關(guān)于變頻器的性能要素分析

　　導讀：變頻調速技術(shù)是現代電力傳動(dòng)技術(shù)的重要發(fā)展方向，而作為變頻調速系統的核心-變頻器的性能也越來(lái)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?；谧冾l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(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算的變頻器來(lái)說(shuō)，有時(shí)還需要一個(gè)進(jìn)行轉矩計算的CPU以及一些相應的電路。

　　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)節采用大電感作為儲能環(huán)節，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)）是能扼制負載電流頻繁而急劇的變化。常選用于負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)節的儲能元件采用大電容，負載的無(wú)功功率將由它來(lái)緩沖，直流電壓比較平穩，直流電源內阻較小，相當于電壓源，故稱(chēng)電壓型變頻器，常選用于負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。

　　3. 按照開(kāi)關(guān)力式分類(lèi)：

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

　　b. PWM控制。PWM控制是Pulse Amplitude Modulation（脈沖寬度調制）控制的簡(jiǎn)稱(chēng)，是在逆變電路部分同時(shí)對輸出電壓（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PWM控制方式的改進(jìn)，是為了降低電動(dòng)機運轉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，從而達到降低電動(dòng)機噪聲的目的。

　　4.按變換的環(huán)節分類(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的交流，又稱(chēng)間接式變頻器，是目前廣泛應用的通用型變頻器。

　　三、變頻器控制方式的特點(diǎn)

　　1.節能。 只要降低頻率，電機用不完的能量就節省下來(lái)。

　　2.無(wú)極調速。 根據需要任意調級電機轉速， 使一切變速的需要變的輕而易舉，隨心所欲。

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

　　4.結構簡(jiǎn)單。擁有力矩響應好、調速精度高，速度控制范圍較廣，可用于通用鼠籠型異步電機。

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

　　四、變頻器的常用控制方式

　　A.非智能控制方式

　?。?） V/f控制

　　V/f控制是為了得到理想的轉矩-速度特性，基于在改變電源頻率進(jìn)行調速的同時(shí)，又要保證電動(dòng)機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控制變頻器結構非常簡(jiǎn)單，但是這種變頻器采用開(kāi)環(huán)控制方式，不能達到較高的控制性能，而且，在低頻時(shí)，必須進(jìn)行轉矩補償，以改變低頻轉矩特性。

　?。?） 轉差頻率控制

　　轉差頻率控制是一種直接控制轉矩的控制方式，它是在 V/f控制的基礎上，按照知道異步電動(dòng)機的實(shí)際轉速對應的電源頻率，并根據希望得到的轉矩來(lái)調節變頻器的輸出頻率，就可以使電動(dòng)機具有對應的輸出轉矩。這種控制方式，在控制系統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定性，并對急速的加減速和負載變動(dòng)有良好的響應特性。

　?。?） 直接轉矩控制

　　直接轉矩控制是利用空間矢量坐標的概念，在定子坐標系下分析交流電動(dòng)機的數學(xué)模型，控制電動(dòng)機的磁鏈和轉矩，通過(guò)檢測定子電阻來(lái)達到觀(guān)測定子磁鏈的目的，因此省去了矢量控制等復雜的變換計算，系統直觀(guān)、簡(jiǎn)潔，計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%的額定轉矩，對于多拖動(dòng)具有負荷平衡功能。

　?。?） 最優(yōu)控制

　　最優(yōu)控制在實(shí)際中的應用根據要求的不同而有所不同，可以根據最優(yōu)控制的理論對某一個(gè)控制要求進(jìn)行個(gè)別參數的最優(yōu)化。例如在高壓變頻器的控制應用中，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)現一定條件下的電壓最優(yōu)波形。

　　B.智能控制方式

　?。?） 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )控制

　　神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )控制方式應用在變頻器的控制中，一般是進(jìn)行比較復雜的系統控制，這時(shí)對于系統的模型了解甚少，因此神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )既要完成系統辨識的功能，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 )的層數太多或者算法過(guò)于復雜都會(huì )在具體應用中帶來(lái)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)機的升速時(shí)間得到控制，以避免升速過(guò)快對電機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。

　?。?） 專(zhuān)家系統

　　專(zhuān)家系統是利用所謂 “專(zhuān)家”的經(jīng)驗進(jìn)行控制的一種控制方式，因此，專(zhuān)家系統中一般要建立一個(gè)專(zhuān)家庫，存放一定的專(zhuān)家信息，另外還要有推理機制，以便于根據已知信息尋求理想的控制結果。專(zhuān)家庫與推理機制的設計是尤為重要的，關(guān)系著(zhù)專(zhuān)家系統控制的優(yōu)劣。應用專(zhuān)家系統既可以控制變頻器的電壓，又可以控制其電流。

　?。?） 學(xué)習控制

　　學(xué)習控制主要是用于重復性的輸入，而規則的 PWM信號（例如中心調制PWM）恰好滿(mǎn)足這個(gè)條件，因此學(xué)習控制也可用于變頻器的控制中[24].學(xué)習控制不需要了解太多的系統信息，但是需要1~2個(gè)學(xué)習周期，因此快速性相對較差，而且，學(xué)習控制的算法中有時(shí)需要實(shí)現超前環(huán)節，這用模擬器件是無(wú)法實(shí)現的，同時(shí)，學(xué)習控制還涉及到一個(gè)穩定性的問(wèn)題，在應用時(shí)要特別注意。