简述变频器的工作原理和控制方式

简述变频器的工作原理和控制方式1 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(l 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050Hz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。2 变频器控制方式低压通用变频输出电压为380650V,输出功率为0.75400kW,工作频率为0400Hz，它的主电路都采用交一直一交电路。 其控制方式经历了以下四代。2.1U/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。2.2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。2.3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la、lb、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Iallbl，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、It1 （Iml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。2.4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。2.5 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1,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 BandBand 控制按磁链和转矩的 BandBand 控制产 生 PWM 信号，对逆变器开关状态进行控制。矩阵式交一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。