變頻器的功能作用和控製方式

一、工作原理

變頻器主要由整流（交流變直流）、濾波
、逆變（直流變交流）、製動單元
、驅動單元、檢測單元微處理單元等組成。變頻器靠內部IGBT的開斷來調整輸出電源的電壓和頻率
，根據電機的實際需要來提供其所需要的電源電壓，進而達到節能
、調速的目的，另外，變頻器還有很多的保護功能，如過流、過壓、過載保護等等。隨著工業自動化程度的不斷提高，變頻器也得到了非常廣泛的應用。

二、功能作用

變頻節能

變頻器節能主要表現在風機、水泵的應用上。風機、泵類負載采用變頻調速後，節電率為20%～60%
，這是因為風機、泵類負載的實際消耗功率基本與轉速的三次方成比例。當用戶需要的平均流量較小時，風機、泵類采用變頻調速使其轉速降低，節能效果非常明顯。而傳統的風機、泵類采用擋板和閥門進行流量調節
，電動機轉速基本不變，耗電功率變化不大。據統計
，風機
、泵類電動機用電量占全國用電量的31%
，占工業用電量的50%。在此類負載上使用變頻調速裝置具有非常重要的意義。目前，應用較成功的有恒壓供水、各類風機、中央空調和液壓泵的變頻調速。

在自動化係統中應用

由於變頻器內置有32位或16位的微處理器
，具有多種算術邏輯運算和智能控製功能，輸出頻率精度為0.1%~0.01%

，且設置有完善的檢測、保護環節，因此，在自動化係統中獲得廣泛應用。例如：化纖工業中的卷繞、拉伸、計量、導絲；玻璃工業中的平板玻璃退火爐、玻璃窯攪拌、拉邊機
、製瓶機
；電弧爐自動加料
、配料係統以及電梯的智能控製等。變提高工藝水平和產品質量方麵的應用頻器在數控機床控製、汽車生產線、造紙和電梯上的應用。

在提高工藝水平和產品質量方麵的應用

變頻器還可以廣泛應用於傳送、起重
、擠(ji)壓(ya)和(he)機(ji)床(chuang)等(deng)各(ge)種(zhong)機(ji)械(xie)設(she)備(bei)控(kong)製(zhi)領(ling)域(yu)
，它(ta)可(ke)以(yi)提(ti)高(gao)工(gong)藝(yi)水(shui)平(ping)和(he)產(chan)品(pin)質(zhi)量(liang)，減(jian)少(shao)設(she)備(bei)的(de)衝(chong)擊(ji)和(he)噪(zao)聲(sheng)

，延(yan)長(chang)設(she)備(bei)的(de)使(shi)用(yong)壽(shou)命(ming)。采(cai)用(yong)變(bian)頻(pin)調(tiao)速(su)控(kong)製(zhi)後(hou)，使(shi)機(ji)械(xie)係(xi)統(tong)簡(jian)化(hua)，操(cao)作(zuo)和(he)控(kong)製(zhi)更(geng)加(jia)方(fang)便(bian)，有(you)的(de)甚(shen)至(zhi)可(ke)以(yi)改(gai)變(bian)原(yuan)有(you)的(de)工(gong)藝(yi)規(gui)範(fan)，從(cong)而(er)提(ti)高(gao)了(le)整(zheng)個(ge)設(she)備(bei)的(de)功(gong)能(neng)。例(li)如(ru)，紡(fang)織(zhi)和(he)許(xu)多(duo)行(xing)業(ye)用(yong)的(de)定(ding)型(xing)機(ji)
，機(ji)內(nei)溫(wen)度(du)是(shi)靠(kao)改(gai)變(bian)送(song)入(ru)熱(re)風(feng)的(de)多(duo)少(shao)來(lai)調(tiao)節(jie)的(de)。輸(shu)送(song)熱(re)風(feng)通(tong)常(chang)用(yong)的(de)是(shi)循(xun)環(huan)風(feng)機(ji)，由(you)於(yu)風(feng)機(ji)速(su)度(du)不(bu)變(bian)，送(song)入(ru)熱(re)風(feng)的(de)多(duo)少(shao)隻(zhi)有(you)用(yong)風(feng)門(men)來(lai)調(tiao)節(jie)。如(ru)果(guo)風(feng)門(men)調(tiao)節(jie)失(shi)靈(ling)或(huo)調(tiao)節(jie)不(bu)當(dang)就(jiu)會(hui)造(zao)成(cheng)定(ding)型(xing)機(ji)失(shi)控(kong)，從(cong)而(er)影(ying)響(xiang)成(cheng)品(pin)質(zhi)量(liang)。循(xun)環(huan)風(feng)機(ji)高(gao)速(su)啟(qi)動(dong)，傳(chuan)動(dong)帶(dai)與(yu)軸(zhou)承(cheng)之(zhi)間(jian)磨(mo)損(sun)非(fei)常(chang)厲(li)害(hai)，使(shi)傳(chuan)動(dong)帶(dai)變(bian)成(cheng)了(le)一(yi)種(zhong)易(yi)耗(hao)品(pin)。在(zai)采(cai)用(yong)變(bian)頻(pin)調(tiao)速(su)後(hou)，溫(wen)度(du)調(tiao)節(jie)可(ke)以(yi)通(tong)過(guo)變(bian)頻(pin)器(qi)自(zi)動(dong)調(tiao)節(jie)風(feng)機(ji)的(de)速(su)度(du)來(lai)實(shi)現(xian)，解(jie)決(jue)了(le)產(chan)品(pin)質(zhi)量(liang)問(wen)題(ti)。此(ci)外(wai)
，變(bian)頻(pin)器(qi)能(neng)夠(gou)很(hen)方(fang)便(bian)地(di)實(shi)現(xian)風(feng)機(ji)在(zai)低(di)頻(pin)低(di)速(su)下(xia)啟(qi)動(dong)並(bing)減(jian)少(shao)了(le)傳(chuan)動(dong)帶(dai)與(yu)軸(zhou)承(cheng)之(zhi)間(jian)的(de)磨(mo)損(sun)，還(hai)可(ke)以(yi)延(yan)長(chang)設(she)備(bei)的(de)使(shi)用(yong)壽(shou)命(ming)
，同(tong)時(shi)可(ke)以(yi)節(jie)能(neng)40%。

