wěn)定。

（2）對(duì)于負(fù)載率穩(wěn)定不變的負(fù)載，可采用V/F控制方式，因?yàn)榭梢赃x用價(jià)格較低廉的沒(méi)有矢量控制功能的通用型變頻器。

（3）起重機(jī)械采用“有反饋矢量控制”方式，部分變頻器可以采用“無(wú)反饋矢量控制”方式。

　　3、恒功率負(fù)載

（1）卷繞機(jī)械可以采用V/F控制方式或“無(wú)反饋矢量控制”方式。

（2）金屬切削機(jī)床因?yàn)閷?duì)動(dòng)態(tài)響應(yīng)要求較高，最好采用“有饋矢量控制”方式。

恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載：P = ML *n/ 9550，ML為轉(zhuǎn)矩恒定，功率與轉(zhuǎn)速成正比 恒功率負(fù)載：ML = 9550P/ n，功率P恒定，轉(zhuǎn)矩與速度成反比。

1、變頻器控制方式之U/f=C的正弦脈寬調(diào)制（SPWM）

變頻器的SPWM控制方式的特點(diǎn)是控制電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本較低，機(jī)械特性硬度也較好，能夠滿足一般傳動(dòng)的平滑調(diào)速要求，已在產(chǎn)業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。但是，這種控制方式在低頻時(shí)，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(jī)械特性終究沒(méi)有直流電動(dòng)機(jī)硬，動(dòng)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(huì)隨負(fù)載的變化而變化，轉(zhuǎn)矩響應(yīng)慢、電機(jī)轉(zhuǎn)矩利用率不高，低速時(shí)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。

2、變頻器控制方式之電壓空間矢量（SVPWM）

變頻器的SVPWM控制方式是以三相波形整體生成效果為前提，以逼近電機(jī)氣隙的理想圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)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(jìn)行控制的。經(jīng)實(shí)踐使用后又有所改進(jìn)，即引入頻率補(bǔ)償，能消除速度控制的誤差；通過(guò)反饋估算磁鏈幅值，消除低速時(shí)定子電阻的影響；將輸出電壓、電流閉環(huán)，以提高動(dòng)態(tài)的精度和穩(wěn)定度。但控制電路環(huán)節(jié)較多，且沒(méi)有引入轉(zhuǎn)矩的調(diào)節(jié)，所以系統(tǒng)性能沒(méi)有得到根本改善。

3、變頻器控制方式之矢量控制（VC）方式

變頻器的VC控制方式的做法是將異步電動(dòng)機(jī)在三相坐標(biāo)系下的定子電流Ia、Ib、Ic、通過(guò)三相－二相變換，等效成兩相靜止坐標(biāo)系下的交流電流Ia1Ib1，再通過(guò)按轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向旋轉(zhuǎn)變換，等效成同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的直流電流Im1、It1（Im1相當(dāng)于直流電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流；It1相當(dāng)于與轉(zhuǎn)矩成正比的電樞電流），然后模仿直流電動(dòng)機(jī)的控制方法，求得直流電動(dòng)機(jī)的控制量，經(jīng)過(guò)相應(yīng)的坐標(biāo)反變換，實(shí)現(xiàn)對(duì)異步電動(dòng)機(jī)的控制。其實(shí)質(zhì)是將交流電動(dòng)機(jī)等效為直流電動(dòng)機(jī)，分別對(duì)速度，磁場(chǎng)兩個(gè)分量進(jìn)行獨(dú)立控制。

通過(guò)控制轉(zhuǎn)子磁鏈，然后分解定子電流而獲得轉(zhuǎn)矩和磁場(chǎng)兩個(gè)分量，經(jīng)坐標(biāo)變換，實(shí)現(xiàn)正交或解耦控制。矢量控制方法的提出具有劃時(shí)代的意義。然而在實(shí)際應(yīng)用中，由于轉(zhuǎn)子磁鏈難以準(zhǔn)確觀測(cè)，系統(tǒng)特性受電動(dòng)機(jī)參數(shù)的影響較大，且在等效直流電動(dòng)機(jī)控制過(guò)程中所用矢量旋轉(zhuǎn)變換較復(fù)雜，使得實(shí)際的控制效果難以達(dá)到理想分析的結(jié)果。

4、變頻器控制方式之直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC）方式

變頻器的DTC控制方式源于1985年，德國(guó)魯爾大學(xué)的DePenbrock教授，他首次提出了直接轉(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(jiǎn)潔明了的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、優(yōu)良的動(dòng)靜態(tài)性能得到了迅速發(fā)展。

目前，該技術(shù)已成功地應(yīng)用在電力機(jī)車牽引的大功率交流傳動(dòng)上。直接轉(zhuǎn)矩控制直接在定子坐標(biāo)系下分析交流電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型，控制電動(dòng)機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩。它不需要將交流電動(dòng)機(jī)等效為直流電動(dòng)機(jī)，因而省去了矢量旋轉(zhuǎn)變換中的許多復(fù)雜計(jì)算；它不需要模仿直流電動(dòng)機(jī)的控制，也不需要為解耦而簡(jiǎn)化交流電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型。

5、變頻器控制方式之矩陣式交—交方式

變頻器的矩陣式交-交方式省去了中間直流環(huán)節(jié)，從而省去了體積大、價(jià)格貴的電解電容。它能實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)為l，輸入電流為正弦且能四象限運(yùn)行，系統(tǒng)的功率密度大。該技術(shù)目前雖尚未成熟，但仍吸引著眾多的學(xué)者深入研究。其實(shí)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(lái)實(shí)現(xiàn)的。

具體方法是：

1）控制定子磁鏈引入定子磁鏈觀測(cè)器，實(shí)現(xiàn)無(wú)速度傳感器方式；

2）自動(dòng)識(shí)別（ID）依靠精確的電機(jī)數(shù)學(xué)模型，對(duì)電機(jī)參數(shù)自動(dòng)識(shí)別；

3）算出實(shí)際值對(duì)應(yīng)定子阻抗、互感、磁飽和因素、慣量等算出實(shí)際的轉(zhuǎn)矩、定子磁鏈、轉(zhuǎn)子速度進(jìn)行實(shí)時(shí)控制；

4）實(shí)現(xiàn)Band—Band控制按磁鏈和轉(zhuǎn)矩的Band—Band控制產(chǎn)生PWM信號(hào)，對(duì)逆變器開(kāi)關(guān)狀態(tài)進(jìn)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(wú)PG反饋），高轉(zhuǎn)矩精度（＋3％）；同時(shí)還具有較高的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩及高轉(zhuǎn)矩精度，尤其在低速時(shí)（包括0速度時(shí)），可輸出150％～200％轉(zhuǎn)矩。

當(dāng)然，看到這里并不是說(shuō)變頻器就可以完全弄明白了，更好地理解變頻器工作原理還需要各位在理解上述知識(shí)的前提下去分解套用到現(xiàn)實(shí)中，再驗(yàn)證才能算是弄明白了變頻器的工作原理（傳說(shuō)中的廢話：實(shí)踐出真知）。