【文章內(nèi)容簡介】 理論在變頻器中的成功應(yīng)用，日前在新型矢量控制變頻器中已經(jīng)增加了自調(diào)整（Autotuning）功能。帶有這種功能的變頻器在驅(qū)動異步電動機進行正常運轉(zhuǎn)之前可以自動地對電動機的參數(shù)進行辨識并根據(jù)辨識結(jié)果調(diào)整控制算法中的有關(guān)參數(shù)，從而使得對普通的異步電動機進行侖效的欠量控制也成為可能。（4）按照用途分類。在上而介紹的變頻器分類方式中我們是按照變頻器的丁作原理對其進行分類的，僅是，對于一個變頻器的用戶來說，他關(guān)心更多的也可能足變頻器的用途而不是其工作原理。廠面，我們介紹一下按照用途對變頻器進行分類時變頻器的種類。當(dāng)按照用途對變頻器進行分類時變頻器可以分為以下幾種類型。1）通用變頻器。顧名思義，通用變頻器的特點是其通用件。這里通用件指的是通用變領(lǐng)器可以對普通的異步電動機進行調(diào)速控制。隨著變頻器技術(shù)的發(fā)展和市場需要的不斷擴大，通用變頻器也在朝著兩個方向發(fā)展：低成本的簡易型通用變頻器和高性能多功能的通用變頻器。這兩類變頻器分別具有以下特點。簡易型通用變頻器是一種以節(jié)能為主安目的而削減了一些系統(tǒng)功能的通用變頻器。它主要應(yīng)用于水泵、風(fēng)扇、鼓風(fēng)機等對系統(tǒng)的調(diào)速性能要求不高的場所，并具有體積小，價格低等方面的優(yōu)勢。高性能多功能通用變頻器在設(shè)計過程中充分考慮了在變頻器應(yīng)用匯總可能出現(xiàn)的各種需要，并為滿足這些需要在系統(tǒng)軟件和硬件方面都做了相應(yīng)的淮備。在使用時，用戶可以根據(jù)負載特性選擇算法并對變頻器的各種參數(shù)進行設(shè)定，也可以根據(jù)系統(tǒng)的需要選擇廠家所提供的各種選件來滿足系統(tǒng)的持殊需要。高性能多功能變頻器除了可以應(yīng)用于簡易型變頻器的所有應(yīng)用領(lǐng)域之外，還廣泛應(yīng)用于傳送帶、升降裝置以及各種機床、電動車輛等對調(diào)速系統(tǒng)的性能和功能有較高要求的許多場合。過去，通用型變頻器基本上采用的是電路結(jié)構(gòu)比較簡單的V/f控制方式，與采用轉(zhuǎn)矩矢量控制方式的高性能變頻器相比，在轉(zhuǎn)矩控制性能方面要差一些。但是，隨著坐頻器技術(shù)的發(fā)展和變頻器參數(shù)自整的實用化，目前一些廠家已經(jīng)推出了采用矢量控制方式的高性能多功能通用變頻器，以適應(yīng)競爭日趨激烈的變頻器市場的需要。這種高件能多功能通用變頻器在性能上已經(jīng)接近過去的高性能矢量控制變頻器，在價格方面卻與過去采用V/f控制方式的通用變頻器基本持平。因此，可以相信，隨著電力電子技術(shù)和計算機技術(shù)的發(fā)展，今后變頻器的性能價格比將會木斷提高。 2）高性能專用變頻器。隨著控制理論，交流調(diào)速理論和電力電子技術(shù)的發(fā)展，異步電動機的矢量控制方式得到了充分地重視和發(fā)展，采用矢量控制方式高性能變頻器和變頻器專用電動機所組成的調(diào)速系統(tǒng)在性能上已經(jīng)達到和越過了直流伺服系統(tǒng)。此外，由于異步電動機還具有對環(huán)境適應(yīng)性強、維護簡單許多直流伺服電動機所不具備的優(yōu)點，在許多需要進行高速高精度控制的應(yīng)用中這種高性能交流調(diào)速系統(tǒng)正在逐步替代直流伺服系統(tǒng)。