變頻器控制電機轉(zhuǎn)速

1、變頻器是怎樣控制電機轉(zhuǎn)速 變頻器主要由整流（交流變直流）、濾波、再次整流（直流變交 流）、制動單元、驅(qū)動單元、檢測單元微處理單元等組成的。1. 電機的旋轉(zhuǎn)速度為什么能夠自由地改變？*1: r/min電機旋轉(zhuǎn)速度單位：每分鐘旋轉(zhuǎn)次數(shù)，也可表示為rpm.例如:2 極電機 50Hz 3000 r/min4 極電機 50Hz 1500 r/min結(jié)論：電機的旋轉(zhuǎn)速度同頻率成比例本文屮所指的電機為感應式交流電機，在工業(yè)中所使用的大部分電機均為此類型電機。感應式 交流電機（以后簡稱為電機）的旋轉(zhuǎn)速度近似地確決于電機的極數(shù)和頻率。由電機的工作原理決 定電機的極數(shù)是固定不變的。由于該極數(shù)值不是一個連續(xù)的數(shù)值（

2、為2的倍數(shù)，例如極數(shù)為2, 4,6）,所以一般不適和通過改變該值來調(diào)整電機的速度。另外，頻率能夠在電機的外面調(diào)節(jié)后再供給電機，這樣電機的旋轉(zhuǎn)速度就可以被自由的控制。因此，以控制頻率為目的的變頻器，是做為電機調(diào)速設備的優(yōu)選設備。n 二 60f/pn:同步速度f：電源頻率P：電機極對數(shù)結(jié)論：改變頻率和電壓是最優(yōu)的電機控制方法如果僅改變頻率而不改變電壓，頻率降低時會使電機出于過電壓（過勵磁），導致電機可能被 燒壞。因此變頻器在改變頻率的同時必須要同時改變電壓。輸出頻率在額定頻率以上時，電壓卻不 可以繼續(xù)增加，最高只能是等于電機的額定電壓。例如：為了使電機的旋轉(zhuǎn)速度減半，把變頻器的輸出頻率從50Hz改

3、變到25Hz,這時變頻器的輸出電壓就需要從400V改變到約200V2. 當電機的旋轉(zhuǎn)速度（頻率）改變時，其輸出轉(zhuǎn)矩會怎樣？*1:工頻電源由電網(wǎng)提供的動力電源（商用電源）*2:起動電流當電機開始運轉(zhuǎn)時，變頻器的輸岀電流變頻器驅(qū)動時的起動轉(zhuǎn)矩和最大轉(zhuǎn)矩要小于直接用工頻電源驅(qū)動電機在工頻電源供電時起動和加速沖擊很大，而當使用變頻器供電時，這些沖擊就要弱一些。 工頻直接起動會產(chǎn)生一個大的起動起動電流。而當使用變頻器時，變頻器的輸出電壓和頻率是逐漸 加到電機上的，所以電機起動電流和沖擊要小些。通常，電機產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩要隨頻率的減?。ㄋ俣冉档停┒鴾p小。減小的實際數(shù)據(jù)在有的變頻器手冊屮會 給出說明。通過使用磁通

4、矢量控制的變頻器，將改善電機低速時轉(zhuǎn)矩的不足，甚至在低速區(qū)電機也可輸岀足夠 的轉(zhuǎn)矩。3. 當變頻器調(diào)速到大于50Hz頻率時，電機的輸出轉(zhuǎn)矩將降低通常的電機是按50Hz電壓設計制造的，其額定轉(zhuǎn)矩也是在這個電壓范圍內(nèi)給出的。因此在 額定頻率 之下的調(diào)速稱為恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速.（T=Te, PUPe）變頻器輸出頻率大于50Hz頻率時，電機產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩要以和頻率成反比的線性關系下降。當電機以大于50Hz頻率速度運行時，電機負載的大小必須要給予考慮，以防止電機輸出轉(zhuǎn)矩的不 足。舉例，電機在100Hz時產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩大約要降低到50Hz時產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的1/2。因此在額定頻率之上的調(diào)速稱為恒功率調(diào)速.（P二Ue*Ie）4.

