一、工作原理

變頻器（Variable-frequency Drive，VFD）是應用變頻技術(shù)與微電子技術(shù)，通過(guò)改變電機工作電源頻率方式來(lái)控制交流電動(dòng)機的電力控制設備。變頻器主要由整流（交流變直流）、濾波、逆變（直流變交流）、制動(dòng)單元、驅動(dòng)單元、檢測單元微處理單元等組成。變頻器靠?jì)炔縄GBT的開(kāi)斷來(lái)調整輸出電源的電壓和頻率，根據電機的實(shí)際需要來(lái)提供其所需要的電源電壓，進(jìn)而達到節能、調速的目的，另外，變頻器還有很多的保護功能，如過(guò)流、過(guò)壓、過(guò)載保護等等。隨著(zhù)工業(yè)自動(dòng)化程度的不斷提高，變頻器也得到了非常廣泛的應用。

二、控制方式

低壓通用變頻輸出電壓為380～650V，輸出功率為0.75～400kW，工作頻率為0～400Hz，它的主電路都采用交—直—交電路。其控制方式經(jīng)歷了以下四代。

正弦脈寬調制(SPWM)控制方式

其特點(diǎn)是控制電路結構簡(jiǎn)單、成本較低，機械特性硬度也較好，能夠滿(mǎn)足一般傳動(dòng)的平滑調速要求，已在產(chǎn)業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應用。但是，這種控制方式在低頻時(shí)，由于輸出電壓較低，轉矩受定子電阻壓降的影響比較顯著(zhù)，使輸出最大轉矩減小。另外，其機械特性終究沒(méi)有直流電動(dòng)機硬，動(dòng)態(tài)轉矩能力和靜態(tài)調速性能都還不盡如人意，且系統性能不高、控制曲線(xiàn)會(huì )隨負載的變化而變化，轉矩響應慢、電機轉矩利用率不高，低速時(shí)因定子電阻和逆變器死區效應的存在而性能下降，穩定性變差等。因此人們又研究出矢量控制變頻調速。

電壓空間矢量(SVPWM)控制方式

它是以三相波形整體生成效果為前提，以逼近電機氣隙的理想圓形旋轉磁場(chǎng)軌跡為目的，一次生成三相調制波形，以?xún)惹卸噙呅伪平鼒A的方式進(jìn)行控制的。經(jīng)實(shí)踐使用后又有所改進(jìn)，即引入頻率補償，能消除速度控制的誤差；通過(guò)反饋估算磁鏈幅值，消除低速時(shí)定子電阻的影響；將輸出電壓、電流閉環(huán)，以提高動(dòng)態(tài)的精度和穩定度。但控制電路環(huán)節較多，且沒(méi)有引入轉矩的調節，所以系統性能沒(méi)有得到根本改善。

矢量控制(VC)方式

矢量控制變頻調速的做法是將異步電動(dòng)機在三相坐標系下的定子電流Ia、Ib、Ic、通過(guò)三相－二相變換，等效成兩相靜止坐標系下的交流電流Ia1Ib1，再通過(guò)按轉子磁場(chǎng)定向旋轉變換，等效成同步旋轉坐標系下的直流電流Im1、It1(Im1相當于直流電動(dòng)機的勵磁電流；It1相當于與轉矩成正比的電樞電流)，然后模仿直流電動(dòng)機的控制方法，求得直流電動(dòng)機的控制量，經(jīng)過(guò)相應的坐標反變換，實(shí)現對異步電動(dòng)機的控制。其實(shí)質(zhì)是將交流電動(dòng)機等效為直流電動(dòng)機，分別對速度，磁場(chǎng)兩個(gè)分量進(jìn)行獨立控制。通過(guò)控制轉子磁鏈，然后分解定子電流而獲得轉矩和磁場(chǎng)兩個(gè)分量，經(jīng)坐標變換，實(shí)現正交或解耦控制。矢量控制方法的提出具有劃時(shí)代的意義。然而在實(shí)際應用中，由于轉子磁鏈難以準確觀(guān)測，系統特性受電動(dòng)機參數的影響較大，且在等效直流電動(dòng)機控制過(guò)程中所用矢量旋轉變換較復雜，使得實(shí)際的控制效果難以達到理想分析的結果。

直接轉矩控制(DTC)方式

1985年，德國魯爾大學(xué)的DePenbrock教授首次提出了直接轉矩控制變頻技術(shù)。該技術(shù)在很大程度上解決了上述矢量控制的不足，并以新穎的控制思想、簡(jiǎn)潔明了的系統結構、優(yōu)良的動(dòng)靜態(tài)性能得到了迅速發(fā)展。該技術(shù)已成功地應用在電力機車(chē)牽引的大功率交流傳動(dòng)上。 直接轉矩控制直接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。它不需要將交流電動(dòng)機等效為直流電動(dòng)機，因而省去了矢量旋轉變換中的許多復雜計算；它不需要模仿直流電動(dòng)機的控制，也不需要為解耦而簡(jiǎn)化交流電動(dòng)機的數學(xué)模型。

矩陣式交—交控制方式

VVVF變頻、矢量控制變頻、直接轉矩控制變頻都是交—直—交變頻中的一種。其共同缺點(diǎn)是輸入功率因數低，諧波電流大，直流電路需要大的儲能電容，再生能量又不能反饋回電網(wǎng)，即不能進(jìn)行四象限運行。為此，矩陣式交—交變頻應運而生。由于矩陣式交—交變頻省去了中間直流環(huán)節，從而省去了體積大、價(jià)格貴的電解電容。它能實(shí)現功率因數為l，輸入電流為正弦且能四象限運行，系統的功率密度大。該技術(shù)雖尚未成熟，但仍吸引著(zhù)眾多的學(xué)者深入研究。其實(shí)質(zhì)不是間接的控制電流、磁鏈等量，而是把轉矩直接作為被控制量來(lái)實(shí)現的。具體方法是：

