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談談矢量變頻器的分類與工作原理

　　交流變頻調(diào)速技術(shù)發(fā)展概況縱觀電力傳動的發(fā)展過程，交、直流兩種傳動方式共存于各個生產(chǎn)領(lǐng)域，由于直流調(diào)速系統(tǒng)的性能指標優(yōu)于交流調(diào)速系統(tǒng)，因此直流調(diào)速系統(tǒng)一直在調(diào)速領(lǐng)域內(nèi)居首位。但由于直流電動機具有機械整流器和電刷，因而存在著維護保養(yǎng)工作量大、電動機安裝環(huán)境受到限制和難以向大容量、高轉(zhuǎn)速及高電壓方向發(fā)展等缺點。隨著電子技術(shù)和自動控制技術(shù)的迅速發(fā)展以及各種高性能電力電子元器件產(chǎn)品的出現(xiàn)，歷來阻礙交流調(diào)速技術(shù)發(fā)展的一些因素相繼被克服，原直流調(diào)速系統(tǒng)領(lǐng)先的一些技術(shù)性能，交流調(diào)速系統(tǒng)都能與直流調(diào)速系統(tǒng)相媲美。因此，交流調(diào)速在電氣傳動領(lǐng)域中越來越占有重要的地位，它已成為機電一體化的電氣傳動技術(shù)。 
　　[關(guān)鍵詞] 變頻器,矢量變頻器,通用變頻器,變頻調(diào)速器
　　一、矢量變頻器的分類 
　　可分為交-交變頻器，即將工頻交流直接變換成頻率電壓可調(diào)的交流，又稱直接式變頻器；交-直-交變頻器，則是先把工頻交流通過整流器變成直流，然后再把直流變換成頻率電壓可調(diào)的交流，又稱間接式變頻器，目前廣泛采用交-直-交變頻器。 
　　二、矢量變頻器的原理和實現(xiàn)算法變壓變頻的基本原理 
　　根據(jù)電機學原理，異步電動機的轉(zhuǎn)速為：n=60 f（1-s）/ p，在改變供電電源頻率時，電機的同步轉(zhuǎn)速也相應的改變。當電機在負載條件下運行時，電機轉(zhuǎn)速低于電機的同步轉(zhuǎn)速，兩者的差值就是轉(zhuǎn)差，轉(zhuǎn)差的大小與電機的負載有關(guān)。 
　　電機定子每相感應電動勢的有效值為：Es=4.44fsNksΦm。 
　　由異步電機T型等效電路圖1-1可知異步電機端電壓與感應電動勢的關(guān)系式為： U1=E1+I1R1 其中，R1，I1分別為定子繞組阻抗及其流過的電流。在電機控制過程中，使每級磁通中Φm保持為額定值不變是關(guān)鍵的一環(huán)。磁通太弱，沒有充分利用電機的鐵芯，是一種浪費；若增大磁通，又會使鐵芯飽和，從而導致過大的勵磁電流，嚴重時會因繞組過熱而損壞電機。在交流異步電機中，磁通Φm是定子和轉(zhuǎn)子磁動勢合成產(chǎn)生的，因此由式Es=4.44fsNksΦm 可知，只要同時協(xié)調(diào)控制Es和fs，就可以達到控制Φm并使之恒定的目的。對此，需要考慮額定頻率以下和額定頻率以上兩種情況。 
　　1.額定頻率以下的調(diào)速，要保持Φm不變，當頻率fs從額定值介向下調(diào)節(jié)時，必須同時降低Es，使：Φm=常數(shù)即采用恒電動勢頻率比的控制方式。然而，繞組中的感應電動勢是難以直接控制的，當定子頻率fs較高時感應電動勢的值也增大，因此可以忽略定子阻抗壓降，認為定子相電壓Us= Es則得：Φm=K Us/fs=常數(shù)，這就是恒壓頻比（（V/F）的控制方式。低頻時，Es和Us都較小，定子阻抗壓降所占的比率就比較顯著，不能再忽略，這時可以人為的對定子阻抗壓降進行補償，適當?shù)奶岣吣孀兤鞯妮敵鲭妷骸?nbsp;
