变频器原理及控制方式综述.doc

专业文献综述变频器原理及控制方式综述 题 目: 姓 名: 学 院: 工 学 院 专 业: 农业电气化与自动化 班 级: 学 号: 指导教师: 职称: 副 教 授 变频器原理及控制方式综述摘要: 本文介绍了变频器基本组成部分及工作原理，其基本组成包括：整流单元、滤波单元、逆变单元、制动单元、驱动单元、检测单元、微处理单元等。在此基础上综述了变频器不同的常用控制方法。其中控制方式包括：基于电动机稳态模型的开环恒压频比控制与转速闭环转差频率控制，基于电动机动态模型的矢量控制、直接转矩控制与无速度传感器控制。并阐述了变频器的发展现状及应用前景。随着工业自动化程度的不断提高，变频器也得到了非常广泛的应用。根据电机的实际需要来提供其所需要的不同幅值，不同频率的电源电压，进而达到节能、调速的目的。另外，变频器还有很多的保护功能，如过流、过压、过载保护等等。 关键词: 变频器；恒压频比；矢量控制 ；无传感器矢量控制 a survey on the principle and control .of inverterabstract: this paper introduces the principle and the basic component of inverter. the inverter structure consists of a commutation unit, a filtering unit , a inversion unit, a braking unit , a driving unit , a measuring unit and a microprocessing unit. on this basis, it also reviews the in different ways how the control of inverter. including: based variable voltage and variable frequency and diffrence frequency closed circle adjusting speed on the motor of the steady-state mode. based vector control,direct torque control and sensorless vector control on the dynamic model of the motor. it also reviews the development process inverter and the application of inverter in the future. with the improvement of industrial automation, frequency converter also got very widely. according to the actual needs of the motor to provide its need different amplitude, frequency of different voltage of power supply, and then reach the purpose of energy saving, speed. in addition, frequency converter and many of the protection function, such as flow, over-voltage, overload protection, and so on. key words: inverter; variable voltage and variable frequency; vector control;sensorless vector control0引言 变频器是集变频技术、微电子技术、控制技术于一体的产物，通过改变交流电机的工作电源频率来实现对交流调速系统的控制。现代通用变频器大都是采用二极管整流和由快速全控开关器件 igbt 或智能功率模块组成的pwm逆变器，构成交-直-交电压源型变压变频器。