變頻器的工作原理與控制方式及應(yīng)用選型

1、變頻器的原理與控制及選型高軍才江蘇金橋鹽化集團供電分公司摘 要：本文介紹了變頻器的工作原理和控制方式，以及如何選擇合理的型號。文中遵循理論和實際相結(jié)合的原則，對變頻器的工作原理和控制方式作了對比和分析，并且對變頻器應(yīng)用和選型過程中的注意事項以及如何根據(jù)負載的性質(zhì)來確定選用變頻器的型號進行了較詳細的說明。關(guān)鍵詞：變頻器 工作原理 控制方式 應(yīng)用選型異步電動機是電力、化工等生產(chǎn)企業(yè)最主要的動力設(shè)備。作為高能耗設(shè)備，其輸出功率不能隨負荷按比例變化，大部分只能通過擋板或閥門的開度來調(diào)節(jié)，而電動機消耗的能量變化不大，從而造成很大的能量損耗。變頻技術(shù)是應(yīng)交流電機無級調(diào)速的需要而誕生的。近年來，隨著電力電子

2、技術(shù)、微電子技術(shù)及大規(guī)模集成電路的發(fā)展，生產(chǎn)工藝的改進及功率半導(dǎo)體器件價格的降低，變頻調(diào)速越來越被工業(yè)上所采用。使用變頻器對電動機電源進行技術(shù)改造成為各企業(yè)節(jié)能降耗、提高效率的重要手段。1變頻器工作原理1.1變頻調(diào)速原理 n60 f（1s）/p （1）式中n-異步電動機的轉(zhuǎn)速； f-異步電動機的頻率； s-電動機轉(zhuǎn)差率； p-電動機極對數(shù)。由式（1）可知，轉(zhuǎn)速n與頻率f成正比，只要改變頻率f即可改變電動機的轉(zhuǎn)速，當(dāng)頻率f在050Hz的范圍內(nèi)變化時，電動機轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍非常寬。變頻調(diào)速就是通過改變電動機電源頻率實現(xiàn)速度調(diào)節(jié)的。變頻器主要采用交-直-交方式，先把工頻交流電源通過整流器轉(zhuǎn)換成直流電源，

3、然后再把直流電源轉(zhuǎn)換成頻率、電壓均可控制的交流電源以供給電動機。變頻器的電路一般由整流、中間直流環(huán)節(jié)、逆變和控制4個部分組成。整流部分為三相橋式不可控整流器，逆變部分為IGBT三相橋式逆變器，且輸出為PWM波形，中間直流環(huán)節(jié)為濾波、直流儲能和緩沖無功功率。1.2諧波抑制變頻器使用的突出問題就是諧波干擾，當(dāng)變頻器工作時，輸出電流的諧波電流會對電源造成干擾。雖然各變頻器廠家對變頻器諧波的治理均采取了措施且基本達到國家標(biāo)準要求，但諧波仍然是變頻器選型和使用中最需要關(guān)注的問題。變頻器的輸出電壓中含有除基波以外的其他諧波。較低次諧波通常對電機負載影響較大，引起轉(zhuǎn)矩脈動，而較高的諧波又使變頻器輸出電纜的漏

4、電流增加，使電機出力不足，故變頻器輸出的高低次諧波都必須抑制。2變頻器控制方式2.1U/f=C的正弦脈寬調(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)

5、速。2.2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。2.3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(biāo)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(biāo)系下的交流電流Ia1Ib1，再通過按轉(zhuǎn)子磁場定向旋

6、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)于直流電動機的勵磁電流；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(biāo)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(biāo)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

7、。2.4直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC）方式直接轉(zhuǎn)矩控制直接在定子坐標(biāo)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。2.5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

8、入電流為正弦且能四象限運行，系統(tǒng)的功率密度大。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。3變頻器控制方式的合理選用控制方式是決定變頻器使用性能的關(guān)鍵所在。目前市場上低壓通用變頻器品牌很多，包括歐、美、日及國產(chǎn)的共約50多種。選用變頻器時不要認為檔次越高越好，而要按負載的特性，以滿足使用要求為準，以便做到量才使用、經(jīng)濟實惠。4轉(zhuǎn)矩控制型變頻器的選型及相關(guān)問題基于調(diào)速方便、節(jié)能、運行可靠的優(yōu)點，變頻調(diào)速器已逐漸替代傳統(tǒng)的變極調(diào)速、電磁調(diào)速和調(diào)壓調(diào)速方式。在推出PWM磁通矢量控制的變頻器數(shù)年后，又出現(xiàn)采用DTC控制技術(shù)的變頻器，它能夠用開環(huán)方式對轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩進行準確控制，

