變頻控制方法對比分析

A. 目前常用的變頻器採用的控制方式有哪些

目前，常用的變頻器，採用的控制方式有：V/f控制方式（又叫「向量控制方式」）、矢量控制和直接轉矩控制方式等三種。其中，又以V/f控制方式和矢量控制方式最為常見用。

變頻器

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一、V/f控制模式

1、控制特點：通過壓頻變換器使變頻器的輸出電壓與輸出頻率成比例的改變，即v/f=常數。

2、性能特點：性價比高，輸出轉矩恆定即恆磁通控制，但速度控制的精度不高。適用於以節能為目的和對速度精度要求較低的場合。

3、低頻穩定性較差：在低速運行時，會造成轉矩不足，需要進行轉矩補償。

二、矢量控制方式

矢量控制是交流電動機用模擬直流電動機的控制方法來進行控制。

1、將控制信號按直流電動機的控制方法分為勵磁信號和電樞信號

2、將控制信號按三相交流電動機的控制要求變換為三相交流電控制信號，驅動變頻器的輸出逆變電路。

變頻器控制方式：分為無感測器（開環）和有感測器（閉環）兩種控制方式。無感測器控制方式是通過變頻器內部的反饋形成閉環。

三、轉矩控制

直接轉矩控制技術，英語稱為DSC或DTC控制，是繼矢量控制技術之後又一種具有高控制性能的交流調速技術。直接轉矩控制是利用空間矢量、定子磁場定向的分析方法，直接在定子坐標系下分析非同步電動機的數學模型，計算與控制非同步電動機的磁鏈和轉矩，採用離散的兩點式調節器（Band-Band控制），把轉矩檢測值與轉矩給定值作比較，使轉矩波動限制在一定的轉差范圍內，轉差的大小由頻率調節器來控制，並產生PWM脈寬調制信號，直接對逆變器的開關狀態進行控制，以獲得高動態性能的轉矩輸出。直接轉矩控制完成了交流調速的又一次飛躍。

直接轉矩控制也是一對一控制，不能一台變頻器控制多台電動機，且不能用於過程式控制制。

B. 變頻技術的幾種控制方式

變頻技術是應交流電機無級調速的需要而誕生的。20世紀60年代後半期開始，電力電子器件從SCR（晶閘管）、GTO（門極可關斷晶閘管）、BJT（雙極型功率晶體管）、MOSFET（金屬氧化物場效應管）、SIT（靜電感應晶體管）、SITH（靜電感應晶閘管）、MGT（MOS控制晶體管）、MCT（MOS控製品閘管）發展到今天的IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）、HVIGBT（耐高壓絕緣柵雙極型晶閘管），器件的更新促使電力變換技術的不斷發展。20世紀70年代開始，脈寬調制變壓變頻（PWM—VVVF）調速研究引起了人們的高度重視。
20世紀80年代，作為變頻技術核心的PWM模式優化問題吸引著人們的濃厚興趣，並得出諸多優化模式，其中以鞍形波PWM模式效果最佳。20世紀80年代後半期開始，美、日、德、英等發達國家的VVVF變頻器已投入市場並廣泛應用。 VVVF變頻器的控制相對簡單，機械特性硬度也較好，能夠滿足一般傳動的平滑調速要求，已在產業的各個領域得到廣泛應用。但是，這種控制方式在低頻時，由於輸出電壓較小，受定子電阻壓降的影響比較顯著，故造成輸出最大轉矩減小。另外，其機械特性終究沒有直流電動機硬，動態轉矩能力和靜態調速性能都還不盡如人意，因此人們又研究出矢量控制變頻調速。
矢量控制變頻調速的做法是：將非同步電動機在三相坐標系下的定子交流電流Ia、Ib、Ic、通過三相—二相變換，等效成兩相靜止坐標系下的交流電流Ia1Ib1，再通過按轉子磁場定向旋轉變換，等效成同步旋轉坐標系下的直流電流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），然後模仿直流電動機的控制方法，求得直流電動機的控制量，經過相應的坐標反變換，實現對非同步電動機的控制。 矢量控制方法的提出具有劃時代的意義。然而在實際應用中，由於轉子磁鏈難以准確觀測，系統特性受電動機參數的影響較大，且在等效直流電動機控制過程中所用矢量旋轉變換較復雜，使得實際的控制效果難以達到理想分析的結果。
1985年，德國魯爾大學的DePenbrock教授首次提出了直接轉矩控制變頻技術。該技術在很大程度上解決了上述矢量控制的不足，並以新穎的控制思想、簡潔明了的系統結構、優良的動靜態性能得到了迅速發展。目前，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。 直接轉矩控制直接在定子坐標系下分析交流電動機的數學模型，控制電動機的磁鏈和轉矩。它不需要將交流電動機化成等效直流電動機，因而省去了矢量旋轉變換中的許多復雜計算；它不需要模仿直流電動機的控制，也不需要為解耦而簡化交流電動機的數學模型。 VVVF變頻、矢量控制變頻、直接轉矩控制變頻都是交—直—交變頻中的一種。其共同缺點是輸入功率因數低，諧波電流大，直流迴路需要大的儲能電容，再生能量又不能反饋回電網，即不能進行四象限運行。為此，矩陣式交—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，輸入電流為正弦且能四象限運行，系統的功率密度大。該技術目前雖尚未成熟，但仍吸引著眾多的學者深入研究。

