變頻器的控制方式詳解

變頻調速技術是現(xiàn)代電力傳動技術的重要發(fā)展方向，而作為變頻調速系統(tǒng)的核心—變頻器的性能也越來越成為調速性能優(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)實際出發(fā)，綜述了近年來各種變頻器控制方式的特點，并展望了今后的發(fā)展方向。

1）變頻器的基本結構

變頻器是把工頻電源（50Hz或60Hz）變換成各種頻率的交流電源，以實現(xiàn)電機的變速運行的設備，其中控制電路完成對主電路的控制，整流電路將交流電變換成直流電，直流中間電路對整流電路的輸出進行平滑濾波，逆變電路將直流電再逆變成交流電。對于如矢量控制變頻器這種需要大量運算的變頻器來說，有時還需要一個進行轉矩計算的CPU以及一些相應的電路。

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；按照開關方式分類，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。

對于控制方式，要根據(jù)生產機械的具體要求來進行選擇。

1、二次方律負載 對于離心式風機、水泵和空氣壓縮機一類的二次方律負載，一般采用V/F控制方式為宜。因為V/F控制方式有低勵磁U/f線，在低頻運行時可以更好地節(jié)能。矢量控制方式實質上是使電動機始終保持額定磁通的控制方式，不可能實現(xiàn)低勵磁。 2.恒轉矩負載

（1）對于負載率經常變動、調速范圍又不很大的負載，一般以選擇無反饋矢量控制為好，因為V/F控制方式的“轉矩提升量”不易預置得恰到好處，但采用無饋矢量控制方式時，須注意：

1）必須進行電動機參數(shù)的自測定。

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

（2）對于負載率穩(wěn)定不變的負載，可采用V/F控制方式，因為可以選用價格較低廉的沒有矢量控制功能的通用型變頻器。

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

　　3、恒功率負載

（1）卷繞機械可以采用V/F控制方式或“無反饋矢量控制”方式。

（2）金屬切削機床因為對動態(tài)響應要求較高，最好采用“有饋矢量控制”方式。

恒轉矩負載：P = ML *n/ 9550，ML為轉矩恒定，功率與轉速成正比 恒功率負載：ML = 9550P/ n，功率P恒定，轉矩與速度成反比。

1、變頻器控制方式之U/f=C的正弦脈寬調制（SPWM）

變頻器的SPWM控制方式的特點是控制電路結構簡單、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速要求，已在產業(yè)的各個領域得到廣泛應用。但是，這種控制方式在低頻時，由于輸出電壓較低，轉矩受定子電阻壓降的影響比較顯著，使輸出最大轉矩減小。另外，其機械特性終究沒有直流電動機硬，動態(tài)轉矩能力和靜態(tài)調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，轉矩響應慢、電機轉矩利用率不高，低速時因定子電阻和逆變器死區(qū)效應的存在而性能下降，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，以逼近電機氣隙的理想圓形旋轉磁場軌跡為目的，一次生成三相調制波形，以內切多邊形逼近圓的方式進行控制的。經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，且沒有引入轉矩的調節(jié)，所以系統(tǒng)性能沒有得到根本改善。

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，再通過按轉子磁場定向旋轉變換，等效成同步旋轉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，經過相應的坐標反變換，實現(xiàn)對異步電動機的控制。其實質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。

通過控制轉子磁鏈，然后分解定子電流而獲得轉矩和磁場兩個分量，經坐標變換，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。然而在實際應用中，由于轉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變換較復雜，使得實際的控制效果難以達到理想分析的結果。

4、變頻器控制方式之直接轉矩控制（DTC）方式

變頻器的DTC控制方式源于1985年，德國魯爾大學的DePenbrock教授，他首次提出了直接轉矩控制變頻技術。該技術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)結構、優(yōu)良的動靜態(tài)性能得到了迅速發(fā)展。

目前，該技術已成功地應用在電力機車牽引的大功率交流傳動上。直接轉矩控制直接在定子坐標系下分析交流電動機的數(shù)學模型，控制電動機的磁鏈和轉矩。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變換中的許多復雜計算；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。該技術目前雖尚未成熟，但仍吸引著眾多的學者深入研究。其實質不是間接的控制電流、磁鏈等量，而是把轉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)學模型，對電機參數(shù)自動識別；

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

4）實現(xiàn)Band—Band控制按磁鏈和轉矩的Band—Band控制產生PWM信號，對逆變器開關狀態(tài)進行控制。

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

當然，看到這里并不是說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的前提下去分解套用到現(xiàn)實中，再驗證才能算是弄明白了變頻器的工作原理（傳說中的廢話：實踐出真知）。