同通用變頻器相比，高性能專用變頻器基本上采用矢量控制方式，而驅(qū)動對象通常是變頻器廠家指定的專用電動機，并且主要應(yīng)用于對電動機的控制性能要求較高的系統(tǒng)。此外，高性能專用變頻器往往是為了滿足某些特定產(chǎn)業(yè)或區(qū)域的需要，使變頻器在該區(qū)域中具有最好的性能價格比而設(shè)計生產(chǎn)的。例如，在機床主軸驅(qū)動專用的高性能變頻器中，為了便了和數(shù)控裝置配合完成各種工作，變頻器的主電路、回饋制動電路和各種接口電路等被做成一體，從而達到了縮小體積和降低成本的要求。而在纖維機械驅(qū)動方向，為了便于大系統(tǒng)的維修保養(yǎng)，變頻器則采用了可以簡單地進行拆裝的盒式結(jié)構(gòu)。3）高頻變頻器。在超精加工和崗性能機械區(qū)域中常常要用到高速電動機。為了滿足這些高速電動機驅(qū)動的需要，出現(xiàn)了采用PAM控制方式的高速電動機驅(qū)動用變頻器。這類變頻器的輸出頻率可以達到3kHz，所以在驅(qū)動兩極異步電動機時電動機的最高轉(zhuǎn)速可以達到18000r/min。4）單相變頻器和三相變頻器。交流電動機可以分為單相交流電動機和二相交流電動機兩種類型，與此相對應(yīng)，變頻器也分為單相變頻器和三相變頻器。二者的工作原理相同，但電路的結(jié)構(gòu)不同。變頻器對電動機進行控制，是根據(jù)電動機的特性參數(shù)及電動機運轉(zhuǎn)要求，對提供給電動機的電壓、電流、頻率進行控制以達到負載的要求，因此，即便變頻器的主電路一樣，逆變器件相同，單片機的位數(shù)也一樣，只是控制方式不一樣，其控制效果就不一樣。所以控制方式是很重要的，它代表變頻器的水平。 變頻器的控制方式目前變頻器對電動機的控制方式大體可分為：V/f恒定控制、轉(zhuǎn)差頻率控制、矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制、非線性控制、自適應(yīng)控制、滑模變結(jié)構(gòu)控制、智能控制等。前四種已獲得成功應(yīng)用，并有商品化產(chǎn)品，本章只討論前2種控制方式。 V/f恒定控制V/f控制是在改變電動機電源頻率的同時改變電動機電源的電壓,使電動機磁通保持一定，在較寬的調(diào)速范圍內(nèi)，電動機的效率、功率因數(shù)不下降。因為是控制電壓（Voltage）與頻率 (Frequency)的比，稱為V/f恒定控制。 此種控制方式比較簡單，多用于節(jié)能型變頻器，如風(fēng)機、泵類機械的節(jié)能運轉(zhuǎn)及生產(chǎn)流水線的工作臺傳動等。另外，空調(diào)等家用電器也多采用此控制方式的變頻器。 異步電動機的同步轉(zhuǎn)速由電源頻率和電動機極數(shù)決定，在改變頻率時，電動機的同步轉(zhuǎn)速隨著改變。當(dāng)電動機帶負載運行時，電動機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速略低于電動機的同步轉(zhuǎn)速，即存在轉(zhuǎn)差。轉(zhuǎn)差的大小和電動機的負載大小有關(guān)。 保持V/f恒定控制是異步電動機變頻調(diào)速最基本的控制方式，它在控制電動機的電源頻率變化的同時控制變頻器的輸出電壓，并使兩者之比為恒定，從而使電動機的磁通基本保持恒定。 電動機定子的感應(yīng)電動勢E1＝ f 1 N1 (21)式中 Kwl——電動機繞組系數(shù)； f1 ——電源頻率； N1 ——電動機繞組匝數(shù)； Фm——每極磁通。