變頻器工作原理圖解_變頻器常用控制方式_矢量變頻器工作原理

　　通常，把電壓和頻率固定不變的交流電變換為電壓或頻率可變的交流電的裝置稱作“變頻器”。該設(shè)備首先要把三相或單相交流電變換為直流電（DC）。然后再把直流電（DC）變換為三相或單相交流電（AC）。變頻器同時(shí)改變輸出頻率與電壓，也就是改變了電機(jī)運(yùn)行曲線上的n0，使電機(jī)運(yùn)行曲線平行下移。因此變頻器可以使電機(jī)以較小的啟動(dòng)電流，獲得較大的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，即變頻器可以啟動(dòng)重載負(fù)荷。變頻器具有調(diào)壓、調(diào)頻、穩(wěn)壓、調(diào)速等基本功能，應(yīng)用了現(xiàn)代的科學(xué)技術(shù)，價(jià)格昂貴但性能良好，內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜但使用簡單，所以不只是用于啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)，而是廣泛的應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域，各種各樣的功率、各種各樣的外形、各種各樣的體積、各種各樣的用途等都有。隨著技術(shù)的發(fā)展，成本的降低，變頻器一定還會(huì)得到更廣泛的應(yīng)用。

　　1 變頻器的工作原理變頻器分為 1 交---交型 輸入是交流，輸出也是交流將工頻交流電直接轉(zhuǎn)換成頻率、電壓均可控制的交流，又稱 直接式變頻器2 交—直---交型 輸入是交流，變成直流 再變成交流輸出將工頻交流電通過整流變成直流電，然后再把直流電變成頻率、電壓、均可控的交流電又稱為間接變頻器。多數(shù)情況都是交直交型的變頻器。2 變頻器的組成由主電路和控制電路組成主電路 由整流器 中間直流環(huán)節(jié) 逆變器 組成先看主電路原理圖三相工頻交流電 經(jīng)過VD1 ~ VD6 整流后，正極送入到緩沖電阻RL中，RL的作用是防止電流忽然變大。經(jīng)過一段時(shí)間電流趨于穩(wěn)定后，晶閘管或繼電器的觸點(diǎn)會(huì)導(dǎo)通短路掉緩沖電阻RL ，這時(shí)的直流電壓加在了濾波電容CF1、CF2 上，這兩個(gè)電容可以把脈動(dòng)的直流電波形變得平滑一些。由于一個(gè)電容的耐壓有限，所以把兩個(gè)電容串起來用。耐壓就提高了一倍。又因?yàn)閮蓚€(gè)電容的容量不一樣的話，分壓會(huì)不同，所以給兩個(gè)電容分別并聯(lián)了一個(gè)均壓電阻R1、R2 ，這樣，CF1 和CF2 上的電壓就一樣了。繼續(xù)往下看，HL 是主電路的電源指示燈，串聯(lián)了一個(gè)限流電阻接在了正負(fù)電壓之間，這樣三相電源一加進(jìn)來，HL就會(huì)發(fā)光，指示電源送入。接著，直流電壓加在了大功率晶體管VB的集電極與發(fā)射極之間，VB的導(dǎo)通由控制電路控制，VB上還串聯(lián)了變頻器的制動(dòng)電阻RB，組成了變頻器制動(dòng)回路。我們知道，由于電極的繞組是感性負(fù)載，在啟動(dòng)和停止的瞬間都會(huì)產(chǎn)生一個(gè)較大的反向電動(dòng)勢，這個(gè)反向電壓的能量會(huì)通過續(xù)流二極管VD7~VD12使直流母線上的電壓升高，這個(gè)電壓高到一定程度會(huì)擊穿逆變管V1~V6 和整流管VD1~VD6。當(dāng)有反向電壓產(chǎn)生時(shí)，控制回路控制VB導(dǎo)通，電壓就會(huì)通過VB在電阻RB釋放掉。當(dāng)電機(jī)較大時(shí)，還可并聯(lián)外接電阻。一般情況下“+”端和P1端是由一個(gè)短路片短接上的，如果斷開，這里可以接外加的支流電抗器，直流電抗器的作用是改善電路的功率因數(shù)。直流母線電壓加到V1~V6 六個(gè)逆變管上，這六個(gè)大功率晶體管叫IGBT ，基極由控制電路控制。控制電路控制某三個(gè)管子的導(dǎo)通給電機(jī)繞組內(nèi)提供電流，產(chǎn)生磁場使電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。例如：某一時(shí)刻，V1 V2 V6 受基極控制導(dǎo)通，電流經(jīng)U相流入電機(jī)繞組，經(jīng)V W 相流入負(fù)極。下一時(shí)刻同理，只要不斷的切換，就把直流電變成了交流電，供電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。為了保護(hù)IGBT，在每一個(gè)IGBT上都并聯(lián)了一個(gè)續(xù)流二極管，還有一些阻容吸收回路。主要的功能是保護(hù)IGBT，有了續(xù)流二極管的回路，反向電壓會(huì)從該回路加到直流母線上，通過放電電阻釋放掉。變頻器主電路引出端子上圖就是變頻器控制電路的原理示意圖。上半部為主電路，下半部為控制電路。主要由控制核心CPU 、輸入信號(hào)、輸出信號(hào)和面板操作指示信號(hào)、存儲(chǔ)器、LSI電路組成。外接電位器的模擬信號(hào)經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換將信號(hào)送入CPU，達(dá)到調(diào)速的目的。外接的開關(guān)量信號(hào)也經(jīng)由與非門送入控制CPU。變頻器基礎(chǔ)原理知識(shí) 1.變頻器基礎(chǔ) 1： VVVF 是 Variable Voltage and Variable Frequency 的縮寫，意為改變電壓和改變頻率，也就是人們所說的變壓變頻。 2： CVCF 是 Constant Voltage and Constant Frequency 的縮寫，意為恒電壓、恒頻率，也就是人們所說的恒壓恒頻。 我們使用的電源分為交流電源和直流電源，一般的直流電源大多是由交流電源通過變壓器變壓，整流濾波后得到的。交流電源在人們使用電源中占總使用電源的95％左右。 無論是用于家庭還是用于工廠，單相交流電源和三相交流電源，其電壓和頻率均按各國的規(guī)定有一定的標(biāo)準(zhǔn)，如我國大陸規(guī)定，直接用戶單相交流電為220V，三相交流電線電壓為380V，頻率為50Hz，其它國家的電源電壓和頻率可能于我國的電壓和頻率不同，如有單相100V/60Hz，三相200V/60Hz等等，標(biāo)準(zhǔn)的電壓和頻率的交流供電電源叫工頻交流電。