5、變頻器50Hz以上的應用情況大家知道，對一個特定的電機來說，其額定電壓和額定電流是不變的。如變頻器和電機額定值都是：15kW/380V/30A,電機可以工作在50Hz以上。當轉(zhuǎn)速為50Hz時，變頻器的輸出電壓為380V,電流為30A.這吋如果增大輸岀頻率到6OHz,變頻器的最大輸岀電壓電流還只能為380V/30A.很顯然輸出功率不變.所以我們稱之為恒功 率調(diào)速.這時的轉(zhuǎn)矩情況怎樣呢？因為P二wT （w:角速度，T:轉(zhuǎn)矩）.因為P不變川增加了，所以轉(zhuǎn)矩會相應減小。我們還可以再換一個角度來看：電機的定子電壓U二E + 1*R （I為電流,斤為電子電阻,E為感應電勢）可以看出,U, 1不變時，。也不

6、變.而E二k*f*X, （k:常數(shù)頻率，上磁通），所以當f由5060Hz時,X會相應 減小對于電機來說,T=K*I*X, （K:常數(shù)：電流，上磁通），因此轉(zhuǎn)矩T會跟著磁通X減小 而減小.同時，小于50Hz時，由于I*R很小，所以U/f=E/f不變時，磁通（X）為常數(shù).轉(zhuǎn)矩T和電流成正 比.這也就是為什么通常用變頻器的過流能力來描述其過載（轉(zhuǎn)矩）能力.并稱為恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速（額定電流不變-最大轉(zhuǎn)矩不變）結(jié)論：當變頻器輸出頻率從50Hz以上增加時，電機的輸出轉(zhuǎn)矩會減小.5. 其他和輸出轉(zhuǎn)矩有關的因素發(fā)熱和散熱能力決定變頻器的輸出電流能力，從而影響變頻器的輸出轉(zhuǎn)矩能力。載波頻率：一般變頻器所標的額定電流都

7、是以最高載波頻率，最高環(huán)境溫度下能保證持續(xù)輸出的數(shù) 值.降低載波頻率，電機的電流不會受到影響。但元器件的發(fā)熱會減小。環(huán)境溫度：就象不會因為檢測到周圍溫度比較低時就增大變頻器保護電流值海拔高度：海拔高度增加，對散熱和絕緣性能都有影響 一般1000m以下可以不考慮.以上每1000米降容5%就可以了 .6. 矢量控制是怎樣改善電機的輸岀轉(zhuǎn)矩能力的？*1:轉(zhuǎn)矩提升此功能增加變頻器的輸岀電壓（主要是低頻時），以補償定子電阻上電壓降引起的輸出轉(zhuǎn)矩損失， 從而改善電機的輸出轉(zhuǎn)矩。$改善電機低速輸岀轉(zhuǎn)矩不足的技術使用”矢量控制”，可以使電機在低速，如（無速度傳感器時）1Hz （對4極電機，其轉(zhuǎn)速大約為 30r

8、/min ）時的輸出轉(zhuǎn)矩可以達到電機在 50Hz供電輸出的轉(zhuǎn)矩（最大約為額定轉(zhuǎn)矩的150%） O對于常規(guī)的V/F控制，電機的電壓降隨著電機速度的降低而相對增加，這就導致由于勵磁不足， 而使電機不能獲得足夠的旋轉(zhuǎn)力。為了補償這個不足，變頻器屮需要通過提高電壓，來補償電機速度 降低而引起的電壓降。變頻器的這個功能叫做轉(zhuǎn)矩提升（*1）。轉(zhuǎn)矩提升功能是提高變頻器的輸出電壓。然而即使提高很多輸出電壓，電機轉(zhuǎn)矩并不能和其電流相 對應的提高。因為電機電流包含電機產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩分量和其它分量（如勵磁分量）。矢量控制把電機的電流值進行分配，從而確定產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的電機電流分量和其它電流分量（如勵 磁分量）的數(shù)值。矢量控制

9、可以通過對電機端的電壓降的響應，進行優(yōu)化補償，在不增加電流的情況下，允許 電機產(chǎn)出大的轉(zhuǎn)矩。此功能對改善電機低速時溫升也有效。變頻器制動的情況1:制動的概念指電能從電機側(cè)流到變頻器側(cè)（或供電電源側(cè)），這時電機的轉(zhuǎn)速高于同步轉(zhuǎn)速。負載的能量分為動能和勢能.動能（由速度和重量確定其大?。╇S著物體的運動而累積。當動 能減為零時，該事物就處在停止狀態(tài)。機械抱閘裝置的方法是用制動裝置把物體動能轉(zhuǎn)換為摩擦和能消耗掉。對于變頻器，如果輸岀頻率降低，電機轉(zhuǎn)速將跟隨頻率同樣降低。這時會產(chǎn)生制動過程.由制動 產(chǎn)生的功率將返回到變頻器側(cè)。這些功率可以用電阻發(fā)熱消耗。在用于提升類負載，在下降時，能量（勢能）也要返回到

