丹佛斯變頻器的基本控制模式

1、第三章變頻器的基本控制模式變頻器的控制模式是指變頻器在工作時，輸出頻率和輸岀電壓之間的關(guān)系。控制模式不 同，變頻器的控制精度和快速性也就不同。電動機在工頻運行時，因為頻率和電壓是固定的，電動機的參數(shù)是按固定的頻率電壓設(shè) 計的，當頻率變化時，就要考慮電磁參數(shù)必須保持在某一確定的值。變頻器常用的三種控制模式為：基本控制、矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制。-X基本控制基本控制是根據(jù)電動機的電磁特性采取的控制模式，即輸出頻率變化時，輸出電壓 也成比例的變化，u/f=c （常數(shù)）。恒壓頻比控制是變頻器控制的基礎(chǔ)，其他控制也是建立 在該控制基礎(chǔ)上的?；究刂埔话阌糜谧冾l器的開環(huán)控制，如圖3-1所示。（-）控制理論依

2、據(jù) 給三相異步電動機的定子繞組加上電源電壓S后，繞組中便產(chǎn)生感應(yīng)電動勢& （見3-2）,根據(jù)電動機理論，&的表達式為=4.44式中E、定子繞組的感應(yīng)電動勢有效值；£定子繞組的繞組系數(shù)，1,為常數(shù)；N、定子每相繞組的匝數(shù)，為常數(shù)；Z定子繞組感應(yīng)電動勢的頻率，即電源的頻率;Pn旋轉(zhuǎn)磁場的主磁通，大小和定子空載電流成正比，為了保證電動機工作在磁通的最佳值，0. Xo圖3-2感應(yīng)電動勢的產(chǎn)生也為常數(shù)。圖33所示是電動機的鐵心磁飽和曲線，由圖33可見，在a點為特性線的最佳點，當大于a點，進入飽和區(qū)，當電動機調(diào)頻工作時，要保持a點不變。當電動機工作時，人增加，厶增加，產(chǎn)生的磁通大

3、小相等，方向相反，相互抵消，即工 作時主磁通是不變的，仍然保持在空載電流的設(shè)定值（見圖34）。#丹佛斯變頻器控制技術(shù)將上述常數(shù)帶入公式，有E、=JC,由于A很小，當®較高時，可忽略，有:U 嚴 & =fC上式可改寫為S上升，/;上升；S下降，兀下降。即常數(shù)，這就是變頻器的基本 M控制模式。該控制線是任何控制模式都要遵守的?？刂齐娐方Y(jié)構(gòu)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，已在各產(chǎn)業(yè)的各個領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。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。其機械特性終究沒有直流 電動機機械特性硬度好，

4、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(yīng)慢，電動機轉(zhuǎn)矩利用率不高，低速時因定子電阻和逆變器死區(qū)效應(yīng)的存在而性能下降，穩(wěn)定性變差。應(yīng)用范:可以滿足大部分對調(diào)速響應(yīng)動態(tài)性能要求不高的場合，如風機、水泵負載。（二）基頻以下變頻調(diào)速基頻以下恒磁通變頻調(diào)速我國電網(wǎng)50Hz交流電稱為基頻，在0 50Hz范50Hz 范調(diào)速如圖35所示。特點:1）基頻以下調(diào)速時轉(zhuǎn)速變化轉(zhuǎn)矩不變，具有 恒轉(zhuǎn)矩特性。2）隨著轉(zhuǎn)速的下降，電動機輸出功率下降。3）當轉(zhuǎn)速較低時，具有節(jié)能作用。4）起動轉(zhuǎn)矩小。當較低時，S亦較低，電阻乩上的電壓調(diào)速時，稱為基頻以下調(diào)速。0已不可忽