C. 交流電動機調速方式比較與變頻調速工作原理

變頻器一般指，交流電動機變頻調速器，它是通過改變電動機的工作電壓和工作頻率而實現調速的電力電子控制設備（簡稱VVVF調速裝置）。

1. 交流電動機調速依據

根據電機學原理，電動機轉子轉速為：

                            (1-1)

其中，n。為同步轉速

           f 為電源頻率

           P 為極對數

           S 為轉差率

由式（1-1）可見，改變轉子轉速n。的方式有三種：

（1）改變頻率

（2）改變極對數

（3）改變轉差率

2. 變頻調速基本原理

 2.1 交流非同步機的機械特性

n0為同步轉速，為額定轉速，T為額定轉矩，T為最大轉矩，為額定轉差

從額定轉矩到空載這段為交流非同步機的線性工作段，當負載轉矩大於額定轉矩，即從額定轉矩到最大轉矩段，表明交流非同步電機的過載能力；當負載轉矩大於最大轉矩時，進入負阻特性段，電機得不到穩定的工作狀態。

變頻調速是通過改變電動機電源供電頻率而達到改變同步轉速的一種方法。圖2所示為改變電動機同步轉速而獲得的一組機械特性。由圖可見，在保持最大轉矩基本不變的條件下，實現了連續平滑的調速。

其中，

在改變同步轉速的過程中，可得到基本平行的特性，而最大轉矩基本保持不變。「基本保持不變」是指隨著同步轉速的降低，電源供電電壓也隨之降低。而由於電壓降低，導致轉子側一次電阻阻抗和壓降發生了變化，因此，最大轉矩略微下降。這個變頻調速中略顯不足的問題，目前已有改進的方法，比如轉矩提升。

 2.2 從電壓頻率關系看變頻調速

在變頻調速中，為了在改變電源頻率時電動機的磁通能夠保持不變，以便獲得最大的轉矩，還需對電源電壓進行調節。

根據電機學原理，電動機感應電動勢的有效值為：

                                                            （1-2）

其中， 為繞組系數，電動機的常數

           :定子電源頻率

             N：定子匝數，電動機常數

            ：定子中通過的磁通

將（1-2）式兩邊除以 ,可以得到

                                                                     (1-3 )

