变频器基本结构与控制.doc

1、什麽是变频器？ 变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控 制装置。 2、PWM 和 PAM 的不同点是什麽？ PWM 是英文 Pulse Width Modulation(脉冲宽度调制)缩写，按一定规律改变脉冲 列的脉冲宽度，以调节输出量和波形的一种调值方式。PAM 是英文 Pulse Amplitude Modulation（脉冲幅度调制）缩写，是按一定规律改变脉冲列的脉冲幅 度，以调节输出量值和波形的一种调制方式。 3、电压型与电流型有什麽不同？ 变频器的主电路大体上可分为两类:电压型是将电压源的直流变换为交流的变频 器，直流回路的滤波是电容;电流型是将电流源的直流变换为交流的变频器，其直流回路滤波石电感。 4、为什麽变频器的电压与电流成比例的改变？ 非同步电动机的转矩是电机的磁通与转子内流过电流之间相互作用而产生的， 在额定频率下，如果电压一定而只降低频率，那麽磁通就过大，磁回路饱和，严重时将烧毁电机。因此，频率与电压要成比例地改变，即改变频率的同时控 制变频器输出电压，使电动机的磁通保持一定，避免弱磁和磁饱和现象的产 生。这种控制方式多用於风机、泵类节能型变频器。 5、电动机使用工频电源驱动时,电压下降则电流增加;对於变频器驱动,如果频率下降时电压也下降，那麽电流是否增加？ 频率下降(低速)时,如果输出相同的功率,则电流增加,但在转矩一定的条件下,电 流几乎不变。 6、采用变频器运转时，电机的起动电流、起动转矩怎样？ 采用变频器运转，随著电机的加速相应提高频率和电压，起动电流被限制在 150%额定电流以下(根据机种不同，为 125%200%)。用工频电源直接起动时， 起动电流为 67 倍，因此，将产生机械电气上的冲击。采用变频器传动可以平 滑地起动(起动时间变长)。起动电流为额定电流的 1.21.5 倍，起动转矩为 70%120%额定转矩；对於带有转矩自动增强功能的变频器，起动转矩为 100% 以上，可以带全负载起动。 7、V/f 模式是什麽意思？ 频率下降时电压 V 也成比例下降，这个问题已在回答 4 说明。V 与 f 的比例关 系是考虑了电机特性而预先决定的，通常在控制器的存储装置(ROM)中存有几 种特性，可以用开关或标度盘进行选择。 8、按比例地改 V 和 f 时，电机的转矩如何变化？ 频率下降时完全成比例地降低电压，那麽由於交流阻抗变小而直流电阻不变,将 造成在低速下产生地转矩有减小的倾向。因此，在低频时给定 V/f,要使输出电 压提高一些,以便获得一定地起动转矩,这种补偿称增强起动。可以采用各种方法 实现,有自动进行的方法、选择 V/f 模式或调整电位器等方法。 9、在说明书上写著变速范围 606Hz，即 10:1，那麽在 6Hz 以下就没有输出功率吗？ 在 6Hz 以下仍可输出功率，但根据电机温升和起动转矩的大小等条件，最低使 用频率取 6Hz 左右，此时电动机可输出额定转矩而不会引起严重的发热问题。 变频器实际输出频率(起动频率)根据机种为 0.53Hz.。10、对於一般电机的组合是在 60Hz 以上也要求转矩一定，是否可以？ 通常情况下时不可以的。在 60Hz 以上(也有 50Hz 以上的模式)电压不变，大体 为恒功率特性，在高速下要求相同转矩时，必须注意电机与变频器容量的选 择。 11、所谓开环是什麽意思？ 给所使用的电机装置设速度检出器(PG)，将实际转速反馈给控制装置进行控制的，称为“闭环”，不用 PG 运转的就叫作“开环”。通用变频器多为开环方 式，也有的机种利用选件可进行 PG 反馈。 12、实际转速对於给定速度有偏差时如何办？ 