变频控制方法对比分析

A. 目前常用的变频器采用的控制方式有哪些

目前，常用的变频器，采用的控制方式有：V/f控制方式（又叫“向量控制方式”）、矢量控制和直接转矩控制方式等三种。其中，又以V/f控制方式和矢量控制方式最为常见用。

变频器

(1)变频控制方法对比分析扩展阅读

一、V/f控制模式

1、控制特点：通过压频变换器使变频器的输出电压与输出频率成比例的改变，即v/f=常数。

2、性能特点：性价比高，输出转矩恒定即恒磁通控制，但速度控制的精度不高。适用于以节能为目的和对速度精度要求较低的场合。

3、低频稳定性较差：在低速运行时，会造成转矩不足，需要进行转矩补偿。

二、矢量控制方式

矢量控制是交流电动机用模拟直流电动机的控制方法来进行控制。

1、将控制信号按直流电动机的控制方法分为励磁信号和电枢信号

2、将控制信号按三相交流电动机的控制要求变换为三相交流电控制信号，驱动变频器的输出逆变电路。

变频器控制方式：分为无传感器（开环）和有传感器（闭环）两种控制方式。无传感器控制方式是通过变频器内部的反馈形成闭环。

三、转矩控制

直接转矩控制技术，英语称为DSC或DTC控制，是继矢量控制技术之后又一种具有高控制性能的交流调速技术。直接转矩控制是利用空间矢量、定子磁场定向的分析方法，直接在定子坐标系下分析异步电动机的数学模型，计算与控制异步电动机的磁链和转矩，采用离散的两点式调节器（Band-Band控制），把转矩检测值与转矩给定值作比较，使转矩波动限制在一定的转差范围内，转差的大小由频率调节器来控制，并产生PWM脉宽调制信号，直接对逆变器的开关状态进行控制，以获得高动态性能的转矩输出。直接转矩控制完成了交流调速的又一次飞跃。

直接转矩控制也是一对一控制，不能一台变频器控制多台电动机，且不能用于过程控制。

B. 变频技术的几种控制方式

变频技术是应交流电机无级调速的需要而诞生的。20世纪60年代后半期开始，电力电子器件从SCR（晶闸管）、GTO（门极可关断晶闸管）、BJT（双极型功率晶体管）、MOSFET（金属氧化物场效应管）、SIT（静电感应晶体管）、SITH（静电感应晶闸管）、MGT（MOS控制晶体管）、MCT（MOS控制品闸管）发展到今天的IGBT（绝缘栅双极型晶体管）、HVIGBT（耐高压绝缘栅双极型晶闸管），器件的更新促使电力变换技术的不断发展。20世纪70年代开始，脉宽调制变压变频（PWM—VVVF）调速研究引起了人们的高度重视。
20世纪80年代，作为变频技术核心的PWM模式优化问题吸引着人们的浓厚兴趣，并得出诸多优化模式，其中以鞍形波PWM模式效果最佳。20世纪80年代后半期开始，美、日、德、英等发达国家的VVVF变频器已投入市场并广泛应用。 VVVF变频器的控制相对简单，机械特性硬度也较好，能够满足一般传动的平滑调速要求，已在产业的各个领域得到广泛应用。但是，这种控制方式在低频时，由于输出电压较小，受定子电阻压降的影响比较显着，故造成输出最大转矩减小。另外，其机械特性终究没有直流电动机硬，动态转矩能力和静态调速性能都还不尽如人意，因此人们又研究出矢量控制变频调速。
矢量控制变频调速的做法是：将异步电动机在三相坐标系下的定子交流电流Ia、Ib、Ic、通过三相—二相变换，等效成两相静止坐标系下的交流电流Ia1Ib1，再通过按转子磁场定向旋转变换，等效成同步旋转坐标系下的直流电流Im1、It1（Im1相当于直流电动机的励磁电流；It1相当于与转矩成正比的电枢电流），然后模仿直流电动机的控制方法，求得直流电动机的控制量，经过相应的坐标反变换，实现对异步电动机的控制。 矢量控制方法的提出具有划时代的意义。然而在实际应用中，由于转子磁链难以准确观测，系统特性受电动机参数的影响较大，且在等效直流电动机控制过程中所用矢量旋转变换较复杂，使得实际的控制效果难以达到理想分析的结果。
1985年，德国鲁尔大学的DePenbrock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不足，并以新颖的控制思想、简洁明了的系统结构、优良的动静态性能得到了迅速发展。目前，该技术已成功地应用在电力机车牵引的大功率交流传动上。 直接转矩控制直接在定子坐标系下分析交流电动机的数学模型，控制电动机的磁链和转矩。它不需要将交流电动机化成等效直流电动机，因而省去了矢量旋转变换中的许多复杂计算；它不需要模仿直流电动机的控制，也不需要为解耦而简化交流电动机的数学模型。 VVVF变频、矢量控制变频、直接转矩控制变频都是交—直—交变频中的一种。其共同缺点是输入功率因数低，谐波电流大，直流回路需要大的储能电容，再生能量又不能反馈回电网，即不能进行四象限运行。为此，矩阵式交—交变频应运而生。由于矩阵式交—交变频省去了中间直流环节，从而省去了体积大、价格贵的电解电容。它能实现功率因数为l，输入电流为正弦且能四象限运行，系统的功率密度大。该技术目前虽尚未成熟，但仍吸引着众多的学者深入研究。

C. 交流电动机调速方式比较与变频调速工作原理

变频器一般指，交流电动机变频调速器，它是通过改变电动机的工作电压和工作频率而实现调速的电力电子控制设备（简称VVVF调速装置）。

1. 交流电动机调速依据

根据电机学原理，电动机转子转速为：

                            (1-1)

