变频器基础：变频器工作原理与常用功能

参考文献
[1] 向晓汉, 宋昕. 变频器与步进/伺服驱动技术完全精通教程[M]. 第1版. 北京:化学工业出版社, 2015.
[2] 王永华. 现代电气控制及PLC应用技术[M]. 第5版. 北京:北京航空航天大学出版社, 2018.
[3] 王兆安, 刘进军. 电力电子技术[M]. 第5版. 北京:机械工业出版社, 2019 :216-218.
[4] 陈国强, Putra A S. 工业自动化中的驱动与控制[M]. 第1版. 北京:机械工业出版社, 2016 :86-105.

0理论基础

三相笼型异步电动机的转速公式为：

n=60f/p（1-s）

p为极对数，s为转差率，f为供电电源频率。
由此可看出三相笼型异步电动机调速方法有三种：改变极对数p的变极调速、改变转差率s的降压调速和改变电动机供电电源频率f的变频调速。

1变频器简述

变频技术诞生背景是交流电机无级调速的广泛需求，其主要只能为调速与变频。

变频器（Inverter，原意为逆变器）是应用变频技术与微电子技术，通过改变电机工作电源频率方式（变频）来控制交流电动机的电力控制设备。一般逆变器是把直流电源逆变为一定的固定频率和一定电压的逆变电源；对于逆变为频率可调、电压可调的逆变器则称为变频器。除了调速以外，变频器还有节能的特点，主要表现在风机、水泵的应用上。

单相电机不适合以变频器进行变速运行，以电容器起动方式时，电容器中将产生高次谐波电流，损坏电容器。对于分相起动方式和反弹起动方式的单相电机，由于其内部的离心力开关不动作，会有烧坏起动线圈的危险。

变频器常与PLC搭配使用。

在60Hz以下的变频器效率大约为94%~96%。

1.1变频器的其它功能

1. 软启软停
   ● 软启动指电压由零慢慢提升到额定电压，这样电机在启动过程中的启动电流，就由过去过载冲击电流不可控制变成为可控制。
   ●软停止指电压由额定电压慢慢降至零，使转速缓慢降低，从而减少动力冲击。
2. 无极调速 可以直接通过面板旋钮（电位器）直接对电动机速度进行控制
3. 保护功能 过载保护、过电流保护、过电压保护、欠电压保护…

失速指电动机运行的速度和频率不对应，通常与负载大小有关。

1.2变频器的分类

1. 按变换的环节分类
   ●交-交型变频器：工频交流直接变换成频率电压可调
   ●交-直-交型变频器：工频交流变成直流再逆变成频率电压可调的交流，是目前广泛应用的通用型变频器。采用交-直-交变化的原因是交流电网电压和频率固定，需要借由直流电逆变来得到电压和频率都能调节的电源，与交-交变频器相比，输出频率不受输入电源频率的制约。
2. 按直流电源性质分类：电压型变频器和电流型变频器
3. 按调压方法分类：PAM变频器（较少使用）和PWM变频器
4. 按控制方式分类
   ●U/f控制变频器f（VVVF控制）：U/f控制就是保证输出电压和频率成正比的控制，常用于低端变频器
   ●SF控制变频器
   ●矢量控制变频器：基本原理为通过测量和控制异步电动机定子电流矢量，根据磁场定向原理分别对异步电动机的励磁电流和转矩电流进行控制，从而达到控制异步电动机转矩的目的。用于高精度要求场合。
   ●直接转矩控制

2变频器的变频原理

2.1交-直-交变换

分为交-直变换工程和直-交变换过程两个基本过程。

1. 交-直变换过程：将不可调的电网的三相/单相交流电经整流桥整流成直流电
2. 直-交变换过程：把直流电逆变成电压和频率都任意可调的三相交流电

2.2变频变压的原理

电动机变频变压调速不仅需要改变电动机的频率f，同时也需要改变电动机电压。 这是因为降低电动机频率时，如果电压不降低，则电动机的每级气隙的磁通量势必会增加，因为在设计时电动机的磁通量已接近饱和，一旦增加将导致绕组线圈的电流急剧上升，从而造成电动机绕组烧毁。
因此电动机变频变压调速不仅需要改变电动机的频率f，同时也需要改变电动机电压，通常把磁通作为一个恒定数值，此时电压和频率比值为固定比例。
即 U/f=常数