开环时，变频器即使输出给定频率，电机在带负载运行时，电机的转速在额定 转差率的范围内(1%5%)变动。对於要求调速精度比较高，即使负载变动也要 求在近於给定速度下运转的场合，可采用具有 PG 反馈功能的变频器(选用件)。 13、如果用带有 PG 的电机，进行反馈后速度精度能提高吗？ 具有反馈功能的变频器，精度有提高。但速度精度的植取决於本身的 精度和变频器输出频率的解析度。14、失速防止功能是什麽意思？ 如果给定的加速时间过短，变频器的输出频率变化远远超过转速(电角频率)的 变化，变频器将因流过过电流而跳闸，运转停止，这就叫作失速。为了防止失 速使电机继续运转，就要检出电流的大小进行频率控制。当加速电流过大时适 当放慢加速速率。减速时也是如此。两者结合起来就是失速功能。 15、有加速时间与减速时间可以分别给定的机种，和加减速时间共同给定的机种，这有什麽意义？ 加减速可以分别给定的机种，对於短时间加速、缓慢减速场合，或者对於小型 机床需要严格给定生产节拍时间的场合是适宜的，但对於风机传动等场合，加 减速时间都较长，加速时间和减速时间可以共同给定。 16、什麽是再生制动？ 电动机在运转中如果降低指令频率，则电动机变为非同步发电机状态运行，作 为制动器而工作，这就叫作再生（电气）制动。 17、是否能得到更大的制动力？ 从电机再生出来的能量贮积在变频器的滤波电容器中，由於电容器的容量和耐压的关系。变频器基本结构与控制简介1 变频器简介 1.1 变频器的基本结构 变频器是把工频电源(50Hz或60Hz)变换成各种频率的交流电源，以实现电 机的变速运行的设备，其中控制电路完成对主电路的控制，整流电路将交流电 变换成直流电，直流中间电路对整流电路的输出进行平滑滤波，逆变电路将直 流电再逆变成交流电。对于如矢量控制变频器这种需要大量运算的变频器来 说，有时还需要一个进行转矩计算的 CPU 以及一些相应的电路。 1.2 变频器的分类 变频器的分类方法有多种，按照主电路工作方式分类，可以分为电压型变 频器和电流型变频器；按照开关方式分类，可以分为 PAM 控制变频器、PWM 控制变频器和高载频 PWM 控制变频器；按照工作原理分类，可以分为 V/f 控制 变频器、转差频率控制变频器和矢量控制变频器等；按照用途分类，可以分为 通用变频器、高性能专用变频器、高频变频器、单相变频器和三相变频器等。 2 变频器中常用的控制方式 2.1 非智能控制方式 在交流变频器中使用的非智能控制方式有 V/f 协调控制、转差频率控制、 矢量控制、直接转矩控制等。 (1) V/f 控制 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。 (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。 (3) 矢量控制 矢量控制是通过矢量坐标电路控制电动机定子电流的大小和相位，以达到 对电动机在 d、q、0 坐标轴系中的励磁电流和转矩电流分别进行控制，进而达 到控制电动机转矩的目的。通过控制各矢量的作用顺序和时间以及零矢量的作 用时间，又可以形成各种 PWM 波，达到各种不同的控制目的。例如形成开关 次数最少的 PWM 波以减少开关损耗。目前在变频器中实际应用的矢量控制方式主要有基于转差频率控制的矢量控制方式和无速度传感器的矢量控制方式两种。 基于转差频率的矢量控制方式与转差频率控制方式两者的定常特性一致，但是基于转差频率的矢量控制还要经过坐标变换对电动机定子电流的相位进行 控制，使之满足一定的条件，以消除转矩电流过渡过程中的波动。因此，基于转差频率的矢量控制方式比转差频率控制方式在输出特性方面能得到很大的改善。但是，这种控制方式属于闭环控制方式，需要在电动机上安装速度传感 器，因此，应用范围受到限制。