電動機端電壓和感應(yīng)電動勢的關(guān)系式為 Ul＝E1+(r1+jx1)I1， (22) 在電動機額定運行情況下，電動機定子電阻和漏電抗的壓降較小，電動機的端電壓和電動機的感應(yīng)電動勢近似相等。由式(21)可以看出，當(dāng)電動機電源頻率變化時，若電動機電壓不隨著變化，那么電動機的磁通將會出現(xiàn)飽和或欠勵磁。例如當(dāng)電動機的頻率降低時，若繼續(xù)保持電動機的端電壓不變，即繼續(xù)保持電動機感應(yīng)電動勢E不變，那么，由式(2—3)可知，電動機的磁通Фm將增大。由于電動機設(shè)計時電動機的磁通常處于接近飽和值，磁通的進一步增大將導(dǎo)致電動機出現(xiàn)飽和。磁通出現(xiàn)飽和后將會造成電動機中流過很大的勵磁電流，增加電動機的銅損耗和鐵損耗。而當(dāng)電動機出現(xiàn)欠勵磁時，將會影響電動機的輸出轉(zhuǎn)矩。因此，在改變電動機頻率時應(yīng)對電動機的電壓或電動勢進行控制，以維持電動機的磁通恒定。在變頻控制時，保持E / f恒定，可以維持磁通恒定。圖23是采用恒定V/f控制的異步電動機變壓變頻調(diào)速的轉(zhuǎn)矩特性曲線，圖中橫坐標(biāo)為轉(zhuǎn)速，縱坐標(biāo)為轉(zhuǎn)矩。由圖可看出，隨著頻率的變化，轉(zhuǎn)矩特性的直線段近似為一組平行線，電動機的最大轉(zhuǎn)矩相同，但產(chǎn)生最大轉(zhuǎn)矩時的轉(zhuǎn)差不同，所對應(yīng)的轉(zhuǎn)差頻率不變。 由于電動機的電動勢檢測比較困難，考慮到在電動機正常運轉(zhuǎn)時電動機的電壓和電動勢近似相等，通過控制V/f恒定以保持磁通為恒定．但是采用V/f恒定控制，在頻率降低后，電動機的轉(zhuǎn)矩有所下降。這是由于低速時的定子電阻壓降所占比重增大，電動機端電壓和電動勢近似相等的條件已不滿足。 V/f恒定控制常用在通用變頻器上。這類變頻器主要用于風(fēng)機、水泵的調(diào)速節(jié)能，以及對調(diào)速范圍要求不高的場合?？刂频耐怀鰞?yōu)點是可以進行電動機的開環(huán)速度控制。圖23 異步電動機變壓變頻調(diào)速的轉(zhuǎn)矩特性曲線 V/f恒定控制存在的主要問題是低速性能較差。其原因是低速時異步電動機定子電壓降所占比重增大，已不能忽略，不能認(rèn)為定于電壓和電動機感應(yīng)電動勢近似相等，仍按V/f恒定控制已不能保持電動機磁通恒定。電動機磁通的減小，勢必造成電動機的電磁轉(zhuǎn)矩減小。 除了定子漏阻抗的影響外，變頻器橋臂上下開關(guān)器件的互鎖時間是影響電動機低速性能的重要原因．對電壓型變頻器，考慮到電力電子器件的導(dǎo)通和關(guān)斷需一定時間，為了防止橋臂上下器件在通斷切換時直通，造成短路而損壞，在控制導(dǎo)通時設(shè)置一段開關(guān)導(dǎo)通延遲時間，在該時間內(nèi)，橋臂上下電力電子器件處于關(guān)斷狀態(tài)，因此又稱該延遲時間為互鎖時間。互鎖時間的長短與電力電子器件的種類有關(guān)．對于大功率晶體管(GTR)，互鎖時間約為10～30μs。對于絕緣柵晶體管(IGBT)，互鎖時間約為3～10μs。由于互鎖時間的存在，變頻器的輸出電壓將比控制電壓降低。互鎖時間造成的電壓降還會引起轉(zhuǎn)矩脈動，在一定條件下將會引起轉(zhuǎn)速、電流的振蕩，嚴(yán)重時變頻器不能運行。 