變頻器基礎(chǔ)原理

    控制方式

    1:VVVF是VariableVoltageandVariableFrequency的縮寫(xiě)，意為改變電壓和改變頻率，也就是人們所說(shuō)的變壓變頻。

    2:CVCF是ConstantVoltageandConstantFrequency的縮寫(xiě)，意為恒電壓、恒頻率，也就是人們所說(shuō)的恒壓恒頻。

    VVC的控制原理

    在VVC中，控制電路用一個(gè)數(shù)學(xué)模型來(lái)計(jì)算電機(jī)負(fù)載變化時(shí)最佳的電機(jī)勵(lì)磁，并對(duì)負(fù)載加以補(bǔ)償。

    此外集成于ASIC電路上的同步60°PWM方法決定了逆變器半導(dǎo)體器件（IGBTS）的最佳開(kāi)關(guān)時(shí)間。

    決定開(kāi)關(guān)時(shí)間要遵循以下原則：

    數(shù)值上最大的一相在1/6個(gè)周期（60°）內(nèi)保持它的正電位或負(fù)電位不變。

    其它兩相按比例變化，使輸出線電壓保持正弦并達(dá)到所需的幅值（如下圖）
    與正弦控制PWM不同，VVC是依據(jù)所需輸出電壓的數(shù)字量來(lái)工作的。這能保證變頻器的輸出達(dá)到電壓的額定值，電機(jī)電流為正弦波，電機(jī)的運(yùn)行與電機(jī)直接接市電時(shí)一樣。

    由于在變頻器計(jì)算最佳的輸出電壓時(shí)考慮了電機(jī)的常數(shù)（定子電阻和電感），所以可得到最佳的電機(jī)勵(lì)磁。

    因?yàn)樽冾l器連續(xù)的檢測(cè)負(fù)載電流，變頻器就能調(diào)節(jié)輸出電壓與負(fù)載相匹配，所以電機(jī)電壓可適應(yīng)電機(jī)的類型，跟隨負(fù)載的變化。

    VVC+的控制原理是將矢量調(diào)制的原理應(yīng)用于固定電壓源PWM逆變器，這一控制建立在一個(gè)改善了的電機(jī)模型上，該電機(jī)模型較好的對(duì)負(fù)載和轉(zhuǎn)差進(jìn)行了補(bǔ)償。

    因?yàn)橛泄蜔o(wú)功電流成分對(duì)于控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)都是很重要的，控制電壓矢量的角度可顯著的改善0-12HZ范圍內(nèi)的動(dòng)態(tài)性能，而在標(biāo)準(zhǔn)的PWMU/F驅(qū)動(dòng)中0-10HZ范圍一般都存在著問(wèn)題。

    利用SFAVM或60°AVM原理來(lái)計(jì)算逆變器的開(kāi)關(guān)模式，可使氣隙轉(zhuǎn)矩的脈動(dòng)很小（與使用同步PWM的變頻器相比）。

    用戶可以選擇自己最喜愛(ài)的工作原理，或者由逆變器依據(jù)散熱器的溫度來(lái)自動(dòng)選擇控制原理。如果溫度低于75°C采用SFAVM原理來(lái)控制，當(dāng)溫度高于75℃時(shí)就應(yīng)用60°AVM原理。

    以下給出這兩個(gè)原理的概要

選擇	逆變器最大的開(kāi)關(guān)頻率	特點(diǎn)
SFAVM	最大8kHz	1. 與同步60°PWM(VVC)相比，轉(zhuǎn)矩紋波小 2. 無(wú)“換擋” 3. 逆變器的開(kāi)關(guān)損耗大
60°AVM	最大14kHz	1. 逆變器的開(kāi)關(guān)損耗減少（與SFAVM相比減少1/3） 2. 與同步60°PWM(VVC)相比轉(zhuǎn)矩紋波小 3. 與SFAVM相比轉(zhuǎn)矩紋波相對(duì)大些

    如上圖所示，電機(jī)模型為負(fù)載補(bǔ)償器和電壓矢量發(fā)生器分別計(jì)算額定的空載值ISX0，Isy0和I0，θ0。知道實(shí)際的空載值就有可能更準(zhǔn)確地估計(jì)電機(jī)軸的負(fù)載轉(zhuǎn)矩。

    與V/f控制相比，電壓矢量控制在低速時(shí)很有利，傳動(dòng)的動(dòng)特性可得到明顯的改善。此外因?yàn)榭刂葡到y(tǒng)能更好地估計(jì)負(fù)載轉(zhuǎn)矩，給出電壓和電流的矢量值，與標(biāo)量（僅有大小的值）控制的情況相比，電壓矢量控制還能得到很好的靜態(tài)特征[2]。