實現電機軟啟動

電機硬啟動不僅會對電網造成嚴重的衝擊，而且會對電網容量要求過高，啟動時產生的大電流和震動對擋板和閥門的損害極大，對設備
、管(guan)路(lu)的(de)使(shi)用(yong)壽(shou)命(ming)極(ji)為(wei)不(bu)利(li)。而(er)使(shi)用(yong)變(bian)頻(pin)器(qi)後(hou)

，變(bian)頻(pin)器(qi)的(de)軟(ruan)啟(qi)動(dong)功(gong)能(neng)將(jiang)使(shi)啟(qi)動(dong)電(dian)流(liu)從(cong)零(ling)開(kai)始(shi)變(bian)化(hua)
，最(zui)大(da)值(zhi)也(ye)不(bu)超(chao)過(guo)額(e)定(ding)電(dian)流(liu)，減(jian)輕(qing)了(le)對(dui)電(dian)網(wang)的(de)衝(chong)擊(ji)和(he)對(dui)供(gong)電(dian)容(rong)量(liang)的(de)要(yao)求(qiu)
，延(yan)長(chang)了(le)設(she)備(bei)和(he)閥(fa)門(men)的(de)使(shi)用(yong)壽(shou)命(ming)
，同(tong)時(shi)也(ye)節(jie)省(sheng)設(she)備(bei)的(de)維(wei)護(hu)費(fei)用(yong)。

三
、控製方式

低壓通用變頻輸出電壓為380～650V，輸出功率為0.75～400kW，工作頻率為0～400Hz，它的主電路都采用交—直—交電路。其控製方式經曆了以下四代。

正弦脈寬調製(SPWM)控製方式

其特點是控製電路結構簡單、成cheng本ben較jiao低di
，機ji械xie特te性xing硬ying度du也ye較jiao好hao，能neng夠gou滿man足zu一yi般ban傳chuan動dong的de平ping滑hua調tiao速su要yao求qiu
，已yi在zai產chan業ye的de各ge個ge領ling域yu得de到dao廣guang泛fan應ying用yong。但dan是shi，這zhe種zhong控kong製zhi方fang式shi在zai低di頻pin時shi，由you於yu輸shu出chu電dian壓ya較jiao低di

，轉zhuan矩ju受shou定ding子zi電dian阻zu壓ya降jiang的de影ying響xiang比bi較jiao顯xian著zhu
，使shi輸shu出chu最zui大da轉zhuan矩ju減jian小xiao。另ling外wai，其qi機ji械xie特te性xing終zhong究jiu沒mei有you直zhi流liu電dian動dong機ji硬ying，動dong態tai轉zhuan矩ju能neng力li和he靜jing態tai調tiao速su性xing能neng都dou還hai不bu盡jin如ru人ren意yi，且qie係xi統tong性xing能neng不bu高gao、控製曲線會隨負載的變化而變化
，轉矩響應慢、電機轉矩利用率不高，低速時因定子電阻和逆變器死區效應的存在而性能下降
，穩定性變差等。因此人們又研究出矢量控製變頻調速。

電壓空間矢量(SVPWM)控製方式

tashiyisanxiangboxingzhengtishengchengxiaoguoweiqianti，yibijindianjiqixidelixiangyuanxingxuanzhuancichangguijiweimude，yicishengchengsanxiangtiaozhiboxing
，yineiqieduobianxingbijinyuandefangshijinxingkongzhide。jingshijianshiyonghouyouyousuogaijin，jiyinrupinlvbuchang，nengxiaochusudukongzhidewucha；通過反饋估算磁鏈幅值
，消除低速時定子電阻的影響
；將輸出電壓
、電流閉環，以提高動態的精度和穩定度。但控製電路環節較多
，且沒有引入轉矩的調節，所以係統性能沒有得到根本改善。