　　2.額定頻率以上的調(diào)速： 在額定頻率以上調(diào)速時，頻率可以從額定值fsn往上提高，但是端電壓Us不能繼續(xù)上升，只能維持在額定值Usn，這將迫使磁通與頻率成反比的下降，相當于直流電機的弱磁升速的情況。在整個電機調(diào)速范圍內(nèi)，異步電機的控制特性如圖1-2所示。如果電機在不同轉(zhuǎn)速下都具有額定電流，則電機都能在溫升允許的條件下長期運行。這時電機轉(zhuǎn)矩基本上隨磁通變化，因此在額定頻率以下為恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速，在額定頻率以上為恒功率調(diào)速。 
　　三、矢量變頻器系統(tǒng)的硬件實現(xiàn) 
　　主要由整流器、濾波環(huán)節(jié)、逆變器、檢測環(huán)節(jié)和控制回路組成。系統(tǒng)主電路采用交-直-交電壓型變頻器結(jié)構(gòu)，采用SPWM變頻技術(shù)。 
　　四、變頻器的主電路 
　　矢量變頻器是將工頻交流電變?yōu)轭l率和電壓可調(diào)的三相交流電的電器設(shè)備，用以驅(qū)動交流異步（同步）電動機進行變頻調(diào)速，不但能滿足不同生產(chǎn)工藝需要，而且節(jié)能效果顯著。 
　　過去傳統(tǒng)的調(diào)速方式是晶閘管直流電動機傳動系統(tǒng)，但直流電動機本身存在一些固有的缺點：直流電動機造價高、維護量大；受使用環(huán)境制約條件多；最高速度和容量都有一定限制等。而交流調(diào)速系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、節(jié)能、高精度和響應快速等突出優(yōu)點。 
　　異步電動機其轉(zhuǎn)速為：，從上式可以看出，改變極對數(shù)p、轉(zhuǎn)差率s和調(diào)節(jié)電源頻率f都可以調(diào)速。對于同步電動機，運行中改變極對數(shù)p會引起失步，對于異步電動機，改變極對數(shù)p是有級調(diào)速，改變轉(zhuǎn)差率s大部分是耗能調(diào)速，唯有改變頻率調(diào)速是交流電動機較為理想的調(diào)速方式。但是只改變頻率并不能使電動機得到經(jīng)濟可靠的運行，原因是異步電動機是鐵磁結(jié)構(gòu)。對于任何鐵磁結(jié)構(gòu)的設(shè)備，只有使它的磁通保持為額定磁通，才可使鐵磁材料得到充分利用。對于異步電動機，有如下的關(guān)系式：U≈E =4.44fNKWφ。 
　　式中，U ：定子電壓；E ：定子電動勢；f ：定子頻率；N ：定子每相繞組的匝數(shù)；KW：繞組系數(shù)；φ：每極氣隙磁通。在變頻調(diào)速時，為了得到所需的電磁轉(zhuǎn)矩，使電動機的鐵磁材料得到充分利用，則應盡可能地使氣隙磁通恒定為額定磁通。由U≈E =4.44fNKWφ式可知，為保持氣隙磁通φ近似不變，在調(diào)節(jié)定子頻率f時則必須同時改變定子電壓U，即U/f =常數(shù)。為此，用于交流電動機變頻調(diào)速的變頻器實際上都是變壓變頻器，即VVVF。由于電機的電壓不能超過額定電壓，因此，在基頻以上調(diào)頻時，電壓U只能保持在額定電壓，當電壓U一定時，電機的氣隙磁通φ隨著頻率f的升高成比例下降，類似直流電機的弱磁調(diào)速，因此，基頻以上的調(diào)速屬恒功率調(diào)速。 

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