    各組成部分原理

    自六十年代后期以來(lái)，由于微處理器和半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展及其價(jià)格的降低，使變頻器發(fā)生了很大的變化。但是，變頻器的基本原理并沒(méi)有變。

    變頻器可以分為四個(gè)主要部分：

    1、整流器：它與單相或三相交流電源相連接，產(chǎn)生脈動(dòng)的直流電壓。整流器有兩種基本類型---可控和不可控的。

    2、中間電路：它有以下三種類型：

    a)將整流電壓變換成直流電流。

    b)使脈動(dòng)的直流電壓變得穩(wěn)定或平滑，供逆變器使用。

    c)將整流后固定的直流電壓變換成可變的直流電壓。

    3、逆變器：它產(chǎn)生電動(dòng)機(jī)電壓的頻率，另外，一些逆變器還可以將固定的直流電壓變換成可變的交流電壓。

    4、控制電路：它將信號(hào)傳送給整流器、中間電路和逆變器，同時(shí)它也接收來(lái)自這部分的信號(hào)。具體被控制的部分取決于各個(gè)變頻器的設(shè)計(jì)。如下圖：

    上圖示出變頻器不同的設(shè)計(jì)及控制原理。圖中：

    1-可控整流器，

    2-不可控整流器，

    3-可變直流電流的中間電路，

    4-固定直流電壓的中間電路，

    5-可變直流電壓的中間電路，

    6-脈沖幅度調(diào)試逆變器，

    7-脈沖寬度調(diào)制逆變器。

    電流逆變器：CSI（1+3+6）

    脈沖幅度調(diào)制逆變器：PAM（1+4+7），（2+5+7）

    脈沖寬度調(diào)制逆變器：PAM/VVC(2+4+7)

    為了全面，還應(yīng)該簡(jiǎn)要的提一下沒(méi)有中間電路的直接變頻器。這種變頻器用于功率等級(jí)不兆瓦級(jí)的地方，它們直接將50Hz電源變換為一個(gè)低頻電源，其最大輸出頻率為30Hz。

    整流器

    變頻器中的整流器可由二極管或晶閘管單獨(dú)構(gòu)成，也可由兩者共同構(gòu)成。由二極管構(gòu)成的是不可控整流器，有晶閘管構(gòu)成的是可控整流器。二極管和晶閘管都用的整流器是半控整流器。

    中間電路

    中間電路可看做是一個(gè)能量的存儲(chǔ)裝置，電動(dòng)機(jī)可以通過(guò)逆變器從中間電路獲得能量。和逆變器不同，中間電路可根據(jù)三種不同的原理構(gòu)成。

    在使用電源逆變器時(shí)，中間電路由一個(gè)大的電感線圈構(gòu)成，它只能與可控整流器配合使用。電感線圈將整流器輸出的可變電流電壓轉(zhuǎn)換成可變的直流電流。電機(jī)電壓的大小取決于負(fù)載的大小。

    中間電路的濾波器使斬波器輸出的方波電壓變得平滑。濾波器的電容和電感使輸出電壓在給定頻率下維持一定。

    中間電路還能提供如下一些附加功能，這取決于中間電路的設(shè)計(jì)。例如：

    l使整流器和逆變器解耦

    l減少諧波

    l儲(chǔ)存能量以承受斷續(xù)的負(fù)載波動(dòng)

    逆變器

    逆變器是變頻器最后一個(gè)環(huán)節(jié)，其后與電動(dòng)機(jī)相聯(lián)。它最終產(chǎn)生適當(dāng)?shù)妮敵鲭妷骸?br />
    變頻器通過(guò)使輸出電壓適應(yīng)負(fù)載的辦法，保證在整個(gè)控制范圍內(nèi)提供良好的運(yùn)行條件。這方法是將電機(jī)的勵(lì)磁維持在最佳值。

    逆變器可以從中間電路得到以下三者之一。

    l可變直流電流

    l可變直流電壓

    l固定直流電壓

    在以上每種情況下，逆變器都要確保給電機(jī)提供可變的量。換句話說(shuō)，電動(dòng)機(jī)電壓的頻率總是由逆變器產(chǎn)生的。如果中間電路提供的電流或電壓是可變的，逆變器只需調(diào)節(jié)頻率即可。如果中間電路只提供固定的電壓，則逆變器既要調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的頻率，還要調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的電壓。

    晶閘管在很大程度上被頻率更好的晶體管所取代，因?yàn)榫w管可以更快速地導(dǎo)通和關(guān)斷。開(kāi)關(guān)頻率取決于所用的半導(dǎo)體器件，典型的開(kāi)關(guān)頻率在300Hz到20KHz之間。

    逆變器中的半導(dǎo)體器件，由控制電路產(chǎn)生的信號(hào)使其導(dǎo)通和關(guān)斷。這些信號(hào)可以受到不同的控制。