關于變頻器的性能要素分析

    導讀：變頻調速技術是現代電力傳動技術的重要發展方向，而作為變頻調速系統的核心-變頻器的性能也越來越成為調速性能優劣的決定因素，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。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，然后分析了變頻器控制方式的特點，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說，有時還需要一個進行轉矩計算的CPU以及一些相應的電路。

二、變頻器的分類

1.按直流電源性質分類：

a.電流型變頻器 .電流型變頻器特點是中間直流環節采用大電感作為儲能環節，緩沖無功功率，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，故稱電流源型變頻器（電流型）。電流型變頻器的特點（優點）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合；

b.電壓型變頻器 .電壓型變頻器特點是中間直流環節的儲能元件采用大電容，負載的無功功率將由它來緩沖，直流電壓比較平穩，直流電源內阻較小，相當于電壓源，故稱電壓型變頻器，常選用于負載電壓變化較大的場合。

2. 按照主電路工作方式分類：

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生逆變電路所需要的直流電壓，并通過直流中間電路的電容進行平滑后輸出；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，并通過中間電路的電抗將電流進行平滑后輸出。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機。

3. 按照開關力式分類：

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

b. PWM控制。PWM控制是Pulse Amplitude Modulation（脈沖寬度調制）控制的簡稱，是在逆變電路部分同時對輸出電壓（電流）的幅值和頻率進行控制的控制方式；

c.高載頻PWM控制。這種控制方式原理上實際是對PWM控制方式的改進，是為了降低電動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到的頻率（10-20kHz）以上，從而達到降低電動機噪聲的目的。

4.按變換的環節分類：

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，又稱直接式變頻器；
 
    b.交-直-交變頻器。是先把工頻交流通過整流器變成直流，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

1.節能。 只要降低頻率，電機用不完的能量就節省下來。

2.無極調速。 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.啟動平穩。 速度平穩上升，停止平穩，速度平滑下降，沒有沖擊。

4.結構簡單。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，就能形成自動化控制系統。

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矩-速度特性，基于在改變電源頻率進行調速的同時，又要保證電動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單，但是這種變頻器采用開環控制方式，不能達到較高的控制性能，而且，在低頻時，必須進行轉矩補償，以改變低頻轉矩特性。

（2） 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，按照知道異步電動機的實際轉速對應的電源頻率，并根據希望得到的轉矩來調節變頻器的輸出頻率，就可以使電動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，有時還加有電流反饋，對頻率和電流進行控制，因此，這是一種閉環控制方式，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有良好的響應特性。

（3） 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機的數學模型，控制電動機的磁鏈和轉矩，通過檢測定子電阻來達到觀測定子磁鏈的目的，因此省去了矢量控制等復雜的變換計算，系統直觀、簡潔，計算速度和精度都比矢量控制方式有所提高。即使在開環的狀態下，也能輸出 100%的額定轉矩，對于多拖動具有負荷平衡功能。

（4） 最優控制

最優控制在實際中的應用根據要求的不同而有所不同，可以根據最優控制的理論對某一個控制要求進行個別參數的最優化。例如在高壓變頻器的控制應用中，就成功的采用了時間分段控制和相位平移控制兩種策略，以實現一定條件下的電壓最優波形。

B.智能控制方式

（1） 神經網絡控制

神經網絡控制方式應用在變頻器的控制中，一般是進行比較復雜的系統控制，這時對于系統的模型了解甚少，因此神經網絡既要完成系統辨識的功能，又要進行控制。而且神經網絡控制方式可以同時控制多個變頻器，因此在多個變頻器級聯時進行控制比較適合。但是神經網絡的層數太多或者算法過于復雜都會在具體應用中帶來不少實際困難。

（2） 模糊控制

模糊控制算法用于控制變頻器的電壓和頻率，使電動機的升速時間得到控制，以避免升速過快對電機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。

（3） 專家系統

專家系統是利用所謂 “專家”的經驗進行控制的一種控制方式，因此，專家系統中一般要建立一個專家庫，存放一定的專家信息，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。專家庫與推理機制的設計是尤為重要的，關系著專家系統控制的優劣。應用專家系統既可以控制變頻器的電壓，又可以控制其電流。

（4） 學習控制

學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）恰好滿足這個條件，因此學習控制也可用于變頻器的控制中[24].學習控制不需要了解太多的系統信息，但是需要1~2個學習周期，因此快速性相對較差，而且，學習控制的算法中有時需要實現超前環節，這用模擬器件是無法實現的，同時，學習控制還涉及到一個穩定性的問題，在應用時要特別注意。