5、略，它使定子電流下降，從而使減小，這將引起低速時的輸出轉(zhuǎn)矩減?。ㄒ妶D3-6） 0轉(zhuǎn)矩補償：為補償?shù)退贂r轉(zhuǎn)矩不足，在低頻時提升定子電壓補償曲線如圖37中曲線“2”。所有變頻器都有低頻轉(zhuǎn)矩補償功能。第三章變頻器的基本控制模式23（三）基頻以上變頻調(diào)速當電動機工作在基頻（額定頻率）以上時，由于電動機不能超過額定電壓運行，所以頻率在額定值以上升高時，定子電壓不變，保持在額定值。i著的升高而下降，電動機的轉(zhuǎn)矩亦隨著頻率的升高而下降。因為電動機輸岀功率為P = nT轉(zhuǎn)速升高，轉(zhuǎn)矩下降，乘積不變，即基頻以上的變頻調(diào)速屬于“恒功率”調(diào)速。恒功率調(diào)速曲線如圖所示。（四）基頻以上調(diào)速應(yīng)用1.滿足高速設(shè)備的需要如內(nèi)

6、圓磨床的磨頭電動機，轉(zhuǎn)速在每分鐘上萬 轉(zhuǎn)，可采用變頻高速電動機驅(qū)動，簡化傳動環(huán)節(jié)。2.滿足恒功率設(shè)備的需要即設(shè)備需要調(diào)速，又需要電動機輸出恒功率。超頻恒功率工作原理是：電動機采用超頻調(diào)速工作，輸岀恒功率；通過降速器，使負載得到應(yīng)有的可調(diào)轉(zhuǎn)速，從而不加大電動機和變頻器的功率。（五）低頻時臨界轉(zhuǎn)矩減小的原因與對策1.變頻運行時的數(shù)據(jù)舉例低頻時臨界轉(zhuǎn)矩減頻運行時小的原因如圖3-9所示。= + U 嚴 E、+頻率為50Hz時磁能相對值為100%, 25Hz時為94%, 10Hz時為78%,由此可以看岀 頻率下降時磁通比額定磁通下降了 22% 0所以電動機的帶負載能力下降。2.對策（電壓補償、轉(zhuǎn)矩補償、

7、轉(zhuǎn)矩提升）從圖310可以看出，在低頻運行時，輸入電壓適當?shù)脑黾右稽c補償量，從而加大了 比，也就加大了反電動勢與頻率的比。如果補償量恰到好處，則可使反電動勢與頻率與額定狀態(tài)相等，結(jié)果是磁通量也等于額定值O # 丹佛斯變頻器控制技術(shù)5380/x = 50Hza)LN Tlb)圖3-9低頻時臨界轉(zhuǎn)矩減頻運行時小的原因U*38092負載變化（減輕）對磁通的影響圖311圖310電壓補償?shù)脑韆）電壓補償?shù)暮xb） 25Hz時的補償量c） 10Hz時的補償量（六）負載變化的影響負載變化時，電動機的電流及其阻抗壓降也隨之變化，所以當負載變化時所需要的電壓補償量也應(yīng)該跟著改變。但變頻器的線是一次選定的，就是說

8、當線選定后，在某一 頻率下的電壓補償量"就確定了。如在滿載時得到恰好的補償（如圖3-llb）,在輕載時就 會發(fā)生磁通相對值增大，磁化曲線進入深度飽和段（如圖3-11C）,勵磁電流產(chǎn)生巨大的尖 峰波。/x= 10Hz<5 = 0.2A(/ = 0.2X20 = 4V£ = 92-4 = 88V y = 8.8"=122% .I 200.2 1.0a）負載率減輕至20% b）正常時的勵磁電流c）飽和時的勵磁電流0 # 丹佛斯變頻器控制技術(shù)（七）線的選擇與調(diào)整1.調(diào)整U線的實質(zhì)基本頻率基本頻率的大小是和變頻器的輸出電壓相對應(yīng)的。有兩種定義方法:1）和變頻器的最大輸

