1.5 變頻器的分類和控制方式

1.5.1 變頻器的分類

變頻器的種類繁多，應(yīng)用非常廣泛，分類方法多種多樣。

1. 按供電電壓不同分類

可分為低壓變頻器（110V、220V、380V）、中壓變頻器（500V、660V、1140V）、高壓變頻器（3kV、3．3kV、6kV、6．6kV、10kV）三種。

2. 按直流電源的性質(zhì)分類

（1）電壓型變頻器：特點(diǎn)是中間直流環(huán)節(jié)的儲(chǔ)能元件采用大電容，負(fù)載的無功功率將由它來緩沖，直流電壓比較平穩(wěn)，直流電源內(nèi)阻較小，相當(dāng)于電壓源，故稱為電壓型變頻器，常用于負(fù)載電壓變化較大的場(chǎng)合。其主電路如圖1-35所示。

（2）電流型變頻器：特點(diǎn)是中間直流環(huán)節(jié)采用大電感作為儲(chǔ)能環(huán)節(jié)，緩沖無功功率，即扼制電流的變化，使電壓接近正弦波，由于該直流內(nèi)阻較大，故稱為電流源型變頻器（電流型）。電流型變頻器的特點(diǎn)（優(yōu)點(diǎn)）是能扼制負(fù)載電流頻繁而急劇的變化，常用于負(fù)載電流變化較大的場(chǎng)合，其主電路如圖1-36所示。電壓型變頻器和電流型變頻器的特點(diǎn)見表1-4。

3. 按照輸出電壓調(diào)節(jié)方式分類

可分為脈幅調(diào)制（PAW）變頻器和脈寬調(diào)制（PWM）變頻器。

脈幅調(diào)制（PAW）變頻器電壓的大小是通過調(diào)節(jié)直流電壓的幅值來實(shí)現(xiàn)的。

脈寬調(diào)制（PWM）變頻器電壓的大小是通過調(diào)節(jié)脈沖占空比來實(shí)現(xiàn)的。中小容量的通用變頻器幾乎全采用這類調(diào)制方式。

4. 按控制方式分類

可分為U/f控制方式、轉(zhuǎn)差率控制方式、矢量控制方式、矢量轉(zhuǎn)矩控制方式和直接轉(zhuǎn)矩控制方式等。

5. 按功能用途分類

（1）通用變頻器：通常指沒有特殊功能、要求不高的變頻器。由于分類的界限不是很分明，所以絕大多數(shù)變頻器都可歸入這一類中。

（2）風(fēng)機(jī)、水泵用變頻器：其主要特點(diǎn)是過載能力較弱，具有閉環(huán)控制PID調(diào)節(jié)功能，并具有“一控多”的切換功能。

（3）高性能變頻器：通常指具有矢量控制，并能進(jìn)行四象限運(yùn)行的變頻器，主要用于對(duì)機(jī)械特性和動(dòng)態(tài)響應(yīng)要求較高的場(chǎng)合。

（4）具有電源再生功能的變頻器：當(dāng)變頻器中直流母線上的再生電壓過高時(shí)，能將直流電源逆變成三相交流電反饋給電網(wǎng)，這種變頻器主要用于電動(dòng)機(jī)長(zhǎng)時(shí)間處于再生狀態(tài)的場(chǎng)合，如起重機(jī)械的吊鉤電動(dòng)機(jī)等。

（5）其他專業(yè)變頻器：如電梯專業(yè)變頻器、紡織專業(yè)變頻器、張力控制專業(yè)變頻器、中頻變器等。

提示

通用型變頻器是變頻器的基本類型，顧名思義，其特點(diǎn)是通用性。這里的通用型是指它可以對(duì)普通的異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行調(diào)速控制。

6. 按變換環(huán)節(jié)分類

1）交-交變頻器

交-交變頻器把頻率固定的交流電源變換成頻率連續(xù)可調(diào)的交流電源，如圖1-37所示。其主要優(yōu)點(diǎn)是沒有中間環(huán)節(jié)，變頻效率高，但其連續(xù)可調(diào)的頻率范圍窄，一般為額定頻率的50%以下，主要用于容量大、低速的場(chǎng)合。

2）交-直-交變頻器

交-直-交變頻器先把工頻交流電通過整流器整流為直流電，然后再把直流電逆變成頻率、電壓可調(diào)的交流電源，由電路直流中間環(huán)節(jié)進(jìn)行濾波，所以又稱為間接式變頻器，如圖1-38所示。表1-5列出了兩種基本形式變頻器主要特點(diǎn)的比較。

