變頻器控制原理20130514

1、變頻器原理及控制方式變頻器在工業(yè)上對(duì)異步電機(jī)控制有如此的優(yōu)勢(shì)，下面我們來看看變頻器的原理及機(jī)構(gòu)一、變頻器的原理簡(jiǎn)介變速驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)如上圖變速驅(qū)動(dòng)器包括以下幾部分1、 主電源2、 控制部分I/O輸入輸出端子通信端口3、 功率部分電機(jī)保護(hù)部分制動(dòng)部分濾波器主電路部分由上圖可以知道變頻器主要結(jié)構(gòu)有整流、濾波、逆變?cè)骷M成，具體工作過程如下圖：1、 電網(wǎng)三相交流電經(jīng)過整流橋變成有毛刺的直流電2、 經(jīng)過濾波電容將有毛刺的直流電準(zhǔn)換成恒定的直流電3、 直流電再經(jīng)過逆變單元PWM控制轉(zhuǎn)換成正弦的交流電到被控電機(jī)4、 在整流橋及濾波中間有預(yù)充電單元防止啟動(dòng)時(shí)過大的浪涌電流 變頻的作用1、 通過改變電壓和頻率來

2、改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速2、 通過改變電流來改變電機(jī)輸出的轉(zhuǎn)矩來拖動(dòng)負(fù)載具體的整流、逆變過程在這里就不介紹了，下面介紹變頻器的常用控制方式二、V/F控制首先，變頻調(diào)速的目的是1、調(diào)速范圍寬：從0到最高機(jī)械速度 2、整個(gè)調(diào)速范圍保持力矩性能 3、提供與負(fù)載無關(guān)的加減速 4、按照設(shè)定的減速曲線減速根據(jù)以上幾點(diǎn) 首先 目標(biāo)是在整個(gè)調(diào)速范圍內(nèi)保持力矩.電機(jī)內(nèi)磁通必須維持恒定. 由上式可推到，在磁通恒定的情況下，轉(zhuǎn)矩跟電流成正比，如何保證磁通恒定呢？恒磁通控制ü 對(duì)異步電機(jī)來說，磁通主要由定子產(chǎn)生 ü 定子由電壓為U ，頻率為f的交流電源供給 由以上公式推導(dǎo) ü 磁通恒定要求 U/f

3、 恒定 這樣在磁通恒定的情況下電機(jī)的轉(zhuǎn)矩只和電機(jī)的轉(zhuǎn)子電流有關(guān)了，這是一個(gè)理論上的電壓/頻率曲線電壓從0逐步增加到額定電壓，但是這樣電機(jī)是不會(huì)正常工作的，因?yàn)槎ㄗ与娮钑?huì)產(chǎn)生一個(gè)壓降，所以在低速時(shí)，磁通電壓很小，定子電壓也是很小不足以提供一個(gè)充足的轉(zhuǎn)矩所以，V/F頻率曲線在低速時(shí)需要電壓補(bǔ)償來避免上述問題在實(shí)際的應(yīng)用時(shí)，電壓起始位置需要有一個(gè)偏移，防止電壓從0開始轉(zhuǎn)矩不足，如下圖模型總結(jié) 為了實(shí)現(xiàn)變速，必須變頻 為在整個(gè)調(diào)速范圍內(nèi)維持力矩輸出，電壓/頻率 必須保持恒定。 V/F控制方式是最簡(jiǎn)單的變頻器調(diào)速方式 盡管這是最簡(jiǎn)單的控制方式，但即使在最新推出的產(chǎn)品中，仍然被廣泛采用。 對(duì)于負(fù)載沖擊不大

4、，起動(dòng)扭矩要求不高的應(yīng)用，這種方式是較好的選擇。 同樣，對(duì)于特殊的電機(jī)驅(qū)動(dòng)情形，這也是最好的選擇，特殊情形包括 : 特殊或未知電機(jī) 高速電機(jī) 并聯(lián)電機(jī) 通過變壓器再驅(qū)動(dòng)電機(jī) 小電機(jī)測(cè)試三、矢量控制1、矢量控制問題的提出前節(jié)論述的基于穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型的異步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)雖然能夠在一定范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速，但是，如果遇到軋鋼機(jī)、數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人、載客電梯等需要高動(dòng)態(tài)性能的調(diào)速系統(tǒng)或伺服系統(tǒng)，就不能完全適應(yīng)了。要實(shí)現(xiàn)高動(dòng)態(tài)性能的系統(tǒng)，必須首先認(rèn)真研究異步電機(jī)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型。 異步電機(jī)的多變量、強(qiáng)耦合模型結(jié)構(gòu) n 直流調(diào)速系統(tǒng)有著優(yōu)異的動(dòng)靜態(tài)調(diào)速性能。原因是直流電機(jī)的磁通可通過單獨(dú)調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流來實(shí)現(xiàn)控制，與電

