PID调节器在闭环控制系统中的应用 - 图文

5 变频器原理及分类

变频器的功能是将频率固定的(通常为50Hz)的交流电变换成频率连续可调的三相交流电源。变频器的输入端接至频率固定的三相交流电，输出端输出的是频率在一定范围内连续可调的三相交流电[9]。

变频器主要分为间接变频和直接变频两大类，而间接变频又根据中间直流环节的主要储能元件的不同可分为电压型和电流型。电压型变频器主回路由相控整流器，中间直流环节和逆变器三个部分组成。

相控整流器将交流电压整流为可控的直流电压，经滤波由电容Cd输出直流电压Ud，逆变器将直流Ud变换成频率可调的交流电源供给电机进行变频调速。由于中间直流环节是Cd低阻抗输出相当于是恒压源，故称电压型。

电流型交-直-交变频器与电压型变频器的差别仅在于中间直流环节中的储能元件是电感而不是电容。由于中间直流环节是高阻抗输出相当于电流源，故称电流型。迄今为止，在中小容量变频器中应用得最为广泛的是交-直-交电压型变频器，它由三部分构成，将工频电源变换为直流功率的“整流器”，吸收在整流器和逆变器产生的电压脉动的“平波回路”，以及将直流功率变换为交流功率的“逆变器”。

其工作可分为两个基本过程：

(1) 先将电源的三相交流电经整流桥整流成直流电。

(2) 再把直流电逆变成频率任意可调的三相交流电，所谓“逆变”过程，就是若干个开关器件长时间不停息地交替导通和关断的过程，使两相间的电压为交变电压。

在整流器整流后的直流电压中，含有电源6倍频率的脉动电压，此外逆变器产生的脉动电流也使直流电压变动。为了抑制电压波动，采用电感和电容吸收脉动电压（电流）。装置容量小时，如果电源和主电路构成器件有余量，可以省去电感采用简单的平波回路。 同整流器相反，逆变器是将直流功率变换为所要求频率的交流功率，以所确定的时间使6个开关器件导通、关断就可以得到3相交流输出。控制电路是给异步电动机供电（电压、频率可调）的主电路提供控制信号的回路，它有频率、电压的“运算电路”，主电路的“电压、电流检测电路”，电动机的“速度检测电路”，将运算电路的控制信号进行放大的“驱动电路”，以及逆变器和电动机的“保护电路”组成。

? 运算电路：将外部的速度、转矩等指令同检测电路的电流、电压信号进行比较运算，

决定逆变器的输出电压、频率。

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? 电压、电流检测电路：与主回路电位隔离检测电压、电流等。

? 驱动电路：驱动主电路器件的电路。它与控制电路隔离使主电路器件导通、关断。 ? 速度检测电路：以装在异步电动机轴机上的速度检测器（tg、plg等）的信号为速度

信号，送入运算回路，根据指令和运算可使电动机按指令速度运转。

? 保护电路：检测主电路的电压、电流等，当发生过载或过电压等异常时，为了防止

逆变器和异步电动机损坏，使逆变器停止工作或抑制电压、电流值。

5.1 变频器的分类

变频器的分类方法有多种，按照主电路工作方式分类，可以分为电压型变频器和电流型变频器；按照开关方式分类，可以分为PAM控制变频器、PWM控制变频器和高载频PWM控制变频器；按照工作原理分类，可以分为V/f控制变频器、转差频率控制变频器和矢量控制变频器等；按照用途分类，可以分为通用变频器、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[10]。

5.2 变频器的控制方式

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。 (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

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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[11]。 (4) 直接转矩控制

直接转矩控制是利用空间矢量坐标的概念，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，通过检测定子电阻来达到观测定子磁链的目的，因此省去了矢量控制等复杂的变换计算，系统直观、简洁，计算速度和精度都比矢量控制方式有所提高。即使在开环的状态下，也能输出100%的额定转矩，对于多拖动具有负荷平衡功能。 (5) 最优控制

最优控制在实际中的应用根据要求的不同而有所不同，可以根据最优控制的理论对某一个控制要求进行个别参数的最优化。例如在高压变频器的控制应用中，就成功的采用了时间分段控制和相位平移控制两种策略，以实现一定条件下的电压最优波形。

5.3 变频与变压(VVVF)原理

当在实际利用变频器调节电机转速的过程中，当频率f下降时，定子绕组的反电动势E有所下降，定子电流增大，但是转子侧的负载并未增加，故转子段电流不变，根据电流平衡方程可知，励磁电流比增大，因而磁通φm增大。φm增加将导致铁芯的饱和，进而引起励磁电流波形的畸变，这是不希望的结果，因此希望φm可以保持基本不变。要实现这个目标，只要在变频过程中使变频器输出电压Ul/f=const，则磁通φm可保持基本不变。因此变频的同时也要变压，常用VVVF表示[12]。

VVVF实施的基本方法包括：脉幅调制(PAM)和脉宽调制(PWM) 和正弦脉宽调制(SPWM)[13]。

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（1）脉幅调制(PAM)

实现方法就是调节频率的同时，也改变直流电压的振幅值。PAM需要同时调节两个部分：整流部分和逆变部分，两者之间还必须满足一定的关系，故控制电路比较复杂，因此比较少用。 （2）脉宽调制(PWM)

它是通过输出方波的占空比来改变等效的输出电压。实现方法就是在每半个周期内，把输出电压的波形分割成若干个脉冲波，每个脉冲的宽度为t1，每个脉冲间的间隔宽度为t2，则脉冲的占空比Υ=tl/(t2+tl)。这时电压的平均值和占空比成正比，所以在调节频率时，不改变直流电压的幅值，而是改变输出电压脉冲的占空比，同样可以实现变频也变压的效果。

（3）正弦脉宽调制(SPWM)

在PWM的基础上改变了调制脉冲方式，如果脉冲宽度和占空比的大小按正弦规律分布，便是正弦脉宽调制(SWPM)。当正弦值较大时，脉冲宽度和占空比都大；而当正弦值较小时，脉冲宽度和占空比都小。

SPWM的显著优点是：由于电动机的绕组具有电感性，因此，尽管电压是由一系列的矩形脉冲构成的，但通入电动机的电流却和正弦波十分接近[14]。

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