变频器控制电机 变频器的5种控制方式详解！

简介:变频器是将工频转换成各种频率的交流电源，实现电机变速运行的装置，其中控制电路控制主电路，整流电路将交流电转换成DC，DC中间电路平滑整流电路的输出，逆变电路将DC再转换成交流电。

对于一个变频器来说，比如矢量控制变频器，需要大量的运算，有时候需要一个CPU来进行转矩计算和一些相应的电路。变频调速是通过改变电机定子绕组电源的频率来达到调速的目的。

变频器的分类

变频器的分类方法有很多:

根据主电路的工作方式，可分为电压型变频器和电流型变频器；

按开关方式分类，可分为PAM控制变频器、PWM控制变频器和高载频PWM控制变频器；

根据工作原理，可分为V/f控制变频器、转差频率控制变频器和矢量控制变频器。

根据应用分类，可分为通用变频器、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。

变频器的工作原理:

众所周知，交流电机的同步速度表达式为:

n=60 f/p

输入

N——异步电动机的速度；

F——异步电动机的频率；

S——电机转差率；

P——电机的极对数。

从公式可以看出，转速n与频率f成正比，通过改变频率f可以改变电机的转速，当频率f在0 ~ 50 Hz范围内变化时，电机转速的调节范围很宽。变频器是通过改变电机的电源频率来实现高效率、高性能调速的理想手段。

逆变器接线图

逆变器控制模式

低压通用变频输出电压380 ~ 650 V，输出功率0.75 ~ 400 kW，工作频率0 ~ 400 Hz。它的主要电路是交流-DC-交流电路。其控制模式经历了以下四代。

正弦脉宽调制控制模式

其特点是控制电路结构简单、成本低、机械硬度好，能够满足一般变速器平稳调速的要求，已广泛应用于工业的各个领域。但在低频时，由于输出电压低，转矩受到定子电阻压降的显著影响，降低了最大输出转矩。

另外，它的机械特性终究不如DC电机硬，动态转矩能力和静态调速性能都不尽如人意。而且系统性能不高，控制曲线会随着负载的变化而变化，转矩响应慢，电机转矩利用率不高。低速时，由于定子电阻和逆变器死区效应的存在，性能下降，稳定性变差。因此，人们发展了矢量控制和变频调速。

电压空矢量控制模式

在三相波形整体产生效果的前提下，针对接近电机气隙理想圆形旋转磁场轨迹，一次产生三相调制波形，采用内接多边形逼近圆形的方式进行控制。

经过实际使用，得到了改进，即可以引入频率补偿来消除速度控制的误差；通过反馈估计磁链幅值，消除低速时定子电阻的影响；输出电压和电流闭环，提高动态精度和稳定性。但是控制回路多，没有引入转矩调节，系统性能没有得到根本改善。

矢量控制模式

矢量控制变频调速的方法是将三相坐标系下异步电动机的定子电流ia、Ib、Ic转换成两相静止坐标系下的交流电流Ia1Ib1，然后根据转子磁场方向旋转转换成同步旋转坐标系下的DC电流Im1、it1，然后模仿DC电机的控制方法，得到DC电机的控制量，通过相应的坐标逆变换实现对异步电机的控制。

交流电机本质上相当于DC电机，速度和磁场两个分量是独立控制的。通过控制转子磁链，然后分解定子电流，得到转矩和磁场两个分量，通过坐标变换实现正交或解耦控制。矢量控制方法具有划时代的意义。但在实际应用中，由于转子磁链难以精确观测，系统特性受电机参数影响较大，等效DC电机控制过程中采用的矢量旋转变换复杂，使得实际控制效果难以达到理想的分析结果。

直接转矩控制模式

1985年，德国鲁尔大学的德彭布罗克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缺点，并以新颖的控制思想、简洁的系统结构和优异的动静态性能得到了快速发展。

目前，该技术已成功应用于电力机车牵引的大功率交流传动。直接转矩控制直接分析交流电机在定子坐标系下的数学模型，控制电机的磁链和转矩。它不需要将交流电机与DC电机等同起来，因此省去了矢量旋转变换中的许多复杂计算。它不需要模仿DC电机的控制，也不需要简化交流电机的数学模型进行解耦。

矩阵交-交控制模式

VVVF变频、矢量控制变频和直接转矩控制变频都是交流-DC-交流变频的一种。它们共同的缺点是输入功率因数低，谐波电流大，DC电路需要大储能电容，再生的能量不能回馈电网，即不能进行四象限运行。

于是矩阵交-交变频应运而生。由于矩阵交交变频省去了中间DC环节，省去了体积大价格高的电解电容。它可以实现L的功率因数、正弦输入电流、四象限运行和系统的高功率密度。虽然这项技术还不成熟，但它仍然吸引了许多学者深入研究。其本质不是间接控制等量的电流和磁链，而是直接实现转矩作为被控量。

-具体方法是:

控制定子磁链引入定子磁链观测器，实现无速度传感器方式；自动识别依靠精确的电机数学模型，对电机参数自动识别；算出实际值对应定子阻抗、互感、磁饱和因素、惯量等算出实际的转矩、定子磁链、转子速度进行实时控制；实现Band—Band控制按磁链和转矩的Band—Band控制产生PWM信号，对逆变器开关状态进行控制。

矩阵式交-交变频转矩响应快(