1.5.2 變頻器的控制方式

當(dāng)對(duì)異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速時(shí)，需要根據(jù)電動(dòng)機(jī)的特性對(duì)供電電壓（電流）和頻率進(jìn)行適當(dāng)控制，采用不同的控制方法所得到的調(diào)速性能、特征和作用是不同的。

變頻器所采用的控制方式按系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分為兩類，即開環(huán)控制和閉環(huán)控制。也可按非智能控制和智能控制方式區(qū)分。目前各種控制方式的變頻器已產(chǎn)品化，可根據(jù)調(diào)速目的、用途和調(diào)速系統(tǒng)所需的性能指標(biāo)選擇合適的控制方式，以構(gòu)成性價(jià)比高的交流調(diào)速系統(tǒng)。

1. 非智能控制方式

在交流變頻器中使用的非智能控制方式有U/f控制、轉(zhuǎn)差頻率控制、矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制等。

1）U/f控制（SPWM）

通用變頻器基本上都采用這種控制方式，其特點(diǎn)是控制電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本較低，機(jī)械特性硬度也較好，能夠滿足一般傳動(dòng)的平滑調(diào)速要求，已在產(chǎn)業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。但是，這種控制方式在低頻時(shí)，由于輸出電壓較低，轉(zhuǎn)矩受定子電阻壓降的影響比較顯著，使輸出最大轉(zhuǎn)矩減小。另外，其機(jī)械特性終究沒有直流電動(dòng)機(jī)硬，動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩能力和靜態(tài)調(diào)速性能都還不盡如人意，且系統(tǒng)性能不高，控制曲線會(huì)隨負(fù)載的變化而變化，轉(zhuǎn)矩響應(yīng)慢，電機(jī)轉(zhuǎn)矩利用率不高，低速時(shí)會(huì)因?yàn)槎ㄗ与娮韬湍孀兤魉绤^(qū)效應(yīng)的存在而導(dǎo)致性能下降、穩(wěn)定性變差等。

2）轉(zhuǎn)差頻率控制

轉(zhuǎn)差頻率控制方式是對(duì)U/f控制的一種改進(jìn)，這種控制需要由安裝在電動(dòng)機(jī)上的速度傳感器檢測(cè)出電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，構(gòu)成速度閉環(huán)。速度調(diào)節(jié)器的輸出為轉(zhuǎn)差頻率，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)差頻率之和決定。由于通過控制轉(zhuǎn)差頻率來控制轉(zhuǎn)矩的電流，與U/f控制相比，其加減速特性和限制過電流的能力得到了提高。

3）矢量控制（VC）

矢量控制是一種高性能異步電動(dòng)機(jī)控制方式，它根據(jù)交流電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型，利用坐標(biāo)變換的手段，將交流電動(dòng)機(jī)的定子電流分解成勵(lì)磁分量電流和轉(zhuǎn)矩分量電流，并分別加以控制，即模仿自然解耦的直流電動(dòng)機(jī)的控制方式，對(duì)電動(dòng)機(jī)的磁場(chǎng)和轉(zhuǎn)矩分別加以控制，從而獲得類似于直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。

4）直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC）

1985年，德國(guó)魯爾大學(xué)的De Penbrock教授首次提出了直接轉(zhuǎn)矩控制變頻技術(shù)。該技術(shù)在很大程度上解決了上述矢量控制的不足，并因其新穎的控制思想、簡(jiǎn)潔明了的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、優(yōu)良的動(dòng)靜態(tài)性能而得到了迅速發(fā)展。目前，該技術(shù)已成功地應(yīng)用在電力機(jī)車牽引的大功率交流傳動(dòng)上。直接轉(zhuǎn)矩控制直接在定子坐標(biāo)系下分析交流電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型，控制電動(dòng)機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩。它不需要將交流電動(dòng)機(jī)等效為直流電動(dòng)機(jī)，因而省去了矢量旋轉(zhuǎn)變換中的許多復(fù)雜計(jì)算；它不需要模仿直流電動(dòng)機(jī)的控制，也不需要為解耦而簡(jiǎn)化交流電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型。

提示

高性能變頻器大多采用矢量控制方式，驅(qū)動(dòng)對(duì)象是變頻器生產(chǎn)廠家指定的專用電動(dòng)機(jī)。與普通變頻器相比，它主要用于對(duì)電動(dòng)機(jī)控制要求較高的系統(tǒng)。