10、變頻器（或電源）狽I,進行制動。這種操作方法被稱作“再生制動”，而該方法可應用于變頻器制動。在減速期間，產(chǎn)生的功率如果不通過熱消耗的方法消耗掉，而是把能量返回送到變頻器電源側(cè)的方 法叫做“功率返回再生方法” O在實際中，這種應用需要“能量回饋單元”選件。2：怎樣提高制動能力？為了用散熱來消耗再生功率，需要在變頻器側(cè)安裝制動電阻。為了改善制動能力，不能期望靠增加變頻器的容量來解決問題。請選用“制動電阻”、“制動單 元”或“功率再生變換器”等選件來改善變頻器的制動容量。3.當電機的旋轉(zhuǎn)速度改變時，其輸岀轉(zhuǎn)矩會怎樣？變頻器驅(qū)動時的起動轉(zhuǎn)矩和最大轉(zhuǎn)矩要小于直接用工頻電源驅(qū)動時的起動轉(zhuǎn)矩和最大轉(zhuǎn)矩。我們

11、經(jīng)常聽到下面的說法：“電機在工頻電源供電時，電機的起動和加速沖擊很大，而當使用變頻 器供電時，這些沖擊就要弱一些”。如果用大的電壓和頻率起動電機，例如使用工頻電網(wǎng)直接供 電，就會產(chǎn)生一個大的起動沖擊（大的起動電流）o而當使用變頻器時，變頻 器的輸岀電壓和頻率是 逐漸加到電機上的，所以電機產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩要小于工頻電網(wǎng)供電的轉(zhuǎn)矩 值。所以變頻器驅(qū)動的電機起 動電流要小些。通常，電機產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩要隨頻率的減?。ㄋ俣冉档停┒鴾p些減小的實際數(shù)據(jù)在有的變頻器手冊屮會 給出說明。通過使用磁通矢量控制的變頻器，將改善電機低速時轉(zhuǎn)矩的不足，甚至在低速區(qū)電機也可輸岀足夠 的轉(zhuǎn)矩。當變頻器調(diào)速到大于額定頻率 20%時，電

12、機的輸出轉(zhuǎn)矩將降低通常的電機是按照額定頻率電壓設計制造的，其額定轉(zhuǎn)矩也是在這個電壓范圍內(nèi)給出的。因此在額 定頻率Z下的調(diào)速稱為恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速.（T二Te, P二Pe）變頻器輸出頻率大于額定頻率時（如我國的電機 大于50Hz）,電機產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩要以和頻率成反比的線性關系下降。當電機以大于額定頻率20%速度運行時，電機負載的大小必須要給予考慮，以防止電機輸出轉(zhuǎn)矩的 不足。舉例，額定頻率為50Hz的電機在100Hz時產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩大約要降低到50Hz時產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的1/2。因此在額定頻率之上的調(diào)速稱為恒功率調(diào)速（P二Ue*Ie）可編輯范本摘要:文屮遵循理論和實際相結(jié)合的原則,對變頻器的本文介紹了變頻器的工作原理和

13、控制方式， 工作原理和控制方式作了詳細的對比和分析。關鍵詞：變頻器、控制方式、工作原理近年來，隨著電力電子技術、微電子技術及大規(guī)模集成電路的發(fā)展，生產(chǎn)工藝的改進 及功率半 導體器件價格的降低，變頻調(diào)速越來越被工業(yè)上所采用。如何選擇性能好的變頻其應用到工業(yè)控制 屮，是我們專業(yè)技術人員共同追求的目標。下面結(jié)合作者的實際經(jīng)驗談談變 頻器的工作原理和控制 方式：1變頻器的工作原理我們知道，交流電動機的同步轉(zhuǎn)速表達式位：n二 60f（1 s）/p （1）式中n異步電動機的轉(zhuǎn)速;f異步電動機的頻率；s電動機轉(zhuǎn)差率;P電動機極對數(shù)。由式（1）可知，轉(zhuǎn)速n與頻率f成正比，只要改變頻率f即可改變電動機的轉(zhuǎn)速，當

14、頻率 f在050Hz的范圍內(nèi)變化時，電動機轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍非常寬。變頻器就是通過改變電動機電源頻率實現(xiàn)速度調(diào)節(jié)的，是一種理想的高效率、高性能的調(diào)速手段。2變頻器控制方式低壓通用變頻輸出電壓為 380-650V,輸出功率為0. 75-400kW工作頻率為0400Hz,它 的主電路都采用交一直一交電路。其控制方式經(jīng)歷了以下四代。2. lU/f=C的正弦脈寬調(diào)制（SPWM控制方式其特點是控制電路結(jié)構簡單、成本較低，機械特性硬度也較好，能夠滿足一般傳動的平滑調(diào)速要 求，已在產(chǎn)業(yè)的各個領域得到廣泛應用。但是，這種控制方式在低頻時，由于輸出電壓 較低，轉(zhuǎn)矩 受定子電阻壓降的影響比較顯著，使輸出最大轉(zhuǎn)矩減小。另