其中，n。为同步转速

           f 为电源频率

           P 为极对数

           S 为转差率

由式（1-1）可见，改变转子转速n。的方式有三种：

（1）改变频率

（2）改变极对数

（3）改变转差率

2. 变频调速基本原理

 2.1 交流异步机的机械特性

n0为同步转速，为额定转速，T为额定转矩，T为最大转矩，为额定转差

从额定转矩到空载这段为交流异步机的线性工作段，当负载转矩大于额定转矩，即从额定转矩到最大转矩段，表明交流异步电机的过载能力；当负载转矩大于最大转矩时，进入负阻特性段，电机得不到稳定的工作状态。

变频调速是通过改变电动机电源供电频率而达到改变同步转速的一种方法。图2所示为改变电动机同步转速而获得的一组机械特性。由图可见，在保持最大转矩基本不变的条件下，实现了连续平滑的调速。

其中，

在改变同步转速的过程中，可得到基本平行的特性，而最大转矩基本保持不变。“基本保持不变”是指随着同步转速的降低，电源供电电压也随之降低。而由于电压降低，导致转子侧一次电阻阻抗和压降发生了变化，因此，最大转矩略微下降。这个变频调速中略显不足的问题，目前已有改进的方法，比如转矩提升。

 2.2 从电压频率关系看变频调速

在变频调速中，为了在改变电源频率时电动机的磁通能够保持不变，以便获得最大的转矩，还需对电源电压进行调节。

根据电机学原理，电动机感应电动势的有效值为：

                                                            （1-2）

其中， 为绕组系数，电动机的常数

           :定子电源频率

             N：定子匝数，电动机常数

            ：定子中通过的磁通

将（1-2）式两边除以 ,可以得到

                                                                     (1-3 )

由式（1-3）可见，若能控制电动机感应电动势与电源频率之比（ ）为常数时，则电动机定子通过的磁通 将是一个基本不变的常数。这样就可以获得最大的转矩。

如果忽略定子阻抗压降，则定子电压 近似等于 。

结论： ，则磁通基本不变。

3. 调速方式对比分析

D. 变频器内部控制方法、外部控制方法和通讯控制方法分别有什么优缺点

变频器内部控制方法指的是通过变频器键盘来做启停和调速，优点是不会受到外部因素的干扰，缺点是操作不方便，需要到变频器跟前才可以操作；
变频器外部控制方法指的是通过变频器的端子控制启停与调速，优点是可以方便的远程控制变频器，缺点是需要加一些控制线，增加接线布局；
变频器通讯控制方法是指通过变频器自带的通讯功能与外围的PLC、触摸屏等进行通讯，优点是方便操作，缺点是易收到干扰，引起通讯异常

E. 变频器控制方式：开环矢量与V/F控制的区别是什么

两者区别是：

1、开环矢量控制是电流环控制模式，复杂，但机械特性好，精度高，在任何频率上都有良好的输出转矩。比V/F控制相对先进些。但是适用性不如VF强。

2、V/F控制是电压频率控制，简单，成本低，但机械特性略差（主要体现在低频输出时，输出机械转矩小，就是身上力量了，像一个大个子在小空间里转不开身，有力量使不上）。

(5)变频控制方法对比分析扩展阅读：

举例

以异步电动机的矢量控制为例：

它首先通过电机的等效电路来得出一些磁链方程，包括定子磁链，气隙磁链，转子磁链，其中气隙磁链是连接定子和转子的。一般的感应电机转子电流不易测量，所以通过气隙来中转，把它变成定子电流。

然后，有一些坐标变换，首先通过3/2变换，变成旋转的d-q坐标，然后通过前面的磁链方程产生的单位矢量来得到旋转坐标下的类似于直流机的转矩电流分量和磁场电流分量，这样就实现了解耦控制，加快了系统的响应速度。

最后再经过2/3变换，产生三相交流电去控制电机，这样就获得了良好的性能。

F. 变频器有几种控制方式

变频器中常用的控制方式在交流变频器中使用的非智能控制方式有V/f协调控制、转差频率控制、矢量控制、直接转矩控制等。
以下三种控制方式是最常用的。
(1)
V/f控制
V/f控制是为了得到理想的转矩-速度特性，基于在改变电源频率进行调速的同时，又要保证电动机的磁通不变的思想而提出的，通用型变频器基本上都采用这种控制方式。V/f控制变频器结构非常简单，但是这种变频器采用开环控制方式，不能达到较高的控制性能，而且，在低频时，必须进行转矩补偿，以改变低频转矩特性。
(2)
转差频率控制
转差频率控制是一种直接控制转矩的控制方式，它是在V/f控制的基础上，按照知道异
步电动机的实际转速对应的电源频率，并根据希望得到的转矩来调节变频器的输出频率，就可以使电动机具有对应的输出转矩。这种控制方式，在控制系统中需要安装速度传感器，有时还加有电流反馈，对频率和电流进行控制，因此，这是一种闭环控制方式，可以使变频器具有良好的稳定性，并对急速的加减速和负载变动有良好的响应特性。
(3)
矢量控制
矢量控制是通过矢量坐标电路控制电动机定子电流的大小和相位，以达到对电动机在d、q、0坐标轴系中的励磁电流和转矩电流分别进行控制，进而达到控制电动机转矩的目的。通过控制各矢量的作用顺序和时间以及零矢量的作用时间，又可以形成各种PWM波，达到各种不同的控制目的。例如形成开关次数最少的PWM波以减少开关损耗。目前在变频器中实际应用的矢量控制方式主要有基于转差频率控制的矢量控制方式和无速度传感器的矢量控制方式两种。