无速度传感器矢量控制是通过坐标变换处理分别对励磁电流和转矩电流进 行控制，然后通过控制电动机定子绕组上的电压、电流辨识转速以达到控制励 磁电流和转矩电流的目的。这种控制方式调速范围宽，启动转矩大，工作可靠，操作方便，但计算比较复杂，一般需要专门的处理器来进行计算，因此， 实时性不是太理想，控制精度受到计算精度的影响。 (4) 直接转矩控制 直接转矩控制是利用空间矢量坐标的概念，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，通过检测定子电阻来达到观测定子 磁链的目的，因此省去了矢量控制等复杂的变换计算，系统直观、简洁，计算 速度和精度都比矢量控制方式有所提高。即使在开环的状态下，也能输出 100% 的额定转矩，对于多拖动具有负荷平衡功能。 (5) 最优控制 最优控制在实际中的应用根据要求的不同而有所不同，可以根据最优控制 的理论对某一个控制要求进行个别参数的最优化。例如在高压变频器的控制应 用中，就成功的采用了时间分段控制和相位平移控制两种策略，以实现一定条 件下的电压最优波形。 (6)其他非智能控制方式 在实际应用中，还有一些非智能控制方式在变频器的控制中得以实现，例如自适应控制、滑模变结构控制、差频控制、环流控制、频率控制等。 2.2 智能控制方式 智能控制方式主要有神经网络控制、模糊控制、专家系统、学习控制等。在变频器的控制中采用智能控制方式在具体应用中有一些成功的范例。 (1) 神经网络控制 神经网络控制方式应用在变频器的控制中，一般是进行比较复杂的系统控 制，这时对于系统的模型了解甚少，因此神经网络既要完成系统辨识的功能，又要进行控制。而且神经网络控制方式可以同时控制多个变频器，因此在多个 变频器级联时进行控制比较适合。但是神经网络的层数太多或者算法过于复杂都会在具体应用中带来不少实际困难。 (2) 模糊控制 模糊控制算法用于控制变频器的电压和频率，使电动机的升速时间得到控 制，以避免升速过快对电机使用寿命的影响以及升速过慢影响工作效率。模糊 控制的关键在于论域、隶属度以及模糊级别的划分，这种控制方式尤其适用于 多输入单输出的控制系统。 (3) 专家系统 专家系统是利用所谓“专家”的经验进行控制的一种控制方式，因此，专 家系统中一般要建立一个专家库，存放一定的专家信息，另外还要有推理机制，以便于根据已知信息寻求理想的控制结果。专家库与推理机制的设计是尤 为重要的，关系着专家系统控制的优劣。应用专家系统既可以控制变频器的电 压，又可以控制其电流。 (4) 学习控制 学习控制主要是用于重复性的输入，而规则的PWM信号(例如中心调制 PWM)恰好满足这个条件，因此学习控制也可用于变频器的控制中。学习控制 不需要了解太多的系统信息，但是需要 12 个学习周期，因此快速性相对较差，而且，学习控制的算法中有时需要实现超前环节，这用模拟器件是无法实 现的，同时，学习控制还涉及到一个稳定性的问题，在应用时要特别注意。 3 变频器控制的展望 随着电力电子技术、微电子技术、计算机网络等高新技术的发展，变频器的控制方式今后将向以下几个方面发展。 (1) 数字控制变频器的实现现在，变频器的控制方式用数字处理器可以实现比较复杂的运算，变频器 数字化将是一个重要的发展方向，目前进行变频器数字化主要采用单片机 MCS51 或 80C196MC 等，辅助以 SLE4520 或 EPLD 液晶显示器等来实现更加 完善的控制性能。 (2) 多种控制方式的结合 单一的控制方式有着各自的优缺点，并没有“万能”的控制方式，在有些 控制场合，需要将一些控制方式结合起来，例如将学习控制与神经网络控制相 结合，自适应控制与模糊控制相结合，直接转矩控制与神经网络控制相结合， 或者称之为“混合控制”，这样