變頻器的工作原理
近年來
，隨著電力電子技術(shù)
、微電子技術(shù)及大規(guī)模集成電路的發(fā)展
，生產(chǎn)工藝的改進及功率半導體器件價格的降低
，變頻調(diào)速越來越被工業(yè)上所采用
。如何選擇性能好的變頻其應(yīng)用到工業(yè)控制中，是我們專業(yè)技術(shù)人員共同追求的目標
。下面結(jié)合作者的實際經(jīng)驗談?wù)勛冾l器的工作原理和控制方式：
1 變頻器的工作原理
我們知道
，交流電動機的同步轉(zhuǎn)速表達式位：
n＝60 f(1－s)/p (1)
式中 n———異步電動機的轉(zhuǎn)速；
f———異步電動機的頻率
；
s———電動機轉(zhuǎn)差率
；
p———電動機極對數(shù)。
由式(1)可知
，轉(zhuǎn)速n與頻率f成正比
，只要改變頻率f即可改變電動機的轉(zhuǎn)速，當頻率f在0～50Hz的范圍內(nèi)變化時
，電動機轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍非常寬
。變頻器就是通過改變電動機電源頻率實現(xiàn)速度調(diào)節(jié)的，是一種理想的高效率
、高性能的調(diào)速手段
。
2變頻器控制方式
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
。
2.1U/f=C的正弦脈寬調(diào)制（SPWM）控制方式
其特點是控制電路結(jié)構(gòu)簡單
、成本較低，機械特性硬度也較好
，能夠滿足一般傳動的平滑調(diào)速要求
，已在產(chǎn)業(yè)的各個領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。但是
，這種控制方式在低頻時
，由于輸出電壓較低，轉(zhuǎn)矩受定子電阻壓降的影響比較顯著
，使輸出最大轉(zhuǎn)矩減小
。另外，其機械特性終究沒有直流電動機硬，動態(tài)轉(zhuǎn)矩能力和靜態(tài)調(diào)速性能都還不盡如人意
，且系統(tǒng)性能不高
、控制曲線會隨負載的變化而變化，轉(zhuǎn)矩響應(yīng)慢
、電機轉(zhuǎn)矩利用率不高
，低速時因定子電阻和逆變器死區(qū)效應(yīng)的存在而性能下降，穩(wěn)定性變差等
。因此人們又研究出矢量控制變頻調(diào)速
。
2.2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(zhuǎn)磁場軌跡為目的
，一次生成三相調(diào)制波形
，以內(nèi)切多邊形逼近圓的方式進行控制的。經(jīng)實踐使用后又有所改進
，即引入頻率補償
，能消除速度控制的誤差；通過反饋估算磁鏈幅值
，消除低速時定子電阻的影響
；將輸出電壓、電流閉環(huán)
，以提高動態(tài)的精度和穩(wěn)定度
。但控制電路環(huán)節(jié)較多，且沒有引入轉(zhuǎn)矩的調(diào)節(jié)
，所以系統(tǒng)性能沒有得到根本改善
。
2.3矢量控制（VC）方式
矢量控制變頻調(diào)速的做法是將異步電動機在三相坐標系下的定子電流Ia、Ib
、Ic
、通過三相－二相變換，等效成兩相靜止坐標系下的交流電流Ia1Ib1
，再通過按轉(zhuǎn)子磁場定向旋轉(zhuǎn)變換
，等效成同步旋轉(zhuǎn)坐標系下的直流電流Im1、It1（Im1相當于直流電動機的勵磁電流
；It1相當于與轉(zhuǎn)矩成正比的電樞電流）
，然后模仿直流電動機的控制方法，求得直流電動機的控制量
，經(jīng)過相應(yīng)的坐標反變換
，實現(xiàn)對異步電動機的控制。其實質(zhì)是將交流電動機等效為直流電動機
，分別對速度
，磁場兩個分量進行獨立控制
。通過控制轉(zhuǎn)子磁鏈，然后分解定子電流而獲得轉(zhuǎn)矩和磁場兩個分量
，經(jīng)坐標變換
，實現(xiàn)正交或解耦控制
。矢量控制方法的提出具有劃時代的意義
。然而在實際應(yīng)用中，由于轉(zhuǎn)子磁鏈難以準確觀測
，系統(tǒng)特性受電動機參數(shù)的影響較大
，且在等效直流電動機控制過程中所用矢量旋轉(zhuǎn)變換較復(fù)雜，使得實際的控制效果難以達到理想分析的結(jié)果
。
2.4直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC）方式
1985年
，德國魯爾大學的DePenbrock教授首次提出了直接轉(zhuǎn)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
、簡潔明了的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、優(yōu)良的動靜態(tài)性能得到了迅速發(fā)展
。目前
，該技術(shù)已成功地應(yīng)用在電力機車牽引的大功率交流傳動上。
直接轉(zhuǎn)矩控制直接在定子坐標系下分析交流電動機的數(shù)學模型
，控制電動機的磁鏈和轉(zhuǎn)矩
。它不需要將交流電動機等效為直流電動機，因而省去了矢量旋轉(zhuǎn)變換中的許多復(fù)雜計算
；它不需要模仿直流電動機的控制
，也不需要為解耦而簡化交流電動機的數(shù)學模型。
2.5矩陣式交—交控制方式
VVVF變頻
、矢量控制變頻
、直接轉(zhuǎn)矩控制變頻都是交—直—交變頻中的一種。其共同缺點是輸入功率因數(shù)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)
，即不能進行四象限運行
。為此，矩陣式交—交變頻應(yīng)運而生
。由于矩陣式交—交變頻省去了中間直流環(huán)節(jié)
，從而省去了體積大、價格貴的電解電容
。它能實現(xiàn)功率因數(shù)為l
，輸入電流為正弦且能四象限運行
，系統(tǒng)的功率密度大。該技術(shù)目前雖尚未成熟
，但仍吸引著眾多的學者深入研究
。其實質(zhì)不是間接的控制電流、磁鏈等量
，而是把轉(zhuǎn)矩直接作為被控制量來實現(xiàn)的
。具體方法是：
——控制定子磁鏈引入定子磁鏈觀測器，實現(xiàn)無速度傳感器方式
；
——自動識別（ID）依靠精確的電機數(shù)學模型
，對電機參數(shù)自動識別；
——算出實際值對應(yīng)定子阻抗
、互感
、磁飽和因素、慣量等算出實際的轉(zhuǎn)矩
、定子磁鏈
、轉(zhuǎn)子速度進行實時控制；
——實現(xiàn)Band—Band控制按磁鏈和轉(zhuǎn)矩的Band—Band控制產(chǎn)生PWM信號
，對逆變器開關(guān)狀態(tài)進行控制
。
矩陣式交—交變頻具有快速的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)（<2ms），很高的速度精度（±2％
，無PG反饋）
，高轉(zhuǎn)矩精度（<＋3％）；同時還具有較高的起動轉(zhuǎn)矩及高轉(zhuǎn)矩精度
