变频器的技术原理解析及其在生产中的应用（二)
一、概述
二、整流器
最近大量使用的是二极管的变流器，它把工频电源变换为直流电源。也可用两组晶体管变流器构成可逆变流器，由于其功率方向可逆，可以进行再生运转。
三、平波回路
在整流器整流后的直流电压中，含有电源6倍频率的脉动电压，此外逆变器产生的脉动电流也使直流电压变动。为了抑制电压波动，采用电感和电容吸收脉动电压（电流）。装置容量小时，如果电源和主电路构成器件有余量，可以省去电感采用简单的平波回路。
四、逆变器
同整流器相反，逆变器是将直流功率变换为所要求频率的交流功率，以所确定的时间使6个开关器件导通、关断就可以得到3相交流输出。以电压型pwm逆变器为例示出开关时间和电压波形。
控制电路是给异步电动机供电（电压、频率可调）的主电路提供控制信号的回路，它有频率、电压的“运算电路”，主电路的“电压、电流检测电路”，电动机的“速度检测电路”，将运算电路的控制信号进行放大的“驱动电路”，以及逆变器和电动机的“保护电路”组成。
（1）运算电路：将外部的速度、转矩等指令同检测电路的电流、电压信号进行比较运算，决定逆变器的输出电压、频率。
（2）电压、电流检测电路：与主回路电位隔离检测电压、电流等。
（3）驱动电路：驱动主电路器件的电路。它与控制电路隔离使主电路器件导通、关断。
（4）速度检测电路:以装在异步电动机轴机上的速度检测器(tg、plg等)的信号为速度信号，送入运算回路，根据指令和运算可使电动机按指令速度运转。
（5）保护电路:检测主电路的电压、电流等，当发生过载或过电压等异常时，为了防止逆变器和异步电动机损坏，使逆变器停止工作或抑制电压、电流值。
变频器集成了高压大功率晶体管技术和电子控制技术，得到广泛应用。变频器的作用是改变交流电机供电的频率和幅值，因而改变其运动磁场的周期，达到平滑控制电动机转速的目的。变频器的出现，使得复杂的调速控制简单化，用变频器+交流鼠笼式感应电动机组合替代了大部分原先只能用直流电机完成的工作，缩小了体积，降低了维修率，使传动技术发展到新阶段。
近年来，随着电力电子技术、微电子技术及大规模集成电路的发展，生产工艺的改进及功率半导体器件价格的降低，变频调速越来越被工业上所采用。如何选择性能好的变频其应用到工业控制中，是我们专业技术人员共同追求的目标。下面结合作者的实际经验谈谈变频器的工作原理和控制方式。
五、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＝60 f(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———电动机转差率；
p———电动机极对数。
由式(1)可知，转速n与频率f成正比，只要改变频率f即可改变电动机的转速，当频率f在
0～50Hz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、高性能的调速手段。
六、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—直—交电路。
其控制方式经历了以下四代。
6.1 U/f=C的正弦脉宽调制（SPWM）控制方式
6.2 电压空间矢量（SVPWM）控制方式
6.3 矢量控制（VC）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－二相变换，等效成两相静止坐标系下的交流电流Ia1Ib1，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Im1、It1（Im1相当于直流电动机的励磁电流；It1相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。
6.4 直接转矩控制（DTC）方式
1985年，德国鲁尔大学的DePenbrock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。
6.5 矩阵式交—交控制方式
VVVF变频、矢量控制变频、直接转矩控制变频都是交—直—交变频中的一种。其共同缺点是输入功率因数低，谐波电流大，直流电路需要大的储能电容，再生能量又不能反馈回电网，即不能进行四象限运行。为此，矩阵式交—交变频应运而生。由于矩阵式交—交变频省去了中间直流环节，从而省去了体积大、价格贵的电解电容。它能实现功率因数为l，输入电流为正弦且能四象限运行，系统的功率密度大。该技术目前虽尚未成熟，但仍吸引着众多的学者深入研究。其实质不是间接的控制电流、磁链等量，而是把转矩直接作为被控制量来实现的。具体方法是：
——控制定子磁链引入定子磁链观测器，实现无速度传感器方式；
——自动识别（ID）依靠精确的电机数学模型，对电机参数自动识别；
——算出实际值对应定子阻抗、互感、磁饱和因素、惯量等算出实际的转矩、定子磁链、转子速度进行实时控制；
——实现Band—Band控制按磁链和转矩的Band—Band控制产生PWM信号，对逆变器开关状态进行控制。
矩阵式交—交变频具有快速的转矩响应（<2ms），很高的速度精度（±2％，无PG反馈），高转矩精度（<＋3％）；同时还具有较高的起动转矩及高转矩精度，尤其在低速时（包括0速度时），可输出150％～200％转矩。
主电路是给异步电动机提供调压调频电源的电力变换部分，变频器的主电路大体上可分为两类:电压型是将电压源的直流变换为交流的变频器，直流回路的滤波是电容。电流型是将电流源的直流变换为交流的变频器，其直流回路滤波是电感。它由三部分构成，将工频电源变换为直流功率的“整流器”，吸收在变流器和逆变器产生的电压脉动的“平波回路”，以及将直流功率变换为交流功率的“逆变器”。
