變頻器的基本構(gòu)成及分類

一. 變頻器的基本構(gòu)成及其作用

電壓型變頻器

在電壓型變頻器中，整流電路產(chǎn)生逆變電路所需要的直流電壓，并通過直流中間電路的電容進(jìn)行平滑后輸出。整流電路和直流中間電路起直流電壓源的作用，而電壓源輸出的直流電壓在逆變電路中被轉(zhuǎn)換為具有所需頻率的交流電壓。

在電壓型變頻器中，由于能量回饋給直流中間電路的電容，并使直流電壓上升，還需要有專用的放電電路，以防止換流器件因電壓過高而被破壞。

電壓型變頻器主電路的結(jié)構(gòu)因其使用的換流器件的不同而有多種形式。關(guān)于這些電路的結(jié)構(gòu)，可參考有關(guān)資料。

電流型變頻器

整流電路通過中間電路的電抗將電流平滑后輸出。整流電路和直流中間電路起電流源的作用，而電流源輸出的直流電流在逆變電路中被轉(zhuǎn)換為具有所需頻率的交流電流提供給電動(dòng)機(jī)。在電流型變頻器中，電動(dòng)機(jī)定子電壓的控制是通過檢測電壓后對電流進(jìn)行控制的方式實(shí)現(xiàn)的。

對于電流型變頻器來說，在電動(dòng)機(jī)進(jìn)行制動(dòng)的過程中可通過將直流中間電路的電壓反向的方式使整流電路變?yōu)槟孀冸娐?，并將?fù)載的能量回饋給電源，而且在出現(xiàn)負(fù)載短路等情況時(shí)也更容易處理，電流型控制方式更適合于大容量變頻器。

PAM調(diào)制變頻器(參見)

PAM控制是脈沖幅度調(diào)制(Pulse Amplitude Modulation)的縮寫，是一種在整流電路部分對輸出電壓(電流)的幅值進(jìn)行控制，而在逆變電路部分對輸出頻率進(jìn)行控制的控制方式。因?yàn)樵赑AM控制的變頻器中，逆變電路換流器件的開關(guān)頻率即為變頻器的輸出頻率，所以這是一種同步調(diào)制方式。

由于逆變電路換流器件的開關(guān)頻率(簡稱載波頻率)較低，在使用PAM控制方式的變頻器進(jìn)行調(diào)速驅(qū)動(dòng)時(shí)具有電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)噪音小，效率高等特點(diǎn)。但是，由于這種控制方式必須同時(shí)對整流電路和逆變電路進(jìn)行控制，控制電路比較復(fù)雜。此外，這種控制方式也還具有當(dāng)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)波動(dòng)較大的缺點(diǎn)。

PWM調(diào)制變頻器

PWM控制是脈沖寬度調(diào)制(Pulse Width ModuLation)的縮寫。交--直--交變頻器要求具有兩個(gè)基本特點(diǎn)：即輸出電壓的頻率和幅度可變。在PAM變頻器中，逆變器起變頻作用，整流器完成變壓。如在逆變器環(huán)節(jié)中，將每個(gè)半周的矩形分成許多小脈沖，通過調(diào)整脈沖寬度的大小，也可起到調(diào)壓的作用。這就是所謂的PWM方式。

為使異步電動(dòng)機(jī)在進(jìn)行調(diào)速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)能夠更加平滑，目前在變頻器中多采用SPWM法(正弦波PWM調(diào)制方式)。所謂SPWM法指的是通過改變PWM輸出的脈沖寬度，使輸出電壓的平均值接近于正弦波。(參見)

采用PWM控制方式的變頻器具有可減少高次諧波帶來的各種不良影響，轉(zhuǎn)矩波動(dòng)小，而且控制電路簡單，成本低等特點(diǎn)，是目前在變頻器中采用最多的一種逆變電路控制方式。但是，該方式也具有當(dāng)載波頻率不合適時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)噪音的缺點(diǎn)。為了克服這個(gè)缺點(diǎn)，在采用PWM控制方式的新型變頻器中都具有一個(gè)可改變變頻器載波頻率的功能，以便使用戶根據(jù)實(shí)際需要改變變頻器的載波頻率，從而達(dá)到降低電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)噪音的目的。

V/f控制變頻器

V/f控制是一種比較簡單的控制方式。它的基本特點(diǎn)是對變頻器輸出的電壓和頻率同時(shí)進(jìn)行控制，通過使電壓和頻率之比V/f的值保持一定而得到所需的轉(zhuǎn)矩特性。采用V/f控制方式的變頻器控制電路成本較低，多用于對精度要求不太高的通用變頻器。

轉(zhuǎn)差頻率控制變頻器

轉(zhuǎn)差頻率控制方式是對V/f控制的一種改進(jìn)。在采用這種控制方式的變頻器中，電動(dòng)機(jī)的實(shí)際速度由安裝在電動(dòng)機(jī)軸上的速度傳感器和變頻器控制電路得到，而變頻器的輸出頻率則由電動(dòng)機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速與所需轉(zhuǎn)差頻率的和被自動(dòng)設(shè)定，從而達(dá)到在進(jìn)行調(diào)速控制的同時(shí)控制電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的目的。