9、而且動態(tài)和靜態(tài)指標(biāo)已優(yōu)于PWM閉環(huán)控制指標(biāo)。直接轉(zhuǎn)矩控制以測量電機電流和直流電壓作為自適應(yīng)電機模型的輸入。該模型每隔25s產(chǎn)生一組精確的轉(zhuǎn)矩和磁通實際值，轉(zhuǎn)矩比較器和磁通比較器將轉(zhuǎn)矩和磁通的實際值與轉(zhuǎn)矩和磁通的給定值進行比較，以確定最佳開關(guān)位置。由此可以看出它是通過對轉(zhuǎn)矩和磁通的測量，即刻調(diào)整逆變電路的開關(guān)狀態(tài)，進而調(diào)整電機的轉(zhuǎn)矩和磁通，以達到精確控制的目的。4.1選型原則首先要根據(jù)機械對轉(zhuǎn)速(最高、最低)和轉(zhuǎn)矩(起動、連續(xù)及過載)的要求，確定機械要求的最大輸入功率(即電機的額定功率最小值)。有經(jīng)驗公式P=nT/9950(kW)式中:P-機械要求的輸入功率(kW)；n-機械轉(zhuǎn)速(r/min)；

10、T-機械的最大轉(zhuǎn)矩(N•m)。然后，選擇電機的極數(shù)和額定功率。電機的極數(shù)決定了同步轉(zhuǎn)速，要求電機的同步轉(zhuǎn)速盡可能地覆蓋整個調(diào)速范圍，使連續(xù)負載容量高一些。為了充分利用設(shè)備潛能，避免浪費，可允許電機短時超出同步轉(zhuǎn)速，但必須小于電機允許的最大轉(zhuǎn)速。轉(zhuǎn)矩取設(shè)備在起動、連續(xù)運行、過載或最高轉(zhuǎn)速等狀態(tài)下的最大轉(zhuǎn)矩。最后，根據(jù)變頻器輸出功率和額定電流稍大于電機的功率和額定電流的原則來確定變頻器的參數(shù)與型號。需要注意的是，變頻器的額定容量及參數(shù)是針對一定的海拔高度和環(huán)境溫度而標(biāo)出的，一般指海拔1000m以下，溫度在40或25以下。若使用環(huán)境超出該規(guī)定，則在確定變頻器參數(shù)、型號時要考慮到環(huán)

11、境造成的降容因素。4.2變頻器的外部配置及應(yīng)注意的問題選擇合適的外部熔斷器，以避免因內(nèi)部短路對整流器件的損壞變頻器的型號確定后，若變頻器內(nèi)部整流電路前沒有保護硅器件的快速熔斷器，變頻器與電源之間應(yīng)配置符合要求的熔斷器和隔離開關(guān)，不能用空氣斷路器代替熔斷器和隔離開關(guān)。選擇變頻器的引入和引出電纜根據(jù)變頻器的功率選擇導(dǎo)線截面合適的三芯或四芯屏蔽動力電纜。尤其是從變頻器到電機之間的動力電纜一定要選用屏蔽結(jié)構(gòu)的電纜，且要盡可能短，這樣可降低電磁輻射和容性漏電流。當(dāng)電纜長度超過變頻器所允許的輸出電纜長度時，電纜的雜散電容將影響變頻器的正常工作，為此要配置輸出電抗器。對于控制電纜，尤其是I/0信號電纜也要用

12、屏蔽結(jié)構(gòu)的。對于變頻器的外圍元件與變頻器之間的連接電纜其長度不得超過10m。在輸入側(cè)裝交流電抗器或EMC濾波器根據(jù)變頻器安裝場所的其它設(shè)備對電網(wǎng)品質(zhì)的要求，若變頻器工作時已影響到這些設(shè)備的正常運行，可在變頻器輸入側(cè)裝交流電抗器或EMC濾波器，抑制由功率器件通斷引起的電磁干擾。若與變頻器連接的電網(wǎng)的變壓器中性點不接地，則不能選用EMC濾波器。當(dāng)變頻器用500V以上電壓驅(qū)動電機時，需在輸出側(cè)配置du/dt濾波器，以抑制逆變輸出電壓尖峰和電壓的變化，有利于保護電機，同時也降低了容性漏電流和電機電纜的高頻輻射，以及電機的高頻損耗和軸承電流。使用du/dt濾波器時要注意濾波器上的電壓降將引起電機轉(zhuǎn)矩的稍微降低；變頻器與濾波器之間電纜長度不得超過3m。5結(jié)束語變頻器的選型是一項需要認真對待的工作，選擇時應(yīng)按實際的負載特性，以滿足使用要求