9、出電壓對應(yīng)的頻率（見圖3-12）02）當變頻器的輸出電壓等于額定電壓時的最小輸出頻率?；绢l率用/ba表示，在絕大多數(shù)情況下，基本頻率都和電動機的額定頻率相等。b)圖312基本頻率的定義a）基本線b）變頻器的對應(yīng)關(guān)系c）電動機的對應(yīng)關(guān)系 # 丹佛斯變頻器控制技術(shù) # 丹佛斯變頻器控制技術(shù)2基本頻率的調(diào)整實例一臺220V的電動機配380V變頻器，進口電動機的額定電壓常常是三相220V,而我國 低壓電網(wǎng)的電壓都是三相380V,兩者之間能否配用呢?可以通過提高基本頻率的方法來解決。如圖313所示，當把基本頻率預(yù)置為87Hz時, 則與87Hz對應(yīng)的電壓是380V,而50Hz對應(yīng)的電壓是220V,應(yīng)用此

10、方法時，電動機的工作 頻率可以上升至871Iz,從而增大了電動機的輸出功率，但應(yīng)注意由于變頻器輸出屯壓的脈動幅度仍高達513V左右，因此所用電動機的槽絕緣必須和380V電動機一樣才行。圖313 220V電動機配38OV變頻器a）對基本頻率的設(shè)定b）變頻器與電動機的對應(yīng)關(guān)系（八）270V. 70Hz電動機配38OV變頻器一臺電動機的額定數(shù)據(jù)是70Hz、270Vo首先在坐標內(nèi)找到與（70Hz、270V）對應(yīng) 的點（見圖3-14a）,找出380V對應(yīng)的頻率為98Hz,將基本頻率預(yù)置為98Hz即可。圖3-14 270V、70Hz電動機配38OV變頻器a）對基本頻率的設(shè)定b）變頻器與電動機的對應(yīng)關(guān)系（九

11、）轉(zhuǎn)矩提升的預(yù)置要點實際調(diào)試時，比例由小逐漸加大，每加大一檔，首先看能否帶得動負載，即使能帶 動負載，還應(yīng)觀察空載時會不會跳閘，一直到低頻運行時，即能帶動重負載，又不會空載跳 閘為止。1.低頻重載時如帶式輸送機，如圖315所示，是運送煤炭或石料的傳輸帶，其工作特點是:1）其負載輕重與轉(zhuǎn)速無關(guān)，屬于恒轉(zhuǎn)矩負載，機械特性如圖315b所示。2）在運行過程中，因為傳輸帶上的物料多少是不恒定的，所以其負載輕重常有變化。對于這類負載，必須考慮在物料最多的情況下，低頻時也能帶動負載。因此，應(yīng)該選擇具有一定補償量的曲線，如圖315c所示。這時電動機在負當工作頻率為九時，在不進行補償時，變頻器的輸出電壓為XI。

12、重時，有可能帶不動。如曲線選擇了曲線，則當工作頻率為九時，變頻器的輸出電圖315帶式輸送機的曲線a）負載示意圖b）負載機械特性c） 曲線的選擇 # 丹佛斯變頻器控制技術(shù) # 丹佛斯變頻器控制技術(shù)2.低頻輕載時風機屬于二次方律負載，其機械特性如圖316a所示，在低轉(zhuǎn)速運行時，負載的阻轉(zhuǎn)矩第三章變頻器的基本控制模式#很小。如0點，在這種情況下，即使不進行電壓補償，電動機的有效轉(zhuǎn)矩也比負載轉(zhuǎn)矩大得多。為此，變頻器專門設(shè)置了若干根“負補償線”。就是說，在低頻時，電壓非但不加大，相反地還應(yīng)該適當減小，如圖316b中曲線。當工作頻率為幾時，變頻器的輸出電壓減小為辺，使電動機的有效轉(zhuǎn)矩接近于負載轉(zhuǎn)矩a)遞減

13、轉(zhuǎn)矩曲線 平方衰減0曲線 降轉(zhuǎn)矩0曲線'變轉(zhuǎn)矩0曲線低減5T曲線負補償5T曲線低勵磁0曲線圖316風機的曲線a）風機的機械特性b） 曲線的選擇二. 矢量控制矢量控制就是用模擬直流電動機的方法對交流電動機進行控制的一種控制模式。矢量控制實現(xiàn)的基本原理是通過測量和控制異步電動機定子電流矢量，根據(jù)磁場定向原 理分別對異步電動機的勵磁電流和轉(zhuǎn)矩電流進行控制，從而達到控制異步電動機轉(zhuǎn)矩的目 的。具體是將異步電動機的定子電流矢量分解為產(chǎn)生磁場的電流分量（勵磁電流）和產(chǎn)生轉(zhuǎn) 矩的電流分量（轉(zhuǎn)矩電流）分別加以控制，并同時控制兩分量間的幅值和相位，即控制定子 電流矢量，所以稱這種控制方式為矢量控制方式。

