1.5 变频器的分类和控制方式

1.5.1 变频器的分类

变频器的种类繁多，应用非常广泛，分类方法多种多样。

1. 按供电电压不同分类

可分为低压变频器（110V、220V、380V）、中压变频器（500V、660V、1140V）、高压变频器（3kV、3．3kV、6kV、6．6kV、10kV）三种。

2. 按直流电源的性质分类

（1）电压型变频器：特点是中间直流环节的储能元件采用大电容，负载的无功功率将由它来缓冲，直流电压比较平稳，直流电源内阻较小，相当于电压源，故称为电压型变频器，常用于负载电压变化较大的场合。其主电路如图1-35所示。

（2）电流型变频器：特点是中间直流环节采用大电感作为储能环节，缓冲无功功率，即扼制电流的变化，使电压接近正弦波，由于该直流内阻较大，故称为电流源型变频器（电流型）。电流型变频器的特点（优点）是能扼制负载电流频繁而急剧的变化，常用于负载电流变化较大的场合，其主电路如图1-36所示。电压型变频器和电流型变频器的特点见表1-4。

3. 按照输出电压调节方式分类

可分为脉幅调制（PAW）变频器和脉宽调制（PWM）变频器。

脉幅调制（PAW）变频器电压的大小是通过调节直流电压的幅值来实现的。

脉宽调制（PWM）变频器电压的大小是通过调节脉冲占空比来实现的。中小容量的通用变频器几乎全采用这类调制方式。

4. 按控制方式分类

可分为U/f控制方式、转差率控制方式、矢量控制方式、矢量转矩控制方式和直接转矩控制方式等。

5. 按功能用途分类

（1）通用变频器：通常指没有特殊功能、要求不高的变频器。由于分类的界限不是很分明，所以绝大多数变频器都可归入这一类中。

（2）风机、水泵用变频器：其主要特点是过载能力较弱，具有闭环控制PID调节功能，并具有“一控多”的切换功能。

（3）高性能变频器：通常指具有矢量控制，并能进行四象限运行的变频器，主要用于对机械特性和动态响应要求较高的场合。

（4）具有电源再生功能的变频器：当变频器中直流母线上的再生电压过高时，能将直流电源逆变成三相交流电反馈给电网，这种变频器主要用于电动机长时间处于再生状态的场合，如起重机械的吊钩电动机等。

（5）其他专业变频器：如电梯专业变频器、纺织专业变频器、张力控制专业变频器、中频变器等。

提示

通用型变频器是变频器的基本类型，顾名思义，其特点是通用性。这里的通用型是指它可以对普通的异步电动机进行调速控制。

6. 按变换环节分类

1）交-交变频器

交-交变频器把频率固定的交流电源变换成频率连续可调的交流电源，如图1-37所示。其主要优点是没有中间环节，变频效率高，但其连续可调的频率范围窄，一般为额定频率的50%以下，主要用于容量大、低速的场合。

2）交-直-交变频器

交-直-交变频器先把工频交流电通过整流器整流为直流电，然后再把直流电逆变成频率、电压可调的交流电源，由电路直流中间环节进行滤波，所以又称为间接式变频器，如图1-38所示。表1-5列出了两种基本形式变频器主要特点的比较。

1.5.2 变频器的控制方式

当对异步电动机调速时，需要根据电动机的特性对供电电压（电流）和频率进行适当控制，采用不同的控制方法所得到的调速性能、特征和作用是不同的。

变频器所采用的控制方式按系统结构分为两类，即开环控制和闭环控制。也可按非智能控制和智能控制方式区分。目前各种控制方式的变频器已产品化，可根据调速目的、用途和调速系统所需的性能指标选择合适的控制方式，以构成性价比高的交流调速系统。

1. 非智能控制方式

在交流变频器中使用的非智能控制方式有U/f控制、转差频率控制、矢量控制、直接转矩控制等。

1）U/f控制（SPWM）

通用变频器基本上都采用这种控制方式，其特点是控制电路结构简单、成本较低，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，由于输出电压较低，转矩受定子电阻压降的影响比较显著，使输出最大转矩减小。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，且系统性能不高，控制曲线会随负载的变化而变化，转矩响应慢，电机转矩利用率不高，低速时会因为定子电阻和逆变器死区效应的存在而导致性能下降、稳定性变差等。