由式（1-3）可見，若能控制電動機感應電動勢與電源頻率之比（ ）為常數時，則電動機定子通過的磁通 將是一個基本不變的常數。這樣就可以獲得最大的轉矩。

如果忽略定子阻抗壓降，則定子電壓 近似等於 。

結論： ，則磁通基本不變。

3. 調速方式對比分析

D. 變頻器內部控制方法、外部控制方法和通訊控制方法分別有什麼優缺點

變頻器內部控制方法指的是通過變頻器鍵盤來做啟停和調速，優點是不會受到外部因素的干擾，缺點是操作不方便，需要到變頻器跟前才可以操作；
變頻器外部控制方法指的是通過變頻器的端子控制啟停與調速，優點是可以方便的遠程式控制制變頻器，缺點是需要加一些控制線，增加接線布局；
變頻器通訊控制方法是指通過變頻器自帶的通訊功能與外圍的PLC、觸摸屏等進行通訊，優點是方便操作，缺點是易收到干擾，引起通訊異常

E. 變頻器控制方式：開環矢量與V/F控制的區別是什麼

兩者區別是：

1、開環矢量控制是電流環控制模式，復雜，但機械特性好，精度高，在任何頻率上都有良好的輸出轉矩。比V/F控制相對先進些。但是適用性不如VF強。

2、V/F控制是電壓頻率控制，簡單，成本低，但機械特性略差（主要體現在低頻輸出時，輸出機械轉矩小，就是身上力量了，像一個大個子在小空間里轉不開身，有力量使不上）。

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舉例

以非同步電動機的矢量控制為例：

它首先通過電機的等效電路來得出一些磁鏈方程，包括定子磁鏈，氣隙磁鏈，轉子磁鏈，其中氣隙磁鏈是連接定子和轉子的。一般的感應電機轉子電流不易測量，所以通過氣隙來中轉，把它變成定子電流。

然後，有一些坐標變換，首先通過3/2變換，變成旋轉的d-q坐標，然後通過前面的磁鏈方程產生的單位矢量來得到旋轉坐標下的類似於直流機的轉矩電流分量和磁場電流分量，這樣就實現了解耦控制，加快了系統的響應速度。

最後再經過2/3變換，產生三相交流電去控制電機，這樣就獲得了良好的性能。

F. 變頻器有幾種控制方式

變頻器中常用的控制方式在交流變頻器中使用的非智能控制方式有V/f協調控制、轉差頻率控制、矢量控制、直接轉矩控制等。
以下三種控制方式是最常用的。
(1)
V/f控制
V/f控制是為了得到理想的轉矩-速度特性，基於在改變電源頻率進行調速的同時，又要保證電動機的磁通不變的思想而提出的，通用型變頻器基本上都採用這種控制方式。V/f控制變頻器結構非常簡單，但是這種變頻器採用開環控制方式，不能達到較高的控制性能，而且，在低頻時，必須進行轉矩補償，以改變低頻轉矩特性。
(2)
轉差頻率控制
轉差頻率控制是一種直接控制轉矩的控制方式，它是在V/f控制的基礎上，按照知道異
步電動機的實際轉速對應的電源頻率，並根據希望得到的轉矩來調節變頻器的輸出頻率，就可以使電動機具有對應的輸出轉矩。這種控制方式，在控制系統中需要安裝速度感測器，有時還加有電流反饋，對頻率和電流進行控制，因此，這是一種閉環控制方式，可以使變頻器具有良好的穩定性，並對急速的加減速和負載變動有良好的響應特性。
(3)
矢量控制
矢量控制是通過矢量坐標電路控制電動機定子電流的大小和相位，以達到對電動機在d、q、0坐標軸系中的勵磁電流和轉矩電流分別進行控制，進而達到控制電動機轉矩的目的。通過控制各矢量的作用順序和時間以及零矢量的作用時間，又可以形成各種PWM波，達到各種不同的控制目的。例如形成開關次數最少的PWM波以減少開關損耗。目前在變頻器中實際應用的矢量控制方式主要有基於轉差頻率控制的矢量控制方式和無速度感測器的矢量控制方式兩種。