　　通常，把電壓和頻率固定不變的工頻交流電變換為電壓或頻率可變的交流電的裝置稱作“變頻器”。 為了產(chǎn)生可變的電壓和頻率，該設(shè)備首先要把電源的交流電變換為直流電（DC），這個(gè)過程叫整流。 把直流電（DC）變換為交流電（AC）的裝置，其科學(xué)術(shù)語為“inverter”（逆變器）。 一般逆變器是把直流電源逆變?yōu)橐欢ǖ墓潭l率和一定電壓的逆變電源。對于逆變?yōu)轭l率可調(diào)、電壓可調(diào)的逆變器我們稱為變頻器。 變頻器輸出的波形是模擬正弦波，主要是用在三相異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速用，又叫變頻調(diào)速器。對于主要用在儀器儀表的檢測設(shè)備中的波形要求較高的可變頻率逆變器，要對波形進(jìn)行整理，可以輸出標(biāo)準(zhǔn)的正弦波，叫變頻電源。一般變頻電源是變頻器價(jià)格的15－－20倍。 由于變頻器設(shè)備中產(chǎn)生變化的電壓或頻率的主要裝置叫“inverter”，故該產(chǎn)品本身就被命名為“inverter”，即：變頻器。 變頻器也可用于家電產(chǎn)品。使用變頻器的家電產(chǎn)品中，不僅有電機(jī)（例如空調(diào)等），還有熒光燈等產(chǎn)品。 用于電機(jī)控制的變頻器，既可以改變電壓，又可以改變頻率。但用于熒光燈的變頻器主要用于調(diào)節(jié)電源供電的頻率。 汽車上使用的由電池（直流電）產(chǎn)生交流電的設(shè)備也以“inverter”的名稱進(jìn)行出售。 變頻器的工作原理被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。例如計(jì)算機(jī)電源的供電，在該項(xiàng)應(yīng)用中，變頻器用于抑制反向電壓、頻率的波動(dòng)及電源的瞬間斷電。

