關(guān)于變頻器的性能要素分析

    導(dǎo)讀：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。基于變頻器的性能要素分析，本文先介紹了變頻器的概念、分類(lèi)，然后分析了變頻器控制方式的特點(diǎn)，最后總結(jié)出了變頻器的常用控制方式。

一、變頻器的概念

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。

二、變頻器的分類(lèi)

1.按直流電源性質(zhì)分類(lèi)：

a.電流型變頻器 .電流型變頻器特點(diǎn)是中間直流環(huán)節(jié)采用大電感作為儲(chǔ)能環(huán)節(jié)，緩沖無(wú)功功率，即扼制電流的變化，使電壓接近正弦波，由于該直流內(nèi)阻較大，故稱(chēng)電流源型變頻器（電流型）。電流型變頻器的特點(diǎn)（優(yōu)點(diǎn)）是能扼制負(fù)載電流頻繁而急劇的變化。常選用于負(fù)載電流變化較大的場(chǎng)合；

b.電壓型變頻器 .電壓型變頻器特點(diǎn)是中間直流環(huán)節(jié)的儲(chǔ)能元件采用大電容，負(fù)載的無(wú)功功率將由它來(lái)緩沖，直流電壓比較平穩(wěn)，直流電源內(nèi)阻較小，相當(dāng)于電壓源，故稱(chēng)電壓型變頻器，常選用于負(fù)載電壓變化較大的場(chǎng)合。

2. 按照主電路工作方式分類(lèi)：

a. 電壓型變頻器。在電壓型變頻器中，整流電路或者斬波電路產(chǎn)生逆變電路所需要的直流電壓，并通過(guò)直流中間電路的電容進(jìn)行平滑后輸出；整流電路和直流中間電路起直流電壓源的作用。而電壓源輸出的直流電壓在逆變電路中被轉(zhuǎn)換為具有所需頻率的交流電壓；

b. 電流型變頻器。在電流型變頻器中，整流電路給出直流電流，并通過(guò)中間電路的電抗將電流進(jìn)行平滑后輸出。整流電路和直流中間電路起電流源的作用，而電流源輸出的直流電流在逆變電路中被轉(zhuǎn)換為具有所需頻率的交流電流，并被分配給各輸出相后作為交流電流提供給電動(dòng)機(jī)。

3. 按照開(kāi)關(guān)力式分類(lèi)：

a. PAM控制。PAM控制是Pulse Amplitude Modulation（脈沖振幅調(diào)制）控制的簡(jiǎn)稱(chēng)，是一種在整流電路部分對(duì)輸出電壓（電流）的幅值進(jìn)行控制，而在逆變電路部分對(duì)輸出頻率進(jìn)行控制的控制方式；

b. PWM控制。PWM控制是Pulse Amplitude Modulation（脈沖寬度調(diào)制）控制的簡(jiǎn)稱(chēng)，是在逆變電路部分同時(shí)對(duì)輸出電壓（電流）的幅值和頻率進(jìn)行控制的控制方式；

c.高載頻PWM控制。這種控制方式原理上實(shí)際是對(duì)PWM控制方式的改進(jìn)，是為了降低電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)噪聲而采用的一種控制方式。在這種控制方式中，載頻被提高到人耳可以聽(tīng)到的頻率（10-20kHz）以上，從而達(dá)到降低電動(dòng)機(jī)噪聲的目的。

4.按變換的環(huán)節(jié)分類(lèi)：

a.可分為交-交變頻器。將工頻交流直接變換成頻率電壓可調(diào)的交流，又稱(chēng)直接式變頻器；
 
    b.交-直-交變頻器。是先把工頻交流通過(guò)整流器變成直流，然后再把直流變換成頻率電壓可調(diào)的交流，又稱(chēng)間接式變頻器，是目前廣泛應(yīng)用的通用型變頻器。

三、變頻器控制方式的特點(diǎn)

1.節(jié)能。 只要降低頻率，電機(jī)用不完的能量就節(jié)省下來(lái)。

2.無(wú)極調(diào)速。 根據(jù)需要任意調(diào)級(jí)電機(jī)轉(zhuǎn)速， 使一切變速的需要變的輕而易舉，隨心所欲。

3.啟動(dòng)平穩(wěn)。 速度平穩(wěn)上升，停止平穩(wěn)，速度平滑下降，沒(méi)有沖擊。

4.結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。擁有力矩響應(yīng)好、調(diào)速精度高，速度控制范圍較廣，可用于通用鼠籠型異步電機(jī)。

5.它具備多種信號(hào)輸入輸出端口，接收和輸出模擬信號(hào)，電流、電壓信號(hào)。變頻器與工控機(jī)、編程器配合，就能形成自動(dòng)化控制系統(tǒng)。

四、變頻器的常用控制方式

A.非智能控制方式

（1） 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(jiǎn)單，但是這種變頻器采用開(kāi)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。

（2） 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(duì)應(yīng)的電源頻率，并根據(jù)希望得到的轉(zhuǎn)矩來(lái)調(diào)節(jié)變頻器的輸出頻率，就可以使電動(dòng)機(jī)具有對(duì)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(duì)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(duì)急速的加減速和負(fù)載變動(dòng)有良好的響應(yīng)特性。

（3） 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(guò)檢測(cè)定子電阻來(lái)達(dá)到觀(guān)測(cè)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(guān)、簡(jiǎn)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(kāi)環(huán)的狀態(tài)下，也能輸出 100%的額定轉(zhuǎn)矩，對(duì)于多拖動(dòng)具有負(fù)荷平衡功能。

（4） 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(duì)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。

B.智能控制方式

（1） 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(duì)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(jí)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(guò)于復(fù)雜都會(huì)在具體應(yīng)用中帶來(lái)不少實(shí)際困難。

（2） 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(guò)快對(duì)電機(jī)使用壽命的影響以及升速過(guò)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(jí)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)。

（3） 專(zhuān)家系統(tǒng)

專(zhuān)家系統(tǒng)是利用所謂 “專(zhuān)家”的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行控制的一種控制方式，因此，專(zhuān)家系統(tǒng)中一般要建立一個(gè)專(zhuān)家?guī)欤娣乓欢ǖ膶?zhuān)家信息，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(zhuān)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(zhuān)家系統(tǒng)控制的優(yōu)劣。應(yīng)用專(zhuān)家系統(tǒng)既可以控制變頻器的電壓，又可以控制其電流。

（4） 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(mǎn)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[24].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(duì)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(wú)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(wèn)題，在應(yīng)用時(shí)要特別注意。