變頻器的控制方式詳解-基礎(chǔ)電子

精品文檔-下載后可編輯變頻器的控制方式詳解-基礎(chǔ)電子變頻調(diào)速技術(shù)是現(xiàn)代電力傳動技術(shù)的重要發(fā)展方向，而作為變頻調(diào)速系統(tǒng)的—變頻器的性能也越來越成為調(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(diǎn)，并展望了今后的發(fā)展方向。

變頻器簡介

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，以實現(xiàn)電機(jī)的變速運(yùn)行的設(shè)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(jìn)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(yùn)算的變頻器來說，有時還需要一個進(jìn)行轉(zhuǎn)矩計算的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。

變頻器控制方式選擇依據(jù)

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

1、二次方律負(fù)載對于離心式風(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。因為V/F控制方式有低勵磁U/f線，在低頻運(yùn)行時可以更好地節(jié)能。矢量控制方式實質(zhì)上是使電動機(jī)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(zhuǎn)矩負(fù)載

（1）對于負(fù)載率經(jīng)常變動、調(diào)速范圍又不很大的負(fù)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(zhuǎn)矩提升量”不易預(yù)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(jìn)行電動機(jī)參數(shù)的自測定。

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

（2）對于負(fù)載率穩(wěn)定不變的負(fù)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(jī)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(fù)載

（1）卷繞機(jī)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(jī)床因為對動態(tài)響應(yīng)要求較高，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。

變頻器的控制方式詳解

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)簡單、成本較低，機(jī)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，使輸出轉(zhuǎn)矩減小。另外，其機(jī)械特性終究沒有直流電動機(jī)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(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)磁場軌跡為目的，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。

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(jī)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(jī)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(jī)的控制方法，求得直流電動機(jī)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(jī)的控制。其實質(zhì)是將交流電動機(jī)等效為直流電動機(jī)，分別對速度，磁場兩個分量進(jìn)行獨(dú)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(zhǔn)確觀測，系統(tǒng)特性受電動機(jī)參數(shù)的影響較大，且在等效直流電動機(jī)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(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。

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上。直接轉(zhuǎn)矩控制直接在定子坐標(biāo)系下分析交流電動機(jī)的數(shù)學(xué)模型，控制電動機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩。它不需要將交流電動機(jī)等效為直流電動機(jī)，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(jī)的控制，也不需要為解耦而簡化交流電動機(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(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）依靠的電機(jī)數(shù)學(xué)模型，對電機(jī)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(jìn)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(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PG反饋），高轉(zhuǎn)矩精度（＋3％）；