轉(zhuǎn)差頻率控制是利用了速度傳感器的速度閉環(huán)控制，井可以在一定程度上對輸出轉(zhuǎn)矩進(jìn)行控制，所以和V/f控制方式相比，在負(fù)載發(fā)生較大變化時(shí)仍能達(dá)到較高的速度精度和具有較好的轉(zhuǎn)矩特性。但由于采用這種控制方式時(shí)需要在電動(dòng)機(jī)上安裝速度傳感器，并需要根據(jù)電動(dòng)機(jī)的特性調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)差，通常多用于廠家指定的專用電動(dòng)機(jī)，通用性較差。

矢量控制變頻器

矢量控制是70年代西德B1aschke等人首先提出來的對交流電動(dòng)機(jī)的一種新的控制思想和控制技術(shù)，也是交流電動(dòng)機(jī)的一種理想的調(diào)速方法。矢量控制的基本思想是：將異步電動(dòng)機(jī)的定子電流分為產(chǎn)生磁場的電流分量(勵(lì)磁電流)和與其相垂直的產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的電流分量(轉(zhuǎn)矩電流)并分別加以控制。由于在這種控制方式中必須同時(shí)控制異步電動(dòng)機(jī)定子電流的幅值和相位，即控制定子電流矢量，因此這種控制方式被稱為矢量控制方式。

矢量控制方式使對異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行高性能的控制成為可能。采用矢量控制方式的交流調(diào)速系統(tǒng)不僅在調(diào)速范圍上可與直流電動(dòng)機(jī)相匹敵，而且可直接控制異步電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩。故已經(jīng)在許多需要進(jìn)行精密控制的領(lǐng)域得到了應(yīng)用。

由于在進(jìn)行矢量控制時(shí)需要準(zhǔn)確地掌握對象電動(dòng)機(jī)的有關(guān)參數(shù)，這種控制方式過去主要用于廠家指定的變頻器專用電動(dòng)機(jī)的控制。但隨著變頻調(diào)速理論和技術(shù)的發(fā)展及現(xiàn)代控制理論在變頻器中的成功應(yīng)用，目前在新型矢量控制變頻器中已經(jīng)增加了自調(diào)整(Auto-tuning)功能。帶有這種功能的變頻器在驅(qū)動(dòng)異步電機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)之前可自動(dòng)地對電動(dòng)機(jī)參數(shù)進(jìn)行辨識(shí)并根據(jù)辨識(shí)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(dòng)機(jī)進(jìn)行有效的矢量控制成為可能。

通用變頻器

通用變頻器可用于對普通異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)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(kuò)大，通用變頻器正朝著兩個(gè)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。

簡易型通用變頻器以節(jié)能為主要目的，削減了一些系統(tǒng)功能。主要應(yīng)用于水泵、風(fēng)扇、鼓風(fēng)機(jī)等對于調(diào)速性能要求不高的場所，并具有體積小，價(jià)格低等方面的優(yōu)勢。

高性能多功能通用變頻器在設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮了應(yīng)用中可能出現(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)的準(zhǔn)備。使用時(shí)，用戶可根據(jù)負(fù)載特性選擇算法并對變頻器的各種參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，也可根據(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)的特殊需要。高性能多功能變頻器廣泛應(yīng)用于傳送帶、升降裝置以及各種機(jī)床、電動(dòng)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，其轉(zhuǎn)矩控制性能較差。但隨著變頻器技術(shù)的發(fā)展，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。這種高性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，但在價(jià)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。

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(dòng)機(jī)的矢量控制方式得到了充分地重視和發(fā)展，采用矢量控制方式的高性能變頻器和變頻器專用電動(dòng)機(jī)所組成的調(diào)速系統(tǒng)在性能上已經(jīng)達(dá)到和超過了直流伺服系統(tǒng)。此外，由于異步電機(jī)還具有環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、維護(hù)簡單等許多直流伺服電機(jī)所不具備的優(yōu)點(diǎn)，在許多需要進(jìn)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)。

與通用變頻器相比，高性能專用變頻器基本上都采用了矢量控制，而驅(qū)動(dòng)對象通常是變頻器廠家指定的專用電機(jī)，并且主要應(yīng)用于對電動(dòng)機(jī)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，使變頻器具有最好的性能價(jià)格比而設(shè)計(jì)生產(chǎn)的。例如，在機(jī)床主軸驅(qū)動(dòng)專用的高性能變頻器中，為了便于和數(shù)控裝置配合完成各種工作，變頻器的主電路、回饋制動(dòng)電路和各種接口電路等被做成一體，從而達(dá)到了縮小體積和降低成本的要求。

此外，在超精密加工和高性能機(jī)械領(lǐng)域常常要用到高速電動(dòng)機(jī)。為了滿足這些高速電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的需要，出現(xiàn)了采用PAM控制方式的高速電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)用變頻器。這類變頻器的輸出頻率可達(dá)到3kHz，所以在驅(qū)動(dòng)兩極異步電動(dòng)機(jī)時(shí)電動(dòng)機(jī)的最高轉(zhuǎn)速可達(dá)到180000r/min。

圖6-31所示為目前市場主流的交--直--交變頻器的基本結(jié)構(gòu)。

二. 變頻器的分類

根據(jù)主電路工作方式的不同，變頻器可分為電壓型變頻器和電流型變頻器。

根據(jù)變頻器中逆變電路的開關(guān)方式的不同，變頻器可分為PAM調(diào)制變頻器和PWM調(diào)制變頻器。

根據(jù)控制原理的不同，變頻器可分為V/f控制方式、轉(zhuǎn)差頻率控制方式和矢量控制方式。

根據(jù)用途，變頻器可分為通用變頻器和高性能專用變頻器。