采用变频器控制有以下优点：(1)效率高、节约能源；(2)控制简单、工作可靠、易于维修保养；(3)变频器还有很多的保护功能，如过流、过压、过载保护等。随着工业自动化程度的不断提高，变频器也得到了非常广泛的应用。1 变频调速系统的发展1.1 变频器的发展历程通过改变交流电频率的方式实现交流电控制的技术就叫变频技术。变频技术是应交流电机无级调速的需要而诞生的。20世纪60年代后半期开始，电力电子器件从scr(晶闸管)、gto(门极可关断晶闸管)、bjt(双极型功率晶体管) 、mosfet(金属氧化物场效应管)、sit(静电感应晶体管)、sith(静电感应晶闸管)、mgt(mos控制晶体管)、mct(mos控制品闸管)发展到今天的igbt(绝缘栅双极型晶体管)、hvigbt(耐高压绝缘栅双极型晶闸管)，器件的更新促使电力变换技术的不断发展。20世纪70年代开始，脉宽调制变压变频(pwmvvvf)调速研究引起了人们的高度重视。20世纪80年代，作为变频技术核心的pwm模式优化问题吸引着人们的浓厚兴趣，并得出诸多优化模式，其中以鞍形波pwm模式效果最佳。20世纪80年代后半期开始，美、日、德、英等发达国家的vvvf变频器已投入市场并广泛应用。1.2 发展现状高压变频调速技术近年来发展很快，在能源紧缺、环境问题日益严重的今天，节能减排已经有了量化的考核指标。中压电机的调速方式改为变频调速，已经作为通用节能技术在“十一五”将加以重点推广。随着变频高速技术的发展与综合利用，使变频器行业在水泥、电梯、印刷、电力等现代化以及医学、通讯、交通、运输、电力、电子、环保等领域得到空前的发展和应用，几乎国民经济各行各业都与变频器密不可分。变频技术正在给形形色色的家电带来新的革命，并将给用户带来更大的福音。今后变频技术还将随着电力电子器件、新型电力变换拓扑电路、滤波及屏蔽技术的进步而发展。 2 变频器的组成及工作原理变频器是利用电力半导体器件的通断作用把电压、频率固定不变的交流电变成电压、频率都可调的交流电源。2.1变频器的基本组成 变频器主要由整流（交流变直流）、滤波、逆变、制动单元、驱动单元、检测单元、微处理单元等组成的。2.2变频器各单元的作用整流器：通常使用的是二极管整流桥进行整流，它把工频交流电源变换为脉动直流电源。 滤波器：在整流器整流后的直流电压中，含有电源6倍频率的脉动电压，此外逆变器产生的脉动电流也使直流电压变动。为了抑制电压波动，采用电感和电容吸收脉动电压（电流）。使其电压电流更平滑。 逆变器：同整流器相反，逆变器是将直流功率变换为所要求频率的交流功率，以所确定的时间使6个开关器件导通、关断就可以得到3相交流输出。将直流电变成了所需频率和电压的交流电。制动单元：防止当变频器减速调速时，由于负载电机工作于发电机状态进行能量反馈，导致直流侧电压升高，此时通过制动单元可将回馈能量消耗。 驱动单元：驱动主电路器件的电路。它与控制电路隔离使主电路器件导通关断。检测单元：以装在异步电动机轴机上的速度检测器的信号为速度信号，送入运算回路，根据指令和运算可使电动机按指令速度运转。 微处理单元：将外部的速度、转矩等指令同检测电路的电流、电压信号进行比较运算，决定逆变器的输出电压、频率。2.3变频器的基本原理现在使用的变频器主要采用交直交方式，先把工频交流电源通过整流器转换成直流电源，然后再把直流电源转换成频率、电压均可控制的交流电源以供给电动机。首先经过整流器整流把输入的交流电变成脉动直流电，再通过滤波器对脉动直流电滤波使其更平滑，最后通过逆变器将直流电变为所需的交流电。霍尔传感器等检测电路将检测信号给微处理单元，微处理单元将外部的速度、转矩等指令同检测电路的电流、电压信号进行比较运算，决定逆变器开关器件的动作时刻，从而实现了输出电源的可调。3变频器的控制方式变频器的控制按照电动机的动稳态进行分析，可分为基于电动机稳态模型与基于电动机动态模型。31基于电动机稳态模型311开环恒压频比控制在各种pwm调制技术的基础上，在改变电机的频率，对电机的电压或电势同时进行控制，即实现变压变频(vvvf)。v，f协调控制可近似保持稳态磁通恒定，方法简单，可进行电机的开环速度控制。主要问题是低速性能较差。因为低速时，异步电动机定子电阻压降所占比重增加，已不能忽略，不能认为ue，这时v，f协调控制已不能保持 恒定。由于vf协调控制是依据稳态关系得出，因而动态性能较差。