1、控制定子磁鏈引入定子磁鏈觀(guān)測器，實(shí)現無(wú)速度傳感器方式；

2、自動(dòng)識別(ID)依靠精確的電機數學(xué)模型，對電機參數自動(dòng)識別；

3、算出實(shí)際值對應定子阻抗、互感、磁飽和因素、慣量等算出實(shí)際的轉矩、定子磁鏈、轉子速度進(jìn)行實(shí)時(shí)控制；

4、實(shí)現Band—Band控制按磁鏈和轉矩的Band—Band控制產(chǎn)生PWM信號，對逆變器開(kāi)關(guān)狀態(tài)進(jìn)行控制。

矩陣式交—交變頻具有快速的轉矩響應(<2ms)，很高的速度精度(±2%，無(wú)PG反饋)，高轉矩精度(<+3%)；同時(shí)還具有較高的起動(dòng)轉矩及高轉矩精度，尤其在低速時(shí)(包括0速度時(shí))，可輸出150%～200%轉矩。

三、功能作用

變頻節能

變頻器節能主要表現在風(fēng)機、水泵的應用上。風(fēng)機、泵類(lèi)負載采用變頻調速后，節電率為20%～60%，這是因為風(fēng)機、泵類(lèi)負載的實(shí)際消耗功率基本與轉速的三次方成比例。當用戶(hù)需要的平均流量較小時(shí)，風(fēng)機、泵類(lèi)采用變頻調速使其轉速降低，節能效果非常明顯。而傳統的風(fēng)機、泵類(lèi)采用擋板和閥門(mén)進(jìn)行流量調節，電動(dòng)機轉速基本不變，耗電功率變化不大。據統計，風(fēng)機、泵類(lèi)電動(dòng)機用電量占全國用電量的31%，占工業(yè)用電量的50%。在此類(lèi)負載上使用變頻調速裝置具有非常重要的意義。目前，應用較成功的有恒壓供水、各類(lèi)風(fēng)機、中央空調和液壓泵的變頻調速。

在自動(dòng)化系統中應用

由于變頻器內置有32位或16位的微處理器，具有多種算術(shù)邏輯運算和智能控制功能，輸出頻率精度為0.1%~0.01%，且設置有完善的檢測、保護環(huán)節，因此，在自動(dòng)化系統中獲得廣泛應用。例如：化纖工業(yè)中的卷繞、拉伸、計量、導絲；玻璃工業(yè)中的平板玻璃退火爐、玻璃窯攪拌、拉邊機、制瓶機；電弧爐自動(dòng)加料、配料系統以及電梯的智能控制等。變提高工藝水平和產(chǎn)品質(zhì)量方面的應用頻器在數控機床控制、汽車(chē)生產(chǎn)線(xiàn)、造紙和電梯上的應用。

在提高工藝水平和產(chǎn)品質(zhì)量方面的應用

變頻器還可以廣泛應用于傳送、起重、擠壓和機床等各種機械設備控制領(lǐng)域，它可以提高工藝水平和產(chǎn)品質(zhì)量，減少設備的沖擊和噪聲，延長(cháng)設備的使用壽命。采用變頻調速控制后，使機械系統簡(jiǎn)化，操作和控制更加方便，有的甚至可以改變原有的工藝規范，從而提高了整個(gè)設備的功能。例如，紡織和許多行業(yè)用的定型機，機內溫度是靠改變送入熱風(fēng)的多少來(lái)調節的。輸送熱風(fēng)通常用的是循環(huán)風(fēng)機，由于風(fēng)機速度不變，送入熱風(fēng)的多少只有用風(fēng)門(mén)來(lái)調節。如果風(fēng)門(mén)調節失靈或調節不當就會(huì )造成定型機失控，從而影響成品質(zhì)量。循環(huán)風(fēng)機高速啟動(dòng)，傳動(dòng)帶與軸承之間磨損非常厲害，使傳動(dòng)帶變成了一種易耗品。在采用變頻調速后，溫度調節可以通過(guò)變頻器自動(dòng)調節風(fēng)機的速度來(lái)實(shí)現，解決了產(chǎn)品質(zhì)量問(wèn)題。此外，變頻器能夠很方便地實(shí)現風(fēng)機在低頻低速下啟動(dòng)并減少了傳動(dòng)帶與軸承之間的磨損，還可以延長(cháng)設備的使用壽命，同時(shí)可以節能40%。

實(shí)現電機軟啟動(dòng)

電機硬啟動(dòng)不僅會(huì )對電網(wǎng)造成嚴重的沖擊，而且會(huì )對電網(wǎng)容量要求過(guò)高，啟動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的大電流和震動(dòng)對擋板和閥門(mén)的損害極大，對設備、管路的使用壽命極為不利。而使用變頻器后，變頻器的軟啟動(dòng)功能將使啟動(dòng)電流從零開(kāi)始變化，最大值也不超過(guò)額定電流，減輕了對電網(wǎng)的沖擊和對供電容量的要求，延長(cháng)了設備和閥門(mén)的使用壽命，同時(shí)也節省設備的維護費用。

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