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、變頻器的選用

選用變頻器的類(lèi)型，按照生產(chǎn)機械的類(lèi)型、調速范圍、靜態(tài)速度精度、起動(dòng)轉矩的要求，決定選用那種控制方式的變頻器最合適。所謂合適是既要好用，又要經(jīng)濟，以滿(mǎn)足工藝和生產(chǎn)的基本條件和要求 。

需要控制的電機及變頻器自身

1）電機的極數。一般電機極數以不多于(極為宜，否則變頻器容量就要適當加大。

2）轉矩特性、臨界轉矩、加速轉矩。在同等電機功率情況下，相對于高過(guò)載轉矩模式，變頻器規格可以降額選取。3）電磁兼容性。為減少主電源干擾，使用時(shí)可在中間電路或變頻器輸入電路中增加電抗器，或安裝前置隔離變壓器。一般當電機與變頻器距離超過(guò)50m時(shí)，應在它們中間串入電抗器、濾波器或采用屏蔽防護電纜 。

變頻器功率的選用

系統效率等于變頻器效率與電動(dòng)機效率的乘積，只有兩者都處在較高的效率下工作時(shí)，則系統效率才較高。從效率角度出發(fā)，在選用變頻器功率時(shí)，要注意以下幾點(diǎn)：

1）變頻器功率值與電動(dòng)機功率值相當時(shí)最合適，以利變頻器在高的效率值下運轉。

2）在變頻器的功率分級與電動(dòng)機功率分級不相同時(shí)，則變頻器的功率要盡可能接近電動(dòng)機的功率，但應略大于電動(dòng)機的功率。

3）當電動(dòng)機屬頻繁起動(dòng)、制動(dòng)工作或處于重載起動(dòng)且較頻繁工作時(shí)，可選取大一級的變頻器，以利用變頻器長(cháng)期、安全地運行。

4）經(jīng)測試，電動(dòng)機實(shí)際功率確實(shí)有富余，可以考慮選用功率小于電動(dòng)機功率的變頻器，但要注意瞬時(shí)峰值電流是否會(huì )造成過(guò)電流保護動(dòng)作。

5）當變頻器與電動(dòng)機功率不相同時(shí)，則必須相應調整節能程序的設置，以利達到較高的節能效果 。

變頻器箱體結構的選用

變頻器的箱體結構要與環(huán)境條件相適應，即必須考慮溫度、濕度、粉塵、酸堿度、腐蝕性氣體等因素。常見(jiàn)有下列幾種結構類(lèi)型可供用戶(hù)選用：

1）敞開(kāi)型IPOO型本身無(wú)機箱，適用裝在電控箱內或電氣室內的屏、盤(pán)、架上，尤其是多臺變頻器集中使用時(shí)，選用這種型式較好，但環(huán)境條件要求較高；

2）封閉型IP20型適用一般用途，可有少量粉塵或少許溫度、濕度的場(chǎng)合；

3）密封型IP45型適用工業(yè)現場(chǎng)條件較差的環(huán)境；

4）密閉型IP65型適用環(huán)境條件差，有水、塵及一定腐蝕性氣體的場(chǎng)合 。

變頻器容量的確定

合理的容量選擇本身就是一種節能降耗措施。根據現有資料和經(jīng)驗，比較簡(jiǎn)便的方法有三種：

1）電機實(shí)際功率確定發(fā)。首先測定電機的實(shí)際功率，以此來(lái)選用變頻器的容量。

2）公式法。當一臺變頻器用于多臺電機時(shí)，應滿(mǎn)足：至少要考慮一臺電動(dòng)機啟動(dòng)電流的影響，以避免變頻器過(guò)流跳閘。

3）電機額定電流法變頻器。

變頻器容量選定過(guò)程，實(shí)際上是一個(gè)變頻器與電機的最佳匹配過(guò)程，最常見(jiàn)、也較安全的是使變頻器的容量大于或等于電機的額定功率，但實(shí)際匹配中要考慮電機的實(shí)際功率與額定功率相差多少，通常都是設備所選能力偏大，而實(shí)際需要的能力小，因此按電機的實(shí)際功率選擇變頻器是合理的，避免選用的變頻器過(guò)大，使投資增大。對于輕負載類(lèi)，變頻器電流一般應按1.1N（N為電動(dòng)機額定電流）來(lái)選擇，或按廠(chǎng)家在產(chǎn)品中標明的與變頻器的輸出功率額定值相配套的最大電機功率來(lái)選擇 。

主電源

1）電源電壓及波動(dòng)。應特別注意與變頻器低電壓保護整定值相適應，因為在實(shí)際使用中，電網(wǎng)電壓偏低的可能性較大。

2）主電源頻率波動(dòng)和諧波干擾。這方面的干擾會(huì )增加變頻器系統的熱損耗，導致噪聲增加，輸出降低。

3）變頻器和電機在工作時(shí)，自身的功率消耗。在進(jìn)行系統主電源供電設計時(shí)，兩者的功率消耗因素都應考慮進(jìn)去 。

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