15、外，其機械特性終究沒有直流電動機 硬，動態(tài)轉(zhuǎn)矩能力和靜態(tài)調(diào)速性能都還不盡如人意，且系統(tǒng)性能不高、控制曲線會隨負載的變化 而變化，轉(zhuǎn)矩響應慢、電機轉(zhuǎn)矩利用率不高，低速時因定子電阻和逆變器死區(qū)效應的存在而性能 下降，穩(wěn)定性變差等。因此人們又研究出矢量控制變頻調(diào)速。2. 2電壓空間矢量（SVPWM控制方式它是以三相波形整體生成效果為前提，以逼近電機氣隙的理想圓形旋轉(zhuǎn)磁場軌跡為目的，一次生成 三相調(diào)制波形，以內(nèi)切多邊形逼近圓的方式進行控制的。經(jīng)實踐使用后又有所改進，即引入頻率補 償，能消除速度控制的誤差；通過反饋估算磁鏈幅值，消除低速時定子電阻的影響；將輸出電 壓、電流閉環(huán)，以提高動態(tài)的精度和穩(wěn)定度。

16、但控制電路環(huán)節(jié)較多，且沒有引入轉(zhuǎn)矩的調(diào)節(jié)，所以系統(tǒng)性能沒有得到根本改善。2. 3矢量控制（V0方式矢量控制變頻調(diào)速的做法是將異步電動機在三相坐標系下的定子電流la、lb、Ic 通過三相一二相變換，等效成兩相靜止坐標系下的交流電流bllbl，再通過按轉(zhuǎn)子磁場定向旋轉(zhuǎn) 變換，等效 成同步旋轉(zhuǎn)坐標系下的直流電流Iml Itl （Iml相當于直流電動機的勵磁電流；Itl相當于與轉(zhuǎn)矩成正比的電樞電流），然后模仿直流電動機的控制方法，求得直流電動機的控制量， 經(jīng)過相應的坐標反變換，實現(xiàn)對異步電動機的控制。其實質(zhì)是將交流電動機等效為直流電動機，分 別對速度，磁場兩個分量進行獨立控制。通過控制轉(zhuǎn)子磁鏈，然后分

17、解定子電流而獲得轉(zhuǎn)矩和磁場兩個 分量，經(jīng)坐標變換，實現(xiàn)正交或解耦控制。矢量控制方法的提出具有劃時代的意義。然而在實際應 用屮，由于轉(zhuǎn)子磁鏈難以準確觀測，系統(tǒng)特性受電動機參數(shù)的影響較大，且在等效直流電動機控制過 程中所用矢量旋轉(zhuǎn)變換較復雜，使得實際的控制效果難以達到理想分析的結(jié)果。2. 4直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC方式1985年，德國魯爾大學的DePenbrock教授首次提出了直接轉(zhuǎn)矩控制變 頻技術。該技術在很大程度上解決了上述矢量控制的不足，并以新穎的控制思想、簡潔明了的系統(tǒng) 結(jié)構、優(yōu)良的動靜態(tài)性能得到了迅速發(fā)展。目前，該技術已成功地應用在電力機車牽引的大功率 交流傳動上。直接轉(zhuǎn)矩控制直接在定子坐標

18、系下分析交流電動機的數(shù)學模型，控制電動機的磁鏈和轉(zhuǎn)矩。它不需要 將交流電動機等效為直流電動機，因而省去了矢量旋轉(zhuǎn)變換中的許多復雜計算；它不需要模仿直流 電動機的控制，也不需要為解耦而簡化交流電動機的數(shù)學模型。2. 5矩陣式交一交控制方式WVF變頻、矢量控制變頻、直接轉(zhuǎn)矩控制變頻都是交一直一交變頻屮的一種。其共同缺點是輸入功率 因數(shù)低，諧波電流大，直流電路需要大的儲能電容，再生能量又不能反饋回電網(wǎng)，即不能進行四 彖限運行。為此，矩陣式交一交變頻應運而生。由于矩陣式交一交變頻省去了屮間直流環(huán)節(jié)，從 而省去了體積大、價格貴的電解電容。它能實現(xiàn)功率因數(shù)為1 ,輸入電流為正弦且能四彖限運行，系統(tǒng)的功率密度大。該技術目前雖尚未成熟，但仍吸引著眾多的學者深 入研究。其實質(zhì)不是間接的控制電流、磁鏈等量，而是把轉(zhuǎn)矩直