14、矢量控制方式又有基于轉(zhuǎn)差頻率控制的矢 量控制方式、無速度傳感器矢量控制方式和有速度傳感器的矢量控制方式等。交直流電動機轉(zhuǎn)矩特性的比較（1）直流電動機Tc = CT I（2）交流電動機Tc = CT/cosa式中Tr電磁轉(zhuǎn)矩；CT一轉(zhuǎn)矩系數(shù)；I電樞電流；磁通；a功率因數(shù)角。cosa是轉(zhuǎn)子電流的功率因數(shù)，只要它為常數(shù)，交流電動機的控制就和直流電動機的控制特性相同。因為控制cosa為常數(shù)，實際上就是：控制轉(zhuǎn)子（定子）電流的大小，還要控 制電流的方向，即矢量控制，如圖317所示。依照直流電動機的特點，當變頻器得到給定信號后，首先由控制電路把給定信號分解為兩個互相垂直的磁場信號，勵磁分量M和轉(zhuǎn)矩分量T，

15、與之對應(yīng)的控制信號分別為口和iT0并假設(shè)這兩個互相垂直的磁場信號在空間是旋轉(zhuǎn)的，轉(zhuǎn)速等于給定頻率相對的同步轉(zhuǎn)速。在運行過程中，當負載發(fā)生變化導致轉(zhuǎn)速變化時，可通過轉(zhuǎn)速反饋到控制電路，以調(diào)制 控制信號。調(diào)整時令磁場信號訂不變，而只調(diào)整轉(zhuǎn)矩信號環(huán)，從而使異步電動機得到和直流電動機十分相似的機械特性。第三章變頻器的基本控制模式#第三章變頻器的基本控制模式#（-）矢量控制需要的參數(shù)1）電動機的銘牌數(shù)據(jù)電壓、電流、轉(zhuǎn)速、磁極對數(shù)、效率等。2）電動機的繞組數(shù)據(jù)定子電阻、定子漏磁電抗、轉(zhuǎn)子等效電阻、轉(zhuǎn)子等效漏磁電 抗、空載電流等。（二）反饋矢量控制接法有反饋矢量控制是各方面性能都比較優(yōu)越的一種控制方式。但因

16、為它是以有轉(zhuǎn)速反饋為 前提的，因此必須安裝轉(zhuǎn)速測量裝置，現(xiàn)在以旋轉(zhuǎn)編碼器為主，有反饋矢量控制方式如圖 318所示。主要適用于如下場合：第三章變頻器的基本控制模式#第三章變頻器的基本控制模式29圖318有反饋矢量控制方式a）有反饋矢量控制電路圖b）機械特性曲線族第三章變頻器的基本控制模式331）要求有較大調(diào)速范圍，如兼有銃、磨功能的龍門刨床。2）對動態(tài)響應(yīng)能力有較高要求者。3）對運行安全有較高要求者，如起重機械。無反饋矢量控制不需要安裝任何附加設(shè)備，且機械特性較硬，大多數(shù)恒轉(zhuǎn)矩負載可以選 擇無反饋矢量控制方式，它不但機械特性優(yōu)于控制方式，且不會發(fā)生電動機磁路飽和等 問題，故調(diào)試方便。（三）矢量控