2. 智能控制方式

智能控制方式主要有神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、模糊控制、專家系統(tǒng)、學(xué)習(xí)控制等。在變頻器的控制中采用智能控制方式在具體應(yīng)用中有一些成功的范例。

1）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制方式應(yīng)用于變頻器的控制中，一般是進(jìn)行比較復(fù)雜的系統(tǒng)控制，這時(shí)對(duì)于系統(tǒng)的模型了解甚少，因此神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)既要完成系統(tǒng)辨識(shí)的功能，又要進(jìn)行控制。而且神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制方式可以同時(shí)控制多個(gè)變頻器，因此在多個(gè)變頻器級(jí)聯(lián)時(shí)進(jìn)行控制比較適合。但是如果神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的層數(shù)太多或者算法過于復(fù)雜，都會(huì)在具體應(yīng)用中帶來不少實(shí)際困難。

2）模糊控制

模糊控制算法用于控制變頻器的電壓和頻率，使電動(dòng)機(jī)的升速時(shí)間得到控制，以避免升速過快影響電動(dòng)機(jī)使用壽命或升速過慢影響工作效率。模糊控制的關(guān)鍵在于論域、隸屬度以及模糊級(jí)別的劃分，這種控制方式尤其適用于多輸入單輸出的控制系統(tǒng)。

3）專家系統(tǒng)

專家系統(tǒng)是利用所謂“專家”的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行控制的一種控制方式。因此，專家系統(tǒng)中一般要建立一個(gè)專家?guī)欤娣乓欢ǖ膶＜倚畔ⅲ涣硗膺€要有推理機(jī)制，以便于根據(jù)已知信息尋求理想的控制結(jié)果。專家?guī)炫c推理機(jī)制的設(shè)計(jì)是尤為重要的，直接關(guān)系到專家系統(tǒng)控制的優(yōu)劣。應(yīng)用專家系統(tǒng)既可以控制變頻器的電壓，又可以控制其電流。

4）學(xué)習(xí)控制

學(xué)習(xí)控制主要用于重復(fù)性的輸入，而規(guī)則的PWM信號(hào)（如中心調(diào)制PWM）恰好滿足這個(gè)條件，因此學(xué)習(xí)控制也可用于變頻器的控制。學(xué)習(xí)控制不需要了解太多的系統(tǒng)信息，但是需要1～2個(gè)學(xué)習(xí)周期，因此快速性相對(duì)較差。而且，學(xué)習(xí)控制的算法中有時(shí)需要實(shí)現(xiàn)超前環(huán)節(jié)，這用模擬器件是無法實(shí)現(xiàn)的。同時(shí)，學(xué)習(xí)控制還涉及穩(wěn)定性的問題，在應(yīng)用時(shí)要特別注意。

1.5.3 變頻器控制的展望

隨著電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)等高新技術(shù)的發(fā)展，變頻器的控制方式今后將向如下幾個(gè)方面發(fā)展。

1. 數(shù)字控制變頻器的實(shí)現(xiàn)

現(xiàn)在，對(duì)于變頻器的控制，用數(shù)字處理器已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)比較復(fù)雜的運(yùn)算，變頻器數(shù)字化將是一個(gè)重要的發(fā)展方向。目前進(jìn)行變頻器數(shù)字化主要采用單片機(jī)MCS51或80C196MC等，輔助以SLE4520或EPLD液晶顯示器等來實(shí)現(xiàn)更加完善的控制功能。

2. 多種控制方式的組合

單一的控制方式各有各的優(yōu)缺點(diǎn)，并沒有“萬能”的控制方式。在有些控制場(chǎng)合，需要將一些控制方式結(jié)合起來，如學(xué)習(xí)控制與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制相結(jié)合，自適應(yīng)控制與模糊控制相結(jié)合，這樣取長(zhǎng)補(bǔ)短，控制效果將會(huì)更好。

3. 遠(yuǎn)程控制的實(shí)現(xiàn)

依靠計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，通過RS-485接口及一些網(wǎng)絡(luò)協(xié)議對(duì)變頻器進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，也是一個(gè)發(fā)展方向。這樣在有些不適合進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)操作的場(chǎng)合，也可以很容易地實(shí)現(xiàn)控制目標(biāo)。圖1-39所示為送風(fēng)機(jī)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)示意圖。

4. 綠色變頻器

如何減少變頻器產(chǎn)生的高次諧波對(duì)電網(wǎng)帶來的污染，降低變頻器工作時(shí)的噪聲以及增強(qiáng)其工作的可靠性、安全性等這些問題，都需要通過采取合適的控制方式來解決，設(shè)計(jì)出綠色變頻器。