二、整流器
最近大量使用的是二极管的变流器，它把工频电源变换为直流电源。也可用两组晶体管变流器构成可逆变流器，由于其功率方向可逆，可以进行再生运转。
三、平波回路
在整流器整流后的直流电压中，含有电源6倍频率的脉动电压，此外逆变器产生的脉动电流也使直流电压变动。为了抑制电压波动，采用电感和电容吸收脉动电压（电流）。装置容量小时，如果电源和主电路构成器件有余量，可以省去电感采用简单的平波回路。
四、逆变器
同整流器相反，逆变器是将直流功率变换为所要求频率的交流功率，以所确定的时间使6个开关器件导通、关断就可以得到3相交流输出。以电压型pwm逆变器为例示出开关时间和电压波形。
控制电路是给异步电动机供电（电压、频率可调）的主电路提供控制信号的回路，它有频率、电压的“运算电路”，主电路的“电压、电流检测电路”，电动机的“速度检测电路”，将运算电路的控制信号进行放大的“驱动电路”，以及逆变器和电动机的“保护电路”组成。
（1）运算电路：将外部的速度、转矩等指令同检测电路的电流、电压信号进行比较运算，决定逆变器的输出电压、频率。
（2）电压、电流检测电路：与主回路电位隔离检测电压、电流等。
（3）驱动电路：驱动主电路器件的电路。它与控制电路隔离使主电路器件导通、关断。
（4）速度检测电路:以装在异步电动机轴机上的速度检测器(tg、plg等)的信号为速度信号，送入运算回路，根据指令和运算可使电动机按指令速度运转。
（5）保护电路:检测主电路的电压、电流等，当发生过载或过电压等异常时，为了防止逆变器和异步电动机损坏，使逆变器停止工作或抑制电压、电流值。
变频器的作用
变频器集成了高压大功率晶体管技术和电子控制技术，得到广泛应用。变频器的作用是改变交流电机供电的频率和幅值，因而改变其运动磁场的周期，达到平滑控制电动机转速的目的。变频器的出现，使得复杂的调速控制简单化，用变频器+交流鼠笼式感应电动机组合替代了大部分原先只能用直流电机完成的工作，缩小了体积，降低了维修率，使传动技术发展到新阶段。
近年来，随着电力电子技术、微电子技术及大规模集成电路的发展，生产工艺的改进及功率半导体器件价格的降低，变频调速越来越被工业上所采用。如何选择性能好的变频其应用到工业控制中，是我们专业技术人员共同追求的目标。下面结合作者的实际经验谈谈变频器的工作原理和控制方式。
五、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＝60 f(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———电动机转差率；
p———电动机极对数。
由式(1)可知，转速n与频率f成正比，只要改变频率f即可改变电动机的转速，当频率f在
0～50Hz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、高性能的调速手段。
六、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—直—交电路。
其控制方式经历了以下四代。
6.1 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。
6.2 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。
6.3 矢量控制（VC）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－二相变换，等效成两相静止坐标系下的交流电流Ia1Ib1，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Im1、It1（Im1相当于直流电动机的励磁电流；It1相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。
6.4 直接转矩控制（DTC）方式
1985年，德国鲁尔大学的DePenbrock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。
6.5 矩阵式交—交控制方式
VVVF变频、矢量控制变频、直接转矩控制变频都是交—直—交变频中的一种。其共同缺点是输入功率因数低，谐波电流大，直流电路需要大的储能电容，再生能量又不能反馈回电网，即不能进行四象限运行。为此，矩阵式交—交变频应运而生。由于矩阵式交—交变频省去了中间直流环节，从而省去了体积大、价格贵的电解电容。它能实现功率因数为l，输入电流为正弦且能四象限运行，系统的功率密度大。该技术目前虽尚未成熟，但仍吸引着众多的学者深入研究。其实质不是间接的控制电流、磁链等量，而是把转矩直接作为被控制量来实现的。具体方法是：
——控制定子磁链引入定子磁链观测器，实现无速度传感器方式；
——自动识别（ID）依靠精确的电机数学模型，对电机参数自动识别；
——算出实际值对应定子阻抗、互感、磁饱和因素、惯量等算出实际的转矩、定子磁链、转子速度进行实时控制；
——实现Band—Band控制按磁链和转矩的Band—Band控制产生PWM信号，对逆变器开关状态进行控制。
矩阵式交—交变频具有快速的转矩响应（<2ms），很高的速度精度（±2％，无PG反馈），高转矩精度（<＋3％）；同时还具有较高的起动转矩及高转矩精度，尤其在低速时（包括0速度时），可输出150％～200％转矩。
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