5、樞電流調(diào)節(jié)彼此互不影響，容易做到磁通恒定，在磁通恒定的情況下，扭矩與電樞電流成正比。而交流電機(jī)的磁通無法單獨(dú)控制。異步電機(jī)的模型是多輸入（電壓，電流，頻率，相位）、多輸出（磁通、轉(zhuǎn)矩），并且多個(gè)變量耦合在一起的調(diào)節(jié)電壓、電流既影響磁通又同時(shí)影響轉(zhuǎn)矩。 n 矢量控制的出發(fā)點(diǎn)是通過數(shù)學(xué)的方法，對(duì)交流電機(jī)的模型進(jìn)行解耦，使各物理量分解為勵(lì)磁分量和轉(zhuǎn)矩分量，然后模仿直流電機(jī)的控制方法進(jìn)行控制。異步電動(dòng)機(jī)坐標(biāo)變換結(jié)構(gòu)圖上圖可以看看出異步電機(jī)通過模型變換模仿出等效直流電機(jī)模型。矢量控制系統(tǒng)原理圖由上圖可知，控制器根據(jù)給定信號(hào)與反饋信號(hào)將勵(lì)磁分量與轉(zhuǎn)矩分量計(jì)算出來通過變換后控制功率部分輸出PWM信號(hào)給電機(jī)來

6、精確的控制電機(jī)矢量控制的性能如上圖所示在低速時(shí)，V/F控制在低速時(shí)表現(xiàn)很差，矢量控制自適應(yīng)，保證足夠的轉(zhuǎn)矩，甚至在0HZ時(shí)也有100%的轉(zhuǎn)矩上圖只是顯示在恒定的環(huán)境的對(duì)比圖，如果在動(dòng)態(tài)的調(diào)速系統(tǒng)中時(shí)矢量控制將表現(xiàn)的更好。我們?cè)谑裁喘h(huán)境下試驗(yàn)矢量控制呢，是使用開環(huán)的矢量控制還是閉環(huán)的呢？請(qǐng)看下圖四、變頻器直接轉(zhuǎn)矩控制（了解）概 述 直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)簡(jiǎn)稱 DTC ( Direct Torque Control) 系統(tǒng)，是繼矢量控制系統(tǒng)之后發(fā)展起來的另一種高動(dòng)態(tài)性能的交流電動(dòng)機(jī)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)。在它的轉(zhuǎn)速環(huán)里面，利用轉(zhuǎn)矩反饋直接控制電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩，因而得名直接轉(zhuǎn)矩控制與矢量控制對(duì)比 DTC系統(tǒng)和VC

7、系統(tǒng)都是已獲實(shí)際應(yīng)用的高性能交流調(diào)速系統(tǒng)。兩者都采用轉(zhuǎn)矩（轉(zhuǎn)速）和磁鏈分別控制，這是符合異步電動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型的需要的。但兩者在控制性能上卻各有千秋。 矢量控制系統(tǒng)VC系統(tǒng)強(qiáng)調(diào) Te 與r的解耦，有利于分別設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速與磁鏈調(diào)節(jié)器；實(shí)行連續(xù)控制，可獲得較寬的調(diào)速范圍；但按r 定向受電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子參數(shù)變化的影響，降低了系統(tǒng)的魯棒性。 直接轉(zhuǎn)矩控制 DTC系統(tǒng)則實(shí)行 Te 與s 砰-砰控制，避開了旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換，簡(jiǎn)化了控制結(jié)構(gòu)；控制定子磁鏈而不是轉(zhuǎn)子磁鏈，不受轉(zhuǎn)子參數(shù)變化的影響；但不可避免地產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，低速性能較差，調(diào)速范圍受到限制。五、負(fù)載類型負(fù)載類型主要有以下幾種ü 恒轉(zhuǎn)矩ü 平方轉(zhuǎn)矩ü 線性轉(zhuǎn)矩ü 恒功率ü 其他對(duì)已驅(qū)動(dòng)來說，負(fù)載的特性主要與轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩曲線給出，負(fù)載的類型對(duì)于選擇變頻器類型十分重要，以下我們簡(jiǎn)單介紹以上幾種負(fù)載類型恒轉(zhuǎn)矩：起重，電梯，傳送帶平方轉(zhuǎn)矩負(fù)載：離心泵和風(fēng)機(jī) 線性負(fù)載：阿基米德螺桿 恒功