變頻器控制系統研究與發展概況

[摘要]本論文設計部分主要包括二部分。第一部分介紹了本文通用變頻器的控制方式；第二部分介紹變頻器的工作原理。然后，介紹了本文所設計的通用變頻器硬件控制系統電路組成，包括交直交主電路模塊，電源模塊。

[關鍵詞]變壓變頻 正弦波脈寬調制 電壓型逆變器

通用變頻器作為商品開始在國內上市，是近十年的事，銷售額逐年增加，于今，全年有超過數十億元（RMB）的市場。其中，各種進口品牌居多，功率小至百瓦大至數千千瓦。而變頻器的控制系統是其核心部分，本文設計了一種基于單片機生成SPWM波形的通用變頻器控制系統。

一、變頻器的控制方式

通常，變頻器有以下三種控制方：恒壓頻比（U/f-C）控制方式；矢量控制（VC）方式； 直接轉矩控制（DTC）方式。

本文介紹的通用變頻器采用恒壓頻比的正弦波脈寬調制（SPWM）技術。SPWM的概念是，在進行脈寬調制時，使脈沖系列的占空比按正弦規律來安排，當正弦值為最大值時，脈沖的寬度也最大，而脈沖間的間隔則最小，反之，當正弦值較小時，脈沖的寬度也小，而脈沖間的間隔則較大，這樣的電壓脈沖系列可以使負載電流中的高次諧波成分大為減小，稱為正弦波脈寬調制。首先，介紹PWM波調制原理：以正弦波作為逆變器輸出的期望波形，以頻率比期望波高得多的等腰三角波作為載波（Carrier wave），并用頻率和期望波相同的正弦波作為調制波（Modulation wave），當調制波與載波相交時，由它們的交點確定逆變器開關器件的通斷時刻，從而獲得在正弦調制波的半個周期內呈兩邊窄中間寬的一系列等幅不等寬的矩形波。

按照波形面積相等的原則，每一個矩形波的面積與相應位置的正弦波面積相等，因而這個序列的矩形波與期望的正弦波等效。這種調制方法稱作正弦波脈寬調制（Sinusoidal pulse width modulation，簡稱SPWM），這種序列的矩形波稱作SPWM波。 

其次，介紹本文通用變頻器采用的恒壓頻比正弦波脈寬調制SPWM控制方式。如果在正弦調制波的半個周期內，三角載波只在正或負的一種極性范圍內變化，所得到的SPWM波也只處于一個極性的范圍內，叫做單極性控制方式。單極性調制的工作特點：每半個周期內，逆變橋同一橋臂的兩個逆變器件中，只有一個器件按脈沖系列的規律時通時斷地工作，另一個完全截止；而在另半個周期內，兩個器件的工況正好相反，流經負載ZL的便是正、負交替的交變電流。

如果在正弦調制波半個周期內，三角載波在正負極性之間連續變化，則SPWM波也是在正負之間變化，叫做雙極性控制方式。雙極性調制的工作特點：逆變橋在工作時，同一橋臂的兩個逆變器件總是按相電壓脈沖系列的規律交替地導通和關斷，毫不停息，而流過負載ZL的是按線電壓規律變化的交變電流。

二、通用變頻器的工作原理

變頻調速技術是近20年內發展起來的一門新技術，隨著電力電子技術的日益發展和PWM控制技術的成熟，利用電機的轉速和輸入電源的頻率是線性關系這一原理，將50Hz的交流電通過整流和逆變轉換為頻率可調的電源，供給異步電動機，實現調速的目的。利用單片機組成的變頻調速控制器可以實現從低頻（1～2Hz）起動到50Hz，可以消除以往工頻50Hz直接起動對電機的沖擊，延長電機的使用壽命。同時，由于變頻器的輸出電壓可以自適應調節，使負載電機可以工作在額定電壓以下，不僅節能且可延長電機的使用壽命。

本變頻器采用恒磁通控制原理。變頻器輸出正弦波電壓，可用一系列頻率可調的正弦脈沖波來等效，即只要對應時間間隔內的矩形脈沖的面積與正弦波和橫軸包含的面積相等，系列矩形脈沖就可隊等效正弦波。脈沖控制信號的形成通常是將相同極性的正弦波基準信號與等幅等距的三角波比較，隊其交點為開關器件的換流點，從而形成SPWM脈沖列。用于交流傳動的變頻器實際上是采用變壓變頻的方式，即VVVF。隨著調制波幅值和頻率的變化，調制的脈沖渡也會在寬度和頻率上作相應的變化，從而保證磁通角為恒值。

變頻器的核心是產生SPWM控制脈沖列的控制電路。目前，實現控制電路主要有3種方法：（1）模擬調制器法。該方法由正弦調制波發生電路、三角載波發生電路和模擬電壓比較器三部分組成。而這種控制電路要實現調頻、調壓都離不開CPU、EPR0M、A／D、D／A轉換器等。所以該電路復雜、器件分散性大、可靠性差。（2）專用芯片法。如英國Mulend公司的HEF4752和德國西門子公司的SLE4520等。該方法的優點是電路集成度高、可靠性高，缺點是無法全面實現對調速系統的反饋控制、監視管理和保護工作，故一般也要配合單片機實現。（3）微機生成法。該方法要考慮指令功能、存儲容量和運算速度是否影響實時性。