如欲改善v，f协调控制的性能，需对磁通进行闭环控制。312转速闭环转差频率控制在对调速性能要求较高的场合，转速开环已达不到要求，必须采用转速闭环，在矢量控制没有出现以前，人们只能依据稳态等效电路进行转速闭环系统的设计，于是就有了转差频率控制的变压变频调速方式。因为采用转速闭环，系统的静态性能肯定能保证，而动态性能最终体现在转速的变化率上，转速变化率取决于对电磁转矩的有效控制。调速系统的动态性能就是控制电磁转矩的能力。当转差值很小的稳态运行范围内，保持气隙磁通不变，异步电机的转矩就近似与转差角频率成正比。在异步电机中控制转差角频率，就能够达到间接控制转矩的目的。32基于电动机动态模型321矢量控制矢量控制技术以经过32坐标变换的电机的动态模型为基础，利用坐标旋转变换技术实现了定子电流励磁分量与转矩分量的解藕，使得交流电机在理论上能像直流电机一样分别对励磁分量与转矩分量进行独立控制，采用这样的双闭环调速系统使其获得像直流电机一样良好的动态性能。但是，矢量控制需要确定转子磁链的具体位置，同时为了使电机t作在合理的工作状态下，磁链幅值也必须加以控制。而磁链一般不直接检测，因此在矢量控制系统中用电机参数计算出磁链的位置角或利用磁链观测器观测磁链。这些方法都与电机参数有关，而在电机运行过程中，电机参数会随着环境温度和励磁条件的变化，在一定范围变动。这将严重影响控制系统的动态性能，甚至导致系统不稳定。为了解决这类问题，国内外学者应用现代控制理论，如模型参考自适应控制、卡尔曼滤波等，对电机参数(定、转子电阻、转动惯量等)进行动态辨识。322直接转矩控制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。直接转矩控制也是分别控制异步电动机的转矩和磁链，只是它选择定子磁链作为被控制的对象，而不像矢量控制系统那样选择了转子磁链，因此可以直接在定子坐标上计算与控制交流电动机的转矩。即通过实时检测磁通幅值和转矩值，分别与给定值比较，由磁通和转矩调节器直接输出，共同形成pwm逆变器的空间电压矢量，实现对磁链和转矩的直接闭环控制。它不需要分开的电压控制和频率控制，也不追求单相电压的正弦，而是把逆变器和电机视为整体，以三相波形总体生成为前提，使磁通、转矩跟踪给定值，磁链逼近圆形旋转磁场。直接转矩控制不需要坐标变换也不受转子参数变化的影响，控制器结构简单，而仍具有良好的静、动态性能。323无速度传感器控制无传感器矢量控制技术是在上述矢量控制方案的基础上利用电机定子边较易测得的电量(电压或电流)推算出电机的转速和磁通，进而实现对转速的控制。无速度传感器的控制系统无需检测硬件，免去了速度传感器带来的种种麻烦，提高了系统的可靠性，降低了系统的成本；另一方面，使得系统的体积小、重量轻，而且减少了电机与控制器的连线，使得采用无速度传感器的异步电机的调速系统在工程中的应用更加广泛。无传感器矢量控制系统的核一fl,问题是对转子的转速进行估计，系统性能的好坏取决于速度辨识的精度和转速辨识的范围。目前的速度估算方法有动态速度估算法、pi自适应控制器法、模型参考自适应法、扩展卡尔曼滤波法、神经网络法等。4 结论随着社会的发展和进步，变频器的使用也越来越广泛，不管是工业设备上还是家用电器上都会使用到变频器，可以说，只要有三相异步电动机的地方，就有变频器的存在。变频器调速的应用，能够在保证优良性能的同时达到节约能源的目的。我们应该加大对变频器研究力度，以不断的推动我国高压变频器的技术发展。参考文献:1 韩安荣.通用变频器及其应用(第2版)m.北京:机械工业出版社,2000.2 王兆安，黄俊.电力电子技术m. 北京:机械工业出版社.2006,54-55.3 石红梅. 变频技术原理与应用m.北京：机械工业出版社，20044 王廷才, 王伟. 变频器原理及应用m.北京：机械工业出版社，2005 5 袁登科. 三相电平逆变器pwm方法比较j.电气应用，2005，24(5)：48-51 6 原魁,等.变频器基础及应用(第2版)m.北京:冶金工业出版社,2005.7 franck betin. fuzzy logic applied to speed control of a stepping motor drivej.ieee transactions on industrial el