　　2. 電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度為什么能夠自由地改變？ n = 60f/p（1-s） 　 n： 電機(jī)的轉(zhuǎn)速 f： 電源頻率 p： 電機(jī)磁極對數(shù) s：電機(jī)的轉(zhuǎn)差率電機(jī)的轉(zhuǎn)速 = 60（秒）＊頻率（Hz）/電機(jī)的磁極對數(shù) - 電機(jī)的轉(zhuǎn)差率 電機(jī)旋轉(zhuǎn)速度單位：每分鐘旋轉(zhuǎn)次數(shù)，rpm/min也可表示為rpm 電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度同頻率成比例 同步電機(jī)的轉(zhuǎn)差矩為0，同步電機(jī)的轉(zhuǎn)速 = 60（秒）*頻率（Hz）／電機(jī)的磁極對數(shù) 異步的轉(zhuǎn)速比同步電機(jī)的轉(zhuǎn)速低。 例如：4極三相步電機(jī) 60Hz時(shí) 低于 1，800 ［r/min］ 4極三相異步電機(jī) 50Hz時(shí)低于 1，500 ［r/min］ 本文中所指的電機(jī)為感應(yīng)式交流電機(jī)，在工業(yè)領(lǐng)域所使用的大部分電機(jī)均為此類型電機(jī)。感應(yīng)式交流電機(jī)（以后簡稱為電機(jī)）的旋轉(zhuǎn)速度近似地確決于電機(jī)的極對數(shù)和頻率。 由電機(jī)的工作原理決定電機(jī)的磁極對數(shù)是固定不變的。由于電機(jī)的磁極對數(shù)1個(gè)磁極對數(shù)等于2極，電機(jī)的極數(shù)不是一個(gè)連續(xù)的數(shù)值（為2的倍數(shù)，例如極數(shù)為2，4，6），所以不適和改變該值來調(diào)整電機(jī)的速度。

　　變頻器常用的控制方式

　　1.非智能控制方式

　　在交流變頻器中使用的非智能控制方式有V/f協(xié)調(diào)控制、轉(zhuǎn)差頻率控制、矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制等。

　?。?）V/f控制

　　V/f控制是為了得到理想的轉(zhuǎn)矩-速度特性，基于在改變電源頻率進(jìn)行調(diào)速的同時(shí)，又要保證電動(dòng)機(jī)的磁通不變的思想而提出的，通用型變頻器基本上都采用這種控制方式。V/f控制變頻器結(jié)構(gòu)非常簡單，但是這種變頻器采用開環(huán)控制方式，不能達(dá)到較高的控制性能，而且，在低頻時(shí)，必須進(jìn)行轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償，以改變低頻轉(zhuǎn)矩特性。

　?。?）轉(zhuǎn)差頻率控制

　　轉(zhuǎn)差頻率控制是一種直接控制轉(zhuǎn)矩的控制方式，它是在V/f控制的基礎(chǔ)上，按照知道異步電動(dòng)機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速對應(yīng)的電源頻率，并根據(jù)希望得到的轉(zhuǎn)矩來調(diào)節(jié)變頻器的輸出頻率，就可以使電動(dòng)機(jī)具有對應(yīng)的輸出轉(zhuǎn)矩。這種控制方式，在控制系統(tǒng)中需要安裝速度傳感器，有時(shí)還加有電流反饋，對頻率和電流進(jìn)行控制，因此，這是一種閉環(huán)控制方式，可以使變頻器具有良好的穩(wěn)定性，并對急速的加減速和負(fù)載變動(dòng)有良好的響應(yīng)特性。