可以采用補償端電壓的方法．即在低速時適當(dāng)提升電壓，以補償定子電阻壓降和開關(guān)互鎖時間的影響。 實現(xiàn)電壓型變頻器異步電動機系統(tǒng)V/f恒定控制的方式很多，如果采用正弦PWM進行電壓和頻率的控制，系統(tǒng)控制部分需要提供頻率可變、幅值隨頻率變化的正弦設(shè)定信號。使用模擬電子技術(shù)產(chǎn)生正弦信號并不困難，但若需要信號的幅值正比于頻率的變化，或按某種規(guī)律變化，則采用數(shù)字電路較易實現(xiàn)。 V/f恒定控制的PWM變頻器中，PWM控制部分原理圖示于圖24。圖中LA為加減速控制環(huán)節(jié)，它將階躍的速度設(shè)定信號變?yōu)榫徛兓脑O(shè)定信號，以減小起動和制動時的電流沖擊。μCOM為微型計算機處理單元，它包括存有正弦波形的數(shù)據(jù)的只讀存儲器EPROM和產(chǎn)生EPROM地址的計數(shù)器。VFC為壓頻變換器，它將速度設(shè)定的電壓信號變?yōu)轭l率信號(脈沖)，反映速度(電壓)設(shè)定的脈沖送入μCOM中的計數(shù)器，計數(shù)器的數(shù)據(jù)作為EPROM的地址，改變計數(shù)頻率，即可改變EPROM的地址掃描頻率變化。EPROM的數(shù)據(jù)送至數(shù)／模轉(zhuǎn)換器(DAC)，DAC設(shè)有乘法功能，它的電壓參考端直接接至速度(電壓)設(shè)定端(VFC的輸入)。DAC的輸出電壓波形的幅值正比于速度設(shè)定值，從而實現(xiàn)V/f恒定控制。控制電壓和三角波進行調(diào)制獲得變頻器主電路開關(guān)器件IGBT通斷所需要的PWM控制信號。圖24 恒定控制的PWM變頻器的主電路的控制部分圖 V/f恒定控制的PWM變頻器的電路通常為交直交電壓型變頻器，輸入接至三相電源，輸出接三相異步電動機。中小容量變頻器常采用可關(guān)斷電力電子器件如大功率晶體管(GTR)或絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)作為開關(guān)器件，構(gòu)成三相橋式逆變電路；大容量變頻器采用可關(guān)斷晶閘管(GTO晶閘管)或晶閘管(SCR)作為開關(guān)器件。當(dāng)采用晶閘管(SCR)作為開關(guān)器件時，由于晶閘管不能控制關(guān)斷，需要采用輔助換相電路。在主電路中還包括整流環(huán)節(jié)，通常使用普通電力二極管構(gòu)成三相不可控整流橋，它將三相交流電整流成直流，經(jīng)濾波電容器濾成平穩(wěn)的直流。濾波電容器和整流橋之間接有充電限流電阻，當(dāng)變頻器接通電源時，由于直流濾波電容器的電壓不能突變，如果沒有充電限流電阻，整流二極管和電容器將會流進很大的充電電流。充電限流電阻的作用就是要限制充電電流。一旦充電結(jié)束，電容器的電壓達到正常工作電壓時，充電限流電阻被繼電器短接。濾波后的直流電作為逆變器的輸入，經(jīng)逆變橋逆變成三相交流電提供給三相異步電動機。 變頻器的控制電路除了上述PWM生成部分之外，還包括電力電子器件的驅(qū)動電路。它將PWM控制信號(通常為邏輯電平)經(jīng)隔離、放大，變成可以控制電力電子器件導(dǎo)通、關(guān)斷的電壓或電流信號。不同類型的電力電子器件需要不同的驅(qū)動電路。驅(qū)動電路的基本要求是提供足夠的開通電壓或電流，以及可靠的關(guān)斷電壓或電流。保護部分應(yīng)保證變頻器不會發(fā)生永久性破環(huán)。