浅谈变频器工作原理及控制方式

电力与能源　浅谈变频器工作原理及控制方式　文／秦豹　摘　要：变频器是把工频电源（５０Ｈｚ或６０Ｈｚ）变换成各种频率的交流电源，以实现电机的变速运行的设备。变　频器就是通过改变电动机电源频率实现速度调节的，是一种理想的高效率．高性能的调速手段。其控制方式经　历了四个阶段。　关键词：变频器；分类方法；工作原理；控制方式　中图分类号：ＴＤ３２６　文献标识码：Ｂ　文章编号：１００９－－９１６６（２０１０）ｏｌ４（ｃ）一０２３卜０１　变频技术是应交流电机无级调速的需要而诞生的。　２Ｏ世纪６０年代以后，电力电子器件经历了ＳＣＲ（晶闸　管）、ＧＴＯ（门极可关断晶闸管）、Ｂ　ＪＴ（双极型功　率晶体管）、ＭＯＳＦＥＴ（金属氧化物场效应管）、ＳＩＴ　（静电感应晶体管）、ＳＩＴＨ（静电感应晶闸管）、ＭＧＴ　（ＭＯＳ控制晶体管）、ＭＣＴ（ＭＯＳ控制晶闸管）、　ＩＧＢＴ（绝缘栅双极型晶体管）、ＨＶＩＧＢＴ（耐高压绝缘　栅双极型晶闸管）的发展过程，器件的更新促进了电力　电子变换技术的不断发展。２０世纪７０年代开始，脉宽调　制变压变频（ＰＷＭ—ＶＶＶＦ）调速研究引起了人们的高　度重视。　变频器的分类方法有多种，按照主电路工作方式分　类，可以分为电压型变频器和电流型变频器；按照开关　方式分类，可以分为ＰＡＭ控制变频器、ＰｗＭ控制变频器　和高载频ＰＷＭ控制变频器；按照工作原理分类，可以分　为Ｖ／ｆ控制变频器、转差频率控制变频器和矢量控制变频　器等；按照用途分类，可以分为通用变频器、高性能专　用变频器、高频变频器、单相变频器和三相变频器等。　ＶＶＶＦ：改变电压、改变频率ＣＶＣＦ：恒电压、恒　频率。各国使用的交流供电电源，无论是用于家庭还是　用于工厂，其电压和频率均为４００Ｖ／５０Ｈ减２００Ｖ／６０Ｈｚ　（５０Ｈｚ），等等。通常，把电压和频率固定不变的交　流电变换为电压或频率可变的交流电的装置称作“变频　器”。为了产生可变的电压和频率，该设备首先要把电　源的交流电变换为直流电（ＤＣ）。　用于电机控制的变频器，既可以改变电压，又可以　改变频率。　变频器的工作原理　我们知道，交流电动机的同步转速表达式位：　ｎ＝６０ｆ（１－ｓ）／ｐ（１）　式中　Ｎ——异步电动机的转速；　Ｆ－—＿异步电动机的频率；　Ｓ一电动机转差率；　Ｐ一电动机极对数。　由式（１）可知，转速ｒｌ与频率减正比，只要改变频　率ｆ即可改变电动机的转速，当频率旌０～５０Ｈ　ｚ的范围内　变化时，电动机转速调节范围非常宽。变频器就是通过　改变电动机电源频率实现速度调节的，是一种理想的高　效率、商陛能的调速手段。　变频器控制方式　低压通用变频输出电压为３８０～６５０Ｖ，输出功率为　０．７５－４００ｋＷ，工作频率为０～４００ＨＺ，它的主电路都采　用交一直～交电路。其控制方式经历了以下四代。　１、Ｕ／ｆ＝Ｃ的正弦脉宽调制（ＳＰＷＭ）控制方式。　其特点是控制电路结构简单、成本较低，机械特性硬度　也较好，能够满足一般传动的平滑调速要求，已在产业　的各个领域得到广泛应用。但是，这种控制方式在低频　时，由于输出电压较低，转矩受定子电阻压降的影响比　较显著，使输出最大转矩减小。另外，其机械特性终究　没有直流电动机硬，动态转矩能力和静态调速性能都还　不尽如人意，且系统性能不高、控制曲线会随负载的变　化而变化，转矩响应慢、电机转矩利用率不高，低速时　因定子电阻和逆变器死区效应的存在而性能下降，稳定　性变差等。因此人们又研究出矢量控制变频调速。　２、电压空间矢量（ＳＶＰｗＭ）控制方式。它是以三　相波形整体生成效果为前提，以逼近电机气隙的理想圆　形旋转磁场轨迹为目的，一次生成三相调制波形，以内　切多边形逼近圆的方式进行控制的。经实践使用后又有　所改进，即引入频率补偿，能消除速度控制的误差；通　过反馈估算磁链幅值，消除低速时定子电阻的影响；将　输出电压、电流闭环，以提高动态的精度和稳定度。但　控制电路环节较多，且没有引入转矩的调节，所以系统　性能没有得到根本改善。　矢量控制（Ｖ　Ｃ）方式。矢量控制变频调速的做法是　将异步电动机在三相坐标系下的定子电流Ｉａ、Ｉｂ、Ｉｃ、通　过三相一二相变换，等效成两相静止坐标系下的交流电　流ＩａｌＩｂｌ，再通过按转子磁场定向旋转变换，等效成同步　旋转坐标系下的直流电流Ｉｍｌ、Ｉｔｌ（Ｉｍｌ相当于直流电动　机的励磁电流；ＩｔｌＳＮ当于与转矩成正比的电枢电流），　然后模仿直流电动机的控制方法，求得直流电动机的控　制量，经过相应的坐标反变换，实现对异步电动机的控　制。其实质是将交流电动机等效为直流电动机，分别　对速度，磁场两个分量进行独立控制。通过控制转子磁　链，然后分解定子电流而获得转矩和磁场两个分量，　经坐标变换，实现正交或解耦控制。矢量控制方法的提　出具有划时代的意义。然而在实际应用中，由于转子磁　链难以准确观测，系统特性受电动机参数的影响较大，　且在等效直流电动机控制过程中所用矢量旋转变换较复　杂，使得实际的控制效果难以达到理想分析的结果。　直接转矩控制（ＤＴＣ）方式。１９８５年，德国鲁尔大　学的Ｄｅ　Ｐｅｎｂｒｏｃｋ教授首次提出了直接转矩控制变频技　术。该技术在很大程度上解决了上述矢量控制的不足，　并以新颖的控制思想、简洁明了的系统结构、优良的动　静态性能得到了迅速发展。目前，该技术已成功地应用　在电力机车牵引的大功率交流传动上。直接转矩控制直　接在定子坐标系下分析交流电动机的数学模型，控制电　动机的磁链和转矩。它不需要将交流电动机等效为直流　电动机，因而省去了矢量旋转变换中的许多复杂计算；　它不需要模仿直流电动机的控制，也不需要为解耦而简　化交流电动机的数学模型。　作者单位：安徽省皖北煤电集团前岭煤矿机运保障部　　・