实现方法

变频变压的实现方法有脉幅调制（PAM）、脉宽调制（PWM）和正弦脉宽调制（SPWM）。
其中正弦脉宽调制波的实现方法有单极性正弦脉宽调制和双极性脉宽调制。

SPWM就是在PWM的基础上改变了调制脉冲方式，脉冲宽度时间占空比按正弦规律排列，这样输出波形经过适当的滤波可以做到正弦波输出。

3变频器的常用功能

变频器调速系统的控制方式有两种，一是U/f控制，是基本方式；二是矢量控制，是高级方式。

3.1 U/f控制功能

1. u/f控制方式
   即U/f=常数，具体请参考上文变频变压的原理。
   理想u/f控制曲线如下：
   

2. 转矩补偿功能
   转矩补偿，或称转矩提升，指在u/f控制方式下，利用增加输出电压来提高电动机转矩的方法。
   在基频以下调速时，u/f控制方式下磁通量恒定。f较高时，保持u/f恒定，即可近似地保持主磁通恒定；f较低时磁通量会下降，导致输出转矩下降，提升变频器的输出电压即可补偿转矩不足，使磁通量保持恒定。
   常用的补偿方法有线性补偿、分段补偿和平方律补偿等。

U/f控制方式是比较简单的控制方式，属于开环控制，它并没有实现转速环的构建，适用于生产机械对调速系统的静、动态性能要求不高的场合。

3. 节能运行功能
   节能运行控制功能是指变频器将检测到的电动机运行状态与变频器中储存的标准电动机的参数进行比较从而自动给出最佳工作电压的过程，即节能运行。
   节能运行只能用于u/f控制方式下。

3.2矢量控制功能

具有该功能的变频器称作矢量型变频器。

矢量控制原理

矢量控制方式属于高性能控制方式，基于异步电动机的按转子磁链定向的动态数学模型，其控制原理类似直流电动机。将测得的变频器实际输出电流按空间矢量的方式进行分解，形成转矩电流分量与励磁电流分量两个电流闭环，同时又可借助编码器或内置观测器模型来构成速度闭环，这种双闭环控制方式（类似直流调速系统中的双闭环控制）可以改善变频器的动态响应能力，减小滑差，保证系统速度稳定，确保低频时的转矩输出。

当系统难以安装传感器，或没有合适的传感器，导致某些状态变量不能测量时，状态观测器可以基于系统模型设计成虚拟传感器，从而实现一个完整的状态反馈控制。最常用的观测器设计方法基于卡尔曼滤波器，因其可以定期清除由于测量噪声造成的累积预测误差。

使用内置观测器模型来构成速度闭环时，称为无速度传感器矢量控制 （SVC）/无感矢量控制/开环矢量控制。
使用编码器来构成速度闭环时，称为速度传感器矢量控制（VC）/闭环矢量控制。

转速闭环控制的优点是可以大幅提高速度控制的精度。测速元件通常采用光电编码器。

闭环矢量控制 VS 开环矢量控制？
控制系统中的观测器

矢量控制实现过程

首先检测并计算三相输出电压和电流矢量；然后将定子电流人为地分解为两个相互垂直的矢量，并解释为励磁电流和转子电流；然后用直流调速系统（他励直流电动机）的控制方式去控制交流异步电动机，通过运算调节器对两个信号分别控制，从而控制逆变电路的输出。

矢量控制方式需要实现转速和磁链的解耦，故控制系统比较复杂，但其具有同直流电动机电枢电流控制方式同等水平的控制性能。注意使用矢量控制功能时，只能连接一台电动机，且运行前需对变频器进行自整定操作。

简介

PID控制器（比例-积分-微分控制器），由比例单元§、积分单元(I)和微分单元(D)组成，通过Kp， Ki和Kd三个参数进行设定。
P代表了当前的信息，起纠正偏差的作用，使反应迅速；
D代表了将来的信息，在过程开始时强迫过程进行，过程结束时减小超调，克服振荡，提高系统的稳定性，加快系统的过度过程；
I代表了过去积累的信息，它能消除静差，改善系统的静态特性。

PID控制器主要适用于基本上线性，且动态特性不随时间变化的系统。当不完全了解一个系统和被控对象或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合采用PID控制技术。

静态误差、动态误差和稳态误差的区别
稳态误差是期望的稳态输出量与实际的稳态输出量之差。控制系统的稳态误差越小说明控制精度越高。
静态误差与动态误差相对。
动态误差指控制系统在任意的输入信号作用下达到稳态时的控制误差。