有硬件保護和軟件保護時,它們均需對保護對象進行快速檢測,并根據(jù)預(yù)先設(shè)置的保護動作設(shè)定值，分別進行處理并給出相應(yīng)的故障信息。 矢量控制 矢量控制是一種高性能異步電動機控制方式，它基于電動機的動態(tài)數(shù)學(xué)模型，分別控制電動機的轉(zhuǎn)矩電流和勵磁電流，具有直流電動機相類似的控制性能。直流電動機具有兩套繞組，勵磁繞組和電樞繞組。兩套繞組在機械上是獨立的，在空間上互差90176。；兩套繞組在電氣上也是分開的，分別由不同電源供電。在勵磁電流恒定時，直流電動機所產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩和電樞電流成正比，控制直流電動機的電樞電流可以控制電動機的轉(zhuǎn)矩，因而直流電動機具有良好的控制性能。當(dāng)進行閉環(huán)控制時，可以很方便地構(gòu)成速度、電流雙閉環(huán)控制，系統(tǒng)具有良好的靜、動態(tài)性能。異步電動機亦有兩套多相繞組(定子繞組和轉(zhuǎn)子繞組)，其中定子繞組和外部電源相接，在定子繞組中流過定子電流。轉(zhuǎn)于繞組只是通過電磁感應(yīng)在轉(zhuǎn)于繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，并流過電流，同時定子側(cè)的電磁能量轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能供給負載。因此異步電動機的定子電流包括兩個分量：勵磁電流分量和轉(zhuǎn)子電流分量。由于勵磁電流是異步電動機定子電流的一部分，很難像直流電動機那樣僅僅控制異步電動機的定子電流達到控制電動機轉(zhuǎn)矩的目的。事實上，異步電動機所產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩和定子電流并不成比例，定子電流大并不能保證電動機的轉(zhuǎn)矩大。例如，異步電動機起動時，定子電流幾乎是額定電流的5～7倍，～。但是，根據(jù)異步電動機的動態(tài)數(shù)學(xué)方程式，它具有和直流電動機的動態(tài)方程式相同的形式，因而如果選擇合適的控制策略，異步電動機應(yīng)能得到和直流電動機相類似的控制性能，這就是矢量控制。在認(rèn)識矢量控制原理時，經(jīng)常要碰到所謂的3/2/3變換的計算，這里的2指的是電動機的3相和2相。從產(chǎn)生電動機的旋轉(zhuǎn)磁場看，3相繞組中通以3相對稱電流可以產(chǎn)生圓形旋轉(zhuǎn)磁場，2相繞組中通以互差90176。的電流亦可以產(chǎn)生圓形旋轉(zhuǎn)磁場。因此從磁場的作用看，3相繞組所產(chǎn)生的磁場可以用2相繞組所產(chǎn)生的磁場來等效，這是分析電動機運行原理的基本方式。矢量控制中的3/2/3變換的計算亦是一種等效計算。將3相電動機等效為2相電動機后，電動機的定子繞組只有兩個，而且在空間上互差90176。同樣，可以用2相繞組等效多相轉(zhuǎn)于繞組。從幾何上看，直流電動機的兩套繞組在空間上亦是互差90176。，因而變換后的異步電動機具有和直流電動機相類似的繞組結(jié)構(gòu)。另外，從產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場角度考慮，旋轉(zhuǎn)磁場是交流電流產(chǎn)生的還是由直流電流產(chǎn)生的，這并不影響