主電路——由二極管整流器UR、PWM逆變器UI和中間直流電路三部分組成，一般都是電壓源型的，采用大電容C濾波，同時兼有無功功率交換的作用。

控制電路——現代PWM變頻器的控制電路大都是以微處理器為核心的數字電路，其功能主要是接受各種設定信息和指令，再根據它們的要求形成驅動逆變器工作的PWM信號，再根據它們的要求形成驅動逆變器工作的PWM信號。微機芯片主要采用8位或16位的單片機，或用32位的DSP，現在已有應用RISC的產品出現。

PWM信號產生——可以由微機本身的軟件產生，由PWM端口輸出，也可采用專用的PWM生成電路芯片。

檢測與保護電路——本系統只進行電流檢測，霍爾傳感器把過流信號輸送給處理電路進行分流、光電隔離、濾波、放大等綜合處理，再進入A/D轉換器，輸入給CPU作為控制算法的依據，或者作為開關電平產生保護信號和顯示信號。

信號設定——需要設定的控制信息主要有：U/f特性、工作頻率、頻率升高時間、頻率下降時間等，還可以有一系列特殊功能的設定。由于通用變頻器-異步電動機系統是轉速或頻率開環、恒壓頻比控制系統，低頻時，或負載的性質和大小不同時，都得靠改變U/f函數發生器的特性來補償，使系統達到恒定，甚至恒定的功能，在通用產品中稱作“電壓補償”或“轉矩補償”。

實現補償的方法有兩種：一種是在微機中存儲多條不同斜率和折線段的U/f函數，由用戶根據需要選擇最佳特性。另一種辦法是采用霍爾電流傳感器檢測定子電流或直流回路電流，按電流大小自動補償定子電壓。但無論如何都存在過補償或欠補償的可能，這是開環控制系統的不足之處。給定積分——由于系統本身沒有自動限制起制動電流的作用，因此，頻定設定信號必須通過給定積分算法產生平緩升速或降速信號，升速和降速的積分時間可以根據負載需要由操作人員分別選擇。綜上所述，PWM變壓變頻器的基本控制作用如圖所示。近年來，許多企業不斷推出具有更多自動控制功能的變頻器，使產品性能更加完善，質量不斷提高。

三、變頻器硬件控制系統電路組成

交直交主電路由三部分組成，包括整流電路，濾波電路和逆變電路。

1. 整流電路，把交流電壓變成直流電壓。本文由單相整流橋直接完成整流。

2. 濾波電路，把脈動較大的直流電進行濾波變成比較平滑的直流電。本文把整流好的直流電經過兩個電解電容進行濾波，再通過瓷片電容把諧波過濾掉，最終輸出平滑的直流電。整流、濾波電路在電路原理圖中的布局如圖1所示。

3. 逆變電路，把直流電又轉換成三相交流電，這種逆變電路一般是利用功率開關按照控制電路的驅動、輸出脈沖寬度被調制的PWM波，或者正弦脈寬調制SPWM波，當這種波形的電壓加到負載上時，由于負載電感作用，使電流連續化，變成接近正弦形波的電流波形。

在交-直-交變壓變頻器中，按照中間直流環節直流電源性質的不同，逆變器可以分成電壓源型和電流源型兩類，兩種類型的實際區別在于直流環節采用怎樣的濾波器。本文的直流環節采用電容進行濾波，所以本文的逆變器屬于電壓源型逆變器。電壓源型逆變器示意圖如圖2所示。

電壓源型逆變器（Voltage Source Inverter——VSI），直流環節采用大電容濾波，因而直流電壓波形比較平直，在理想情況下是一個內阻為零的恒壓源，輸出交流電壓是矩形波或階梯波，有時簡稱電壓型逆變器。

電壓源型逆變器的優點：（1）在調速系統中，逆變器的負載是異步電機，屬感性負載。在中間直流環節與負載電機之間，除了有功功率的傳送外，還存在無功功率的交換。濾波器除濾波外還起著對無功功率的緩沖作用，使它不致影響到交流電網。（2）電壓源型逆變器屬恒壓源，不易波動，適于做多臺電機同步運行時的供電電源。

電壓源型逆變器的缺點：（1）采用電壓源型的交-直-交變壓變頻調速系統要實現回饋制動和四象限運行卻很困難，因為其中間直流環節有大電容鉗制著電壓的極性，不可能迅速反向，而電流受到器件單向導電性的制約也不能反向，所以在原裝置上無法實現回饋制動。

（2）交-直-交電壓源型變壓變頻調速系統的動態響應慢。

四、結論

本文深入分析了通用變頻器的工作原理。分析了變頻變壓調速基本控制方式和通用變頻器的主要控制方法，以及本文通用變頻器的控制方式，并設計了基于AT89C51單片機為核心的數字控制系統，并在此基礎上建立了交直交主電路模塊，驅動電路模塊，控制電路模塊，并實現了電動機電流信號的檢測及其信號處理，同時還設計了過流保護電路，為通用變頻器控制系統提供了可靠的實驗平臺。同時，經濟型變頻器系統采用單片機系統與專用SPWM 芯片為核心的經濟型變頻器，充分利用了單片機及專用芯片的豐富資源，大大降低硬件成本，簡化了系統。通過對Y9O5-4三相異步電動機試驗運行，系統運行可靠，各種保護功能工作正常，達到設計預期目的，是理想的小功率、低成本、簡易型變頻器，具有推廣價值。

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（作者單位：浙江理工大學機械與控制學院）