2）转差频率控制

转差频率控制方式是对U/f控制的一种改进，这种控制需要由安装在电动机上的速度传感器检测出电动机的转速，构成速度闭环。速度调节器的输出为转差频率，而变频器的输出频率则由电动机的实际转速与所需转差频率之和决定。由于通过控制转差频率来控制转矩的电流，与U/f控制相比，其加减速特性和限制过电流的能力得到了提高。

3）矢量控制（VC）

矢量控制是一种高性能异步电动机控制方式，它根据交流电动机的动态数学模型，利用坐标变换的手段，将交流电动机的定子电流分解成励磁分量电流和转矩分量电流，并分别加以控制，即模仿自然解耦的直流电动机的控制方式，对电动机的磁场和转矩分别加以控制，从而获得类似于直流调速系统的动态性能。

4）直接转矩控制（DTC）

1985年，德国鲁尔大学的De Penbrock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，并因其新颖的控制思想、简洁明了的系统结构、优良的动静态性能而得到了迅速发展。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等效为直流电动机，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。

提示

高性能变频器大多采用矢量控制方式，驱动对象是变频器生产厂家指定的专用电动机。与普通变频器相比，它主要用于对电动机控制要求较高的系统。

2. 智能控制方式

智能控制方式主要有神经网络控制、模糊控制、专家系统、学习控制等。在变频器的控制中采用智能控制方式在具体应用中有一些成功的范例。

1）神经网络控制

神经网络控制方式应用于变频器的控制中，一般是进行比较复杂的系统控制，这时对于系统的模型了解甚少，因此神经网络既要完成系统辨识的功能，又要进行控制。而且神经网络控制方式可以同时控制多个变频器，因此在多个变频器级联时进行控制比较适合。但是如果神经网络的层数太多或者算法过于复杂，都会在具体应用中带来不少实际困难。

2）模糊控制

模糊控制算法用于控制变频器的电压和频率，使电动机的升速时间得到控制，以避免升速过快影响电动机使用寿命或升速过慢影响工作效率。模糊控制的关键在于论域、隶属度以及模糊级别的划分，这种控制方式尤其适用于多输入单输出的控制系统。

3）专家系统

专家系统是利用所谓“专家”的经验进行控制的一种控制方式。因此，专家系统中一般要建立一个专家库，存放一定的专家信息；另外还要有推理机制，以便于根据已知信息寻求理想的控制结果。专家库与推理机制的设计是尤为重要的，直接关系到专家系统控制的优劣。应用专家系统既可以控制变频器的电压，又可以控制其电流。

4）学习控制

学习控制主要用于重复性的输入，而规则的PWM信号（如中心调制PWM）恰好满足这个条件，因此学习控制也可用于变频器的控制。学习控制不需要了解太多的系统信息，但是需要1～2个学习周期，因此快速性相对较差。而且，学习控制的算法中有时需要实现超前环节，这用模拟器件是无法实现的。同时，学习控制还涉及稳定性的问题，在应用时要特别注意。

1.5.3 变频器控制的展望

随着电力电子技术、微电子技术、计算机网络等高新技术的发展，变频器的控制方式今后将向如下几个方面发展。

1. 数字控制变频器的实现

现在，对于变频器的控制，用数字处理器已经可以实现比较复杂的运算，变频器数字化将是一个重要的发展方向。目前进行变频器数字化主要采用单片机MCS51或80C196MC等，辅助以SLE4520或EPLD液晶显示器等来实现更加完善的控制功能。

2. 多种控制方式的组合

单一的控制方式各有各的优缺点，并没有“万能”的控制方式。在有些控制场合，需要将一些控制方式结合起来，如学习控制与神经网络控制相结合，自适应控制与模糊控制相结合，这样取长补短，控制效果将会更好。

3. 远程控制的实现

依靠计算机网络，通过RS-485接口及一些网络协议对变频器进行远程控制，也是一个发展方向。这样在有些不适合进行现场操作的场合，也可以很容易地实现控制目标。图1-39所示为送风机远程控制系统示意图。

4. 绿色变频器

如何减少变频器产生的高次谐波对电网带来的污染，降低变频器工作时的噪声以及增强其工作的可靠性、安全性等这些问题，都需要通过采取合适的控制方式来解决，设计出绿色变频器。