　?。?）矢量控制

　　矢量控制是通過矢量坐標(biāo)電路控制電動(dòng)機(jī)定子電流的大小和相位，以達(dá)到對電動(dòng)機(jī)在d、q、0坐標(biāo)軸系中的勵(lì)磁電流和轉(zhuǎn)矩電流分別進(jìn)行控制，進(jìn)而達(dá)到控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的目的。通過控制各矢量的作用順序和時(shí)間以及零矢量的作用時(shí)間，又可以形成各種PWM波，達(dá)到各種不同的控制目的。例如形成開關(guān)次數(shù)最少的PWM波以減少開關(guān)損耗［3］。目前在變頻器中實(shí)際應(yīng)用的矢量控制方式主要有基于轉(zhuǎn)差頻率控制的矢量控制方式和無速度傳感器的矢量控制方式兩種。

　　基于轉(zhuǎn)差頻率的矢量控制方式與轉(zhuǎn)差頻率控制方式兩者的定常特性一致，但是基于轉(zhuǎn)差頻率的矢量控制還要經(jīng)過坐標(biāo)變換對電動(dòng)機(jī)定子電流的相位進(jìn)行控制，使之滿足一定的條件，以消除轉(zhuǎn)矩電流過渡過程中的波動(dòng)。因此，基于轉(zhuǎn)差頻率的矢量控制方式比轉(zhuǎn)差頻率控制方式在輸出特性方面能得到很大的改善。但是，這種控制方式屬于閉環(huán)控制方式，需要在電動(dòng)機(jī)上安裝速度傳感器，因此，應(yīng)用范圍受到限制。無速度傳感器矢量控制是通過坐標(biāo)變換處理分別對勵(lì)磁電流和轉(zhuǎn)矩電流進(jìn)行控制，然后通過控制電動(dòng)機(jī)定子繞組上的電壓、電流辨識(shí)轉(zhuǎn)速以達(dá)到控制勵(lì)磁電流和轉(zhuǎn)矩電流的目的。這種控制方式調(diào)速范圍寬，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，工作可靠，操作方便［4］，但計(jì)算比較復(fù)雜，一般需要專門的處理器來進(jìn)行計(jì)算，因此，實(shí)時(shí)性不是太理想，控制精度受到計(jì)算精度的影響。

　?。?）直接轉(zhuǎn)矩控制

　　直接轉(zhuǎn)矩控制是利用空間矢量坐標(biāo)的概念，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，通過檢測定子電阻來達(dá)到觀測定子磁鏈的目的，因此省去了矢量控制等復(fù)雜的變換計(jì)算，系統(tǒng)直觀、簡潔，計(jì)算速度和精度都比矢量控制方式有所提高。即使在開環(huán)的狀態(tài)下，也能輸出100%的額定轉(zhuǎn)矩，對于多拖動(dòng)具有負(fù)荷平衡功能［5］。

　?。?）最優(yōu)控制

　　最優(yōu)控制在實(shí)際中的應(yīng)用根據(jù)要求的不同而有所不同，可以根據(jù)最優(yōu)控制的理論對某一個(gè)控制要求進(jìn)行個(gè)別參數(shù)的最優(yōu)化。例如在高壓變頻器的控制應(yīng)用中，就成功的采用了時(shí)間分段控制和相位平移控制兩種策略，以實(shí)現(xiàn)一定條件下的電壓最優(yōu)波形。

　?。?）其他非智能控制方式

　　在實(shí)際應(yīng)用中，還有一些非智能控制方式在變頻器的控制中得以實(shí)現(xiàn)，例如自適應(yīng)控制、滑模變結(jié)構(gòu)控制、差頻控制、環(huán)流控制、頻率控制等，限于篇幅，這里不再累述，有興趣的讀者可自行參閱有關(guān)文獻(xiàn)。

　　2.智能控制方式

　　智能控制方式主要有神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、模糊控制、專家系統(tǒng)、學(xué)習(xí)控制等。在變頻器的控制中采用智能控制方式在具體應(yīng)用中有一些成功的范例。

