基于变频器控制方案的探究

基于变频器控制方案的探究

刘亚静

（唐山开滦勘察设计有限公司河北唐山063000）

摘要：变频调速技术近年来发展很快，变频器在节约电能的同时可以减少排放、降低能耗，理解并掌握变频器的控制具有十分重要的现实意义，而且现在越来越多的工业控制场合选用PLC和变频器用于电机的调速控制。本文在以下几个方面对变频器控制方案进行了探究，变频器的原理，变频器的控制方式，变频器的选型等。

关键词：变频器；控制；方案

一、变频器的原理

变频器可分为间接变频器和直接变频器两大类。间接变频器先将工频交流电源整流成电压大小可控的直流，再经过逆变器变换成可变频率交流，由此也称交-直-交变频器；直接变频器则将工频交流一次性变换成可变频率交流，故可称交-交变频器。目前以间接变频器应用较为广泛。

1.1交-直-交变频器

按照电压、频率的控制方式，交-直-交变频器有三种结构形式：

（1）可控整流器调压、逆变器调频方式。其调压与调频功能分别在两个环节上实现，由控制电路协调配合，故结构简单、控制方便。由于装置输入环节采用可控整流，当低频低压运行时，移相触发角u很大，致使输入功率因数低下，此外逆变器多用晶闸管型二阶梯波，每周换流二次的逆变器，器件开关频率低输出谐波成分大。

（2）不控整流器整流、斩波器调压、逆变器调频方式。由于采用二极管整流，使输入功率因数提高。由于输出逆变环节功率器件采用晶闸管，仍有输出谐波成分大的弊病。

（3）不控整流器整流、脉宽调制型（PWM）逆变器同时实现调压调频方式。此时除装置输入功率因数高，又因采用高开关频率的逆变器，输出谐波很小，性能优良。

1.2交-交变频器

交-直-交变频器控制简单，所用晶闸管元件少，但它要经过两次能量转换损耗比较大，而且大部分变频器都用不可控器件作逆变开关，采用电容强迫换流，电路结构复杂。交-交变频器可直接将电网频率交流变成频率可调交流，无需中间直流环节，从而可提高整个变频装置的变换效率。又由于交-交变频器中晶闸管可利用交流电网实现电源自然换流，无需专门设计换流电路，简化了变流器结构。再由于这种变频器基本单元是由三相可逆整流装置所构成、每相装置均为两个反并联的三相整流器、变频器容量就由它们来分担，因此在不采用元件串、并联的条件下，可将交-交变频器容量做得很大，使这种变频器在大容量低速同步电机的无齿系传动、大型线绕异步电机的超同步双馈调速，以及新型交流励磁变速恒频发电系统中得到了相当广泛的应用。

二、变频器的控制方式

2.1v/f控制

即u/f=c，正弦脉宽调制（SPWM）控制方式。v/f控制是为了得到理想的转矩-速度特性，基于在改变电源频率进行调速的同时，又要保证电动机的磁通不变的思想而提出的，通用型变频器基本上都采用这种控制方式。v/f控制变频器结构非常简单，但是这种变频器采用开环控制方式，不能达到较高的控制性能，而且，在低频时，必须进行转矩补偿，以改变低频转矩特性。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，己在产业的各个领域得到广泛应用。这种控制方式在低频时，由于输出电压较小，受定子电阻压降的影响比较显著，故造成输出最大转矩减小。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，但系统性能不高、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转差频率控制

转差频率控制是一种直接控制转矩的控制方式，它是在v/f控制的基础上，按照知道异步电动机的实际转速对应的电源频率，并根据希望得到的转矩来调节变频器的输出频率，就可以使电动机具有对应的输出转矩。这种控制方式，在控制系统中需要安装速度传感器，有时还加有电流反馈，对频率和电流进行控制，因此，这是一种闭环控制方式，可以使变频器具有良好的稳定性，并对急速的加减速和负载变动有良好的响应特性。

2.3矢量控制，又称VC控制

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交流电流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Ia1、Ib1，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，以转子磁通定向，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。然而转子磁链难以准确观测，以及矢量变换的复杂性，实际效果不如理想的好。

2.4直接转矩控制，又称DTC控制

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。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化成等效直流电动机，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。

三、变频器的选型

在交流调速系统设计中，在保证系统指标的前提下，应以系统结构简单、成本低、技术成熟、维护工作量小为目标来选择最佳的系统配置，应克服追求高新技术的系统配置，减少造成投资高、维护工作量大、复杂的技术储备型设计。根据实际运行经验可按照以下原则设计以保证高的性能价格比。

①按负载类型选择调速装置。负载变化时通常希望速度变化越小，系统工作越稳定越好，所以大多数负载希望静态速度误差越小，机械特性越硬越好。但也存在某些负载要求较软的机械特性，当负载超重时为安全起见要求其速度自动地慢下来。②考虑调速经济性，优先考虑设备投资，从两方面考虑。①在符合系统调速要求条件下选择合适类型的调速装置，如风机、水泵等的一般性节能调速尚可考虑选用一般的v/f型SPMW（正弦脉宽调制）通用型变频器，毋需选择矢量控制或直接转矩控制变频器。在要求启动转矩大或调速特性要求高的场合，应选用矢量或直接转矩控制型变频器。在某些要求测量运转设备扭力矩的场合，选直接转矩控制的变频器就非常合适，因为该类型变频器可以直接测出其输出的转矩作为测量参数输出。②应考虑设备性能价格比，在价格相近时应选择性能更优异的变频器。

结语

综上所述，在实际工作中，进行变频器的选择时，要以坚实的理论知识为基础，再结合所面对的具体情况，来选择合适的变频器类型。也希望此文可以为需求者提供一定的理论支持。

参考文献

[1]焦云波.变频器控制电路及常见故障分析[J].中国高新技术企业.2013.

[2]龙瑞文.浅谈变频器的选择与使用[J].化学工程与装备.2012.

作者简介

刘亚静（1980.10.28），女，河北唐山人，河北工业大学本科，单位：唐山开滦勘察设计有限公司，研究方向：供配电设计。