1.比例（proportion）控制
比例控制器能立即成比例地响应输入的变化量。调节器输出u与其输入偏差e之间的关系是比例关系，误差值和kp相乘，然后和预定的值相加。仅有比例控制时，系统输出存在稳态误差，这是由比例控制的本质决定的，如果偏差为0，比例控制器就会失去作用，从而导致偏差增大。

u=kp*error

上图为比例控制。

2.比例积分（PI）控制
即比例+积分（PI）控制器。
为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。积分项对误差的运算取决于时间的积分，随着时间增加，积分项会增大，所以即便误差很小，积分项也会随时间增加而加大，它推动控制器的输出增大，使稳态误差进一步减小，直到等于零。但是积分作用的引入，会使系统稳定性变差（见图）。
比例积分控制对于时间滞后的被控对象使用不够理想。

u=kp*error+ ki∗∫ error

上图为比例积分控制。

3.比例微分（PD）控制
即比例+微分（PD）控制器。
在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。其原因是由于存在有较大惯性组件（环节）或有滞后(delay)组件，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。
解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。目前需要增加的是“微分项”，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例+微分的控制器，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。
所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例+微分(PD)控制器能改善系统在调节过程中的动态特性，否则反而会使系统的控制受到影响。

u=kd*（error（t）-error（t-1））

4.PID控制
PID的离散化公式（便于计算机处理）为


上图为比例积分微分控制（理想情况）。

变频器的闭环运行就是在变频器控制的拖动系统中引入负反馈，进行反馈控制，以提高反馈精度。

关于对PID算法的通俗理解，可参考：
https://zhuanlan.zhihu.com/p/39573490 PID控制算法原理 （抛弃公式，从本质上真正理解PID控制）

PID控制器的参数整定

一般采用的是临界比例法（属于工程整定法）。

工程整定法主要依赖工程经验，直接在控制系统的试验中进行，且方法简单、易于掌握，在工程实际中被广泛采用。

利用该方法进行PID控制器参数的整定步骤如下：
(1)首先预选择一个足够短的采样周期让系统工作；
(2)仅加入比例控制环节。初调时，选小一些，然后慢慢调大，直到系统对输入的阶跃响应出现临界振荡，记下这时的比例放大系数和临界振荡周期；
(3)在一定的控制度下通过公式计算得到PID控制器的参数。
积分系数初调时要把积分时间设置长些，然后慢慢调小直到系统稳定为止。
如果通过比例、积分参数的调节还是收不到理想的控制要求，就可以调节微分时间。初调时把这个系数设小，然后慢慢调大，直到系统稳定。

https://wenku.baidu.com/view/abdb4cb265ce0508763213a2.html PID控制器的参数整定(经验总结)

3.4过载保护功能

变频器的过载保护功能的保护对象为电动机和变频器本身。

1. 对电动机的过热保护功能
   变频器内置的电子热继电器可监视变频器的输出电流。注意，只能对一台电动机进行电子热保护，拖动多台电动机时，需要在每台电动机上接热继电器。
2. 对变频器自身的保护功能
   变频器对过流、过压、过功率、断电、其他故障等均可进行自动保护，并发出报警信号，甚至跳闸断电。

4补充：变频器技术在节能中的作用

变频调速的节能体现在变频节能、功率因数补偿节能与软启动节能3个主要方面。

4.1变频节能

根据流体力学可知，风机水泵的轴功率与转速的三次方成正比。这表明当设备效率一定时，流量变小会引起设备的转速成比例的降低，这将使轴功率以立方关系大幅降低。而风机水泵的传统调速方式是通过调节出入口挡板、阀门开度来调节流量，这一过程将耗费大量的能源。应用变频器的变频功能，根据当前要求的流量，动态调节变频器输出频率，进而改变风机水泵的转速，可以使其在低速小流量的状态下仍可保持高效率运行，并降低设备的功耗。

4.2功率因数补偿节能

功率因数（Power Factor）在数值上是指交流电路有功功率（P）对视在功率（S）的比值，与电路的负荷性质有关，用cosΦ表示 。功率因数与电器设备的效率成正比，与无功功率成反比，因此通过功率因数补偿可以在提高设备利用率的同时降低无功功率造成的线路电压损失和电能损耗。变频器内部的滤波电容可以提高功率因数，减少无功功率的损耗，并增加电网的有功功率，从而削减用户的用电成本。

4.3软启动节能

软启动（Soft Start）指电机启动时，晶闸管的输出电压由0缓慢提升，此时电动机将逐渐加速；当晶闸管全部导通时，输出电压为额定电压，电动机达到额定转速，启动过程结束。通过软启动使得设备的启动电流可控，实现平滑启动，避免启动过流跳闸，并延长设备使用寿命。变频器具有软启动功能，其节能性体现在电机的启动过程中，通过软启动来启动电机，可以降低启动能耗，达到节能的目的。