　?。?）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制

　　神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制方式應(yīng)用在變頻器的控制中，一般是進(jìn)行比較復(fù)雜的系統(tǒng)控制，這時(shí)對于系統(tǒng)的模型了解甚少，因此神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)既要完成系統(tǒng)辨識(shí)的功能，又要進(jìn)行控制。而且神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制方式可以同時(shí)控制多個(gè)變頻器，因此在多個(gè)變頻器級聯(lián)時(shí)進(jìn)行控制比較適合。但是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的層數(shù)太多或者算法過于復(fù)雜都會(huì)在具體應(yīng)用中帶來不少實(shí)際困難。

　?。?）模糊控制

　　模糊控制算法用于控制變頻器的電壓和頻率，使電動(dòng)機(jī)的升速時(shí)間得到控制，以避免升速過快對電機(jī)使用壽命的影響以及升速過慢影響工作效率。模糊控制的關(guān)鍵在于論域、隸屬度以及模糊級別的劃分，這種控制方式尤其適用于多輸入單輸出的控制系統(tǒng)。

　?。?）專家系統(tǒng)

　　專家系統(tǒng)是利用所謂“專家”的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行控制的一種控制方式，因此，專家系統(tǒng)中一般要建立一個(gè)專家?guī)?，存放一定的專?a target="_blank">信息，另外還要有推理機(jī)制，以便于根據(jù)已知信息尋求理想的控制結(jié)果。專家?guī)炫c推理機(jī)制的設(shè)計(jì)是尤為重要的，關(guān)系著專家系統(tǒng)控制的優(yōu)劣。應(yīng)用專家系統(tǒng)既可以控制變頻器的電壓，又可以控制其電流。

　?。?）學(xué)習(xí)控制

　　學(xué)習(xí)控制主要是用于重復(fù)性的輸入，而規(guī)則的PWM信號(hào)（例如中心調(diào)制PWM）恰好滿足這個(gè)條件，因此學(xué)習(xí)控制也可用于變頻器的控制中。學(xué)習(xí)控制不需要了解太多的系統(tǒng)信息，但是需要1~2個(gè)學(xué)習(xí)周期，因此快速性相對較差，而且，學(xué)習(xí)控制的算法中有時(shí)需要實(shí)現(xiàn)超前環(huán)節(jié)，這用模擬器件是無法實(shí)現(xiàn)的，同時(shí)，學(xué)習(xí)控制還涉及到一個(gè)穩(wěn)定性的問題，在應(yīng)用時(shí)要特別注意。

　　矢量變頻器的工作原理

　　矢量控制變頻器的基本原理是，通過測量和控制異步電動(dòng)機(jī)定子電流矢量，根據(jù)磁場定向原理分別對異步電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流和轉(zhuǎn)矩電流進(jìn)行控制，從而達(dá)到控制異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的目的。具體是將異步電動(dòng)機(jī)的定子電流矢量分解為產(chǎn)生磁場的電流分量 （勵(lì)磁電流） 和產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的電流分量 （轉(zhuǎn)矩電流） 分別加以控制，并同時(shí)控制兩分量間的幅值和相位，即控制定子電流矢量，所以稱這種控制方式稱為矢量控制方式。由于矢量控制可以使得變頻器根據(jù)頻率和負(fù)載情況實(shí)時(shí)的改變輸出頻率和電壓，因此其動(dòng)態(tài)性能相對完善。可以對轉(zhuǎn)矩進(jìn)行精確控制;系統(tǒng)響應(yīng)快;調(diào)速范圍廣;加減速性能好等特點(diǎn)。在對轉(zhuǎn)矩控制要求高的場合，以其優(yōu)越的控制性能受到用戶的贊賞。

　　現(xiàn)在許多新型的通用型變頻器也具備了矢量控制功能，只是在參數(shù)設(shè)定時(shí)要求輸入完整的電機(jī)參數(shù)。因?yàn)槭噶靠刂剖且噪姍C(jī)的參數(shù)為依據(jù)，因此完整的電機(jī)參數(shù)就顯得尤其重要，以便變頻器能有效的識(shí)別電機(jī)，很好的對電機(jī)進(jìn)行控制。