17、制方式的適用范圍a)37kWb)730r/m inc)730/1460r/mind)圖319不宜采用的場合b）容量差兩檔以上C）8極以上d）特殊電動機不宜采用的場合如圖3-19所示。a）帶多臺電動機1）只能用于一臺變頻器控制一臺電動機的情況。2)電動機容量和變頻器要求的配用電動機容量之間，最多只能差一個檔次。3）磁極數(shù)一般以2、4、6極為宜。4）特殊電動機不能用矢量控制功能。如力矩電動機、深槽電動機、雙籠型異步電動機。（四）矢量控制使用要求1）矢量控制是對電動機的轉(zhuǎn)速（轉(zhuǎn)矩）進行控制，不能對電動機的間接控制量進行控 制，即不能進行過程控制。2）一臺變頻器只能控制一臺電動機。3）使用前要進行自動

18、掃描，將電動機的參數(shù)掃入變頻器。4)矢量控制可從零轉(zhuǎn)速進行控制，調(diào)速范圍寬，在低速時也有2倍的額定轉(zhuǎn)矩。5）矢量控制可對轉(zhuǎn)矩或轉(zhuǎn)速進行精確控制，系統(tǒng)響應(yīng)速度快，速度控制精度高。適用于控制精度高、反應(yīng)速度快的軋鋼、造紙、起重牽引等設(shè)備中。6）開環(huán)控制適用于一般控制，閉環(huán)控制適用于位置控制。（五）自動化系統(tǒng)対變頻器調(diào)速的要求1）調(diào)速性有良好的調(diào)速性能，很寬的調(diào)速范2）穩(wěn)速性以一定的速度精度在所需速度下穩(wěn)定運行。3）快速性加減速度快，在系統(tǒng)受到干擾時恢復得快（系統(tǒng)反應(yīng)的快速性是自動控 制的一個硬指標）。（六）矢量控制的主要優(yōu)點1）低頻轉(zhuǎn)矩大，即使運行在1Hz （或0.5Hz）時，也能產(chǎn)生足夠大的轉(zhuǎn)矩

19、，且不會產(chǎn) 生在控制方式中容易遇到的磁路飽和現(xiàn)象。2）機械特性好，在整個頻率調(diào)節(jié)范圍內(nèi)，都具有較硬的機械特性，所有機械特性基本上都是平行的。3）動態(tài)響應(yīng)好，尤其是有轉(zhuǎn)速反饋的矢量控制方式，其動態(tài)響應(yīng)時間一般都能小于 100mso（七）矢量控制的主要缺點1）完全依賴于精確的電動機模型。2）矢量控制中結(jié)構(gòu)復雜、計算量大、對參數(shù)變化敏感。三. 直接轉(zhuǎn)矩控制與矢量控制相比，直接轉(zhuǎn)矩控制具有結(jié)構(gòu)簡單、轉(zhuǎn)矩響應(yīng)速度快、對參數(shù)變化魯棒性強 的優(yōu)點，控制結(jié)構(gòu)簡單、控制信號處理的物理概念明確、系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)迅速且無超調(diào)，是 一種具有高靜、動態(tài)性能的交流調(diào)速控制方式。傳統(tǒng)的直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)的主要問題是低速時轉(zhuǎn)矩脈

20、動大。因此要降低或消除低速時的,近些年來岀現(xiàn)了轉(zhuǎn)矩脈動，提高轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩控制精度，擴大直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的調(diào)速范 許多新型的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)。雖然這些新型直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)在不同程度上改善了調(diào)速系 統(tǒng)的低速性能，但是其低速性能還是不能達到矢量控制的水平O魯棒性（robustness）就是系統(tǒng)的健壯性°它是在異常和危險情況下系統(tǒng)生存的關(guān)鍵。四. 變頻拖動系統(tǒng)的基本規(guī)律（一）變頻拖動系統(tǒng)必須滿足的條件：電動機的功率要大于負載功率拖動系統(tǒng)的功率關(guān)系如圖3-20所示。（二）電動機與負載的轉(zhuǎn)矩關(guān)系：電動機的轉(zhuǎn)矩要大于負載轉(zhuǎn)矩 拖動系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩關(guān)系如圖321所示。（三）拖動系統(tǒng)的重要規(guī)律與常見誤區(qū)誤區(qū)一