矢量控製(VC)方式

矢量控製變頻調速的做法是將異步電動機在三相坐標係下的定子電流Ia
、Ib
、Ic、通過三相－二相變換，等效成兩相靜止坐標係下的交流電流Ia1Ib1，再通過按轉子磁場定向旋轉變換，等效成同步旋轉坐標係下的直流電流Im1、It1(Im1相當於直流電動機的勵磁電流；It1相當於與轉矩成正比的電樞電流)

，ranhoumofangzhiliudiandongjidekongzhifangfa
，qiudezhiliudiandongjidekongzhiliang，jingguoxiangyingdezuobiaofanbianhuan，shixianduiyibudiandongjidekongzhi。qishizhishijiangjiaoliudiandongjidengxiaoweizhiliudiandongji，fenbieduisudu，cichanglianggefenliangjinxingdulikongzhi。tongguokongzhizhuanzicilian，ranhoufenjiedingzidianliuerhuodezhuanjuhecichanglianggefenliang
，jingzuobiaobianhuan，shixianzhengjiaohuojieoukongzhi。shiliangkongzhifangfadetichujuyouhuashidaideyiyi。ranerzaishijiyingyongzhong，youyuzhuanziciliannanyizhunqueguance，xitongtexingshoudiandongjicanshudeyingxiangjiaoda，qiezaidengxiaozhiliudiandongjikongzhiguochengzhongsuoyongshiliangxuanzhuanbianhuanjiaofuza
，shideshijidekongzhixiaoguonanyidadaolixiangfenxidejieguo。

直接轉矩控製(DTC)方式

1985年，德國魯爾大學的DePenbrock教授首次提出了直接轉矩控製變頻技術。該技術在很大程度上解決了上述矢量控製的不足，並以新穎的控製思想、簡潔明了的係統結構、優良的動靜態性能得到了迅速發展。該技術已成功地應用在電力機車牽引的大功率交流傳動上。 直zhi接jie轉zhuan矩ju控kong製zhi直zhi接jie在zai定ding子zi坐zuo標biao係xi下xia分fen析xi交jiao流liu電dian動dong機ji的de數shu學xue模mo型xing，控kong製zhi電dian動dong機ji的de磁ci鏈lian和he轉zhuan矩ju。它ta不bu需xu要yao將jiang交jiao流liu電dian動dong機ji等deng效xiao為wei直zhi流liu電dian動dong機ji，因yin而er省sheng去qu了le矢shi量liang旋xuan轉zhuan變bian換huan中zhong的de許xu多duo複fu雜za計ji算suan；它不需要模仿直流電動機的控製，也不需要為解耦而簡化交流電動機的數學模型。

矩陣式交—交控製方式

VVVF變頻、矢量控製變頻、直接轉矩控製變頻都是交—直—交(jiao)變(bian)頻(pin)中(zhong)的(de)一(yi)種(zhong)。其(qi)共(gong)同(tong)缺(que)點(dian)是(shi)輸(shu)入(ru)功(gong)率(lv)因(yin)數(shu)低(di)，諧(xie)波(bo)電(dian)流(liu)大(da)，直(zhi)流(liu)電(dian)路(lu)需(xu)要(yao)大(da)的(de)儲(chu)能(neng)電(dian)容(rong)，再(zai)生(sheng)能(neng)量(liang)又(you)不(bu)能(neng)反(fan)饋(kui)回(hui)電(dian)網(wang)
，即(ji)不(bu)能(neng)進(jin)行(xing)四(si)象(xiang)限(xian)運(yun)行(xing)。為(wei)此(ci)，矩(ju)陣(zhen)式(shi)交(jiao)—交變頻應運而生。由於矩陣式交—交變頻省去了中間直流環節，從而省去了體積大、價格貴的電解電容。它能實現功率因數為l，shurudianliuweizhengxianqienengsixiangxianyunxing
，xitongdegonglvmiduda。gaijishusuishangweichengshu，danrengxiyinzhezhongduodexuezheshenruyanjiu。qishizhibushijianjiedekongzhidianliu、磁鏈等量，而是把轉矩直接作為被控製量來實現的。具體方法是：

1
、控製定子磁鏈引入定子磁鏈觀測器，實現無速度傳感器方式
；

2
、自動識別(ID)依靠精確的電機數學模型，對電機參數自動識別；

3、算出實際值對應定子阻抗
、互感、磁飽和因素、慣量等算出實際的轉矩
、定子磁鏈
、轉子速度進行實時控製；

4

、實現Band—Band控製按磁鏈和轉矩的Band—Band控製產生PWM信號，對逆變器開關狀態進行控製。

矩陣式交—交變頻具有快速的轉矩響應(<2ms)，很高的速度精度(±2%，無PG反饋)，高轉矩精度(<+3%)；同時還具有較高的起動轉矩及高轉矩精度
，尤其在低速時(包括0速度時)
，可輸出150%～200%轉矩。

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