21、甩掉減速器（見圖322）第三章變頻器的基本控制模式 # 圖3-21拖動系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩關(guān)系（1）錯誤原因一一電動機降速后的有效功率要隨轉(zhuǎn)速下降L70kW減速器Z75kW、9 9 9丿50HzRS TUFU V W75kW70kW甩掉減速器少lOHz第三章變頻器的基本控制模式 # 第三章變頻器的基本控制模式 # 圖322甩掉減速器例如一臺電動機的功率P =75kW, n = 1480r/min,負載側(cè)的數(shù)據(jù)是：nL = 296r/min TL = 2258N 叫 從功率上看PL = rL*nL/9550 =70kW<P,所以在額定頻率下運行時沒有問 題。但當工作頻率下降為10Hz時，其有效功率減

22、小為0.2*P = 15kW,顯然無法帶動70kW負載。電動機的有效功率與轉(zhuǎn)速如圖3-23所示。L9550圖3-23電動機的有效功率與轉(zhuǎn)速a）拖動系統(tǒng)b）高速時的功率C）低速時的有效功率第三章變頻器的基本控制模式 35 (2)具體分析(見圖324)z75kW999/50Hzx=5452Nm1480 r/min 484N-mVXA2258N-m296 r/minL70kW減速器>484 Nm15kWz75kW999JR S TU VW圖324甩掉減速器的具體分析2258 N-m296r/minL70kW第三章變頻器的基本控制模式 # 第三章變頻器的基本控制模式 37 從轉(zhuǎn)矩看，電動機額定轉(zhuǎn)

23、矩的大小計算如下：T = 9550 x P/n = 9550 x 75/1480 484N m 在有減速器的情況下，負載轉(zhuǎn)矩折算到電動軸上的折算值是：T； = T/A =2258/5 =451. 6N m v T電動機能帶動負載0當去掉減速機后電動機將直接帶動負載，顯然r = 484Nm < rL2258Nm 可見是無法 帶動負載的n誤區(qū)二加大工作頻率來提高生產(chǎn)率(見圖325)b)圖325加大工作頻率來提高生產(chǎn)率 a)原工作狀態(tài)b)加工工作頻率(1)錯誤原因負載升速后所需功率加大負載功率與轉(zhuǎn)速的關(guān)系如圖3-26所示。(2)具體分析頻率提高后負載轉(zhuǎn)速提高為1.2 x 296 = 355.

24、2r/min,功率增大為2258 x 356/9550 = 84kW>P,提速后電動機將過載。從轉(zhuǎn)矩看，電動機工作頻率升高為60Hz后，其有效轉(zhuǎn)矩將減小為7 = 484/1. 2 =403N -圖326負載功率與轉(zhuǎn)速的關(guān)系a）拖動系統(tǒng)b）低速時的負載功率c）高速時的負載功率五、變頻器的選型在容量適配的情況下，變頻器的額定電流應(yīng)該大于或等于對應(yīng)的電動機的額定電流，但實際情況并不完全如此。一般來說，2極和4極電動機的額定電流都小于變頻器的額定電流，但6極以上的額定電流往往比同容量變頻器的額定電流大。 （-）變頻器的容量與電動機特性變頻器的容量與電動機特性的關(guān)系如圖3-27所示。圖327變頻器

25、的容量與電動機特性的關(guān)系 a）變頻器容量正好b）變頻器容量加大（二）電動機工況與變頻器的選擇1.電動機的溫升電動機在運行時，存在著銅損、鐵損以及機械損耗等各種功率的損失，這些損耗功率都要轉(zhuǎn) 化為熱能，使電動機的溫度上升。溫度太高了就會破壞電動機的各部分絕緣，使電動機燒壞。2連續(xù)不變負載的變頻器選擇所謂連續(xù)不變負載是指負載是連續(xù)運行的，在運行過程中，負載的轉(zhuǎn)矩大小基本不變, 如圖328a所示。電動機在拖動這類負載時，溫升能達到穩(wěn)定的溫升，因此這類負載在選擇=3變頻器時原則上只需使變頻器的配用電動機容量不小于電動機的實際容量即可。此類負載 有：帶式輸送機、風機、水泵等。3. 連續(xù)變動負載的變頻器選擇負載是連續(xù)運行的，