變頻器是如何控制電機(jī)的

我們都知道，變頻器是從事電氣工作所應(yīng)該掌握的一種技術(shù)，使用變頻器控制電機(jī)是電氣控制中較為常見的方法;有的也要求一定要熟練運(yùn)用。今天小編就以淺薄的知識(shí)整理歸納相關(guān)的知識(shí)點(diǎn)，內(nèi)容或有重復(fù)，旨在和大家分享變頻器和電機(jī)之間的那些奇妙關(guān)系。

首先，為什么要用變頻器控制電機(jī)?

我們先簡(jiǎn)單的了解下這兩個(gè)設(shè)備。

電機(jī)是一個(gè)感性負(fù)載，它阻礙電流的變化，在啟動(dòng)的時(shí)候會(huì)產(chǎn)生電流的較大變化。

變頻器，是利用電力半導(dǎo)體器件的通斷作用將工頻電源變換為另一頻率的電能控制裝置。它主要由兩部分電路構(gòu)成，一是主電路(整流模塊、電解電容和逆變模塊)，二是控制電路(開關(guān)電源板、控制電路板)。

為了降低電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)電流，尤其是功率較大的電機(jī)，功率越大，啟動(dòng)電流越大，過大的啟動(dòng)電流會(huì)給供配電網(wǎng)絡(luò)帶來較大的負(fù)擔(dān)，而變頻器能夠解決這個(gè)啟動(dòng)問題，讓電機(jī)平滑啟動(dòng)，而不會(huì)引起啟動(dòng)電流過大。

使用變頻器的另一個(gè)作用就是對(duì)電機(jī)進(jìn)行調(diào)速，很多場(chǎng)合需要控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速以獲得更好的生產(chǎn)效率，而變頻器調(diào)速一直是它最大的亮點(diǎn)，變頻器通過改變電源的頻率以達(dá)到控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。

變頻器控制方式都有哪些?

變頻器控制電機(jī)最常用的五種方式如下：

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0～400Hz，它的主電路都采用交—直—交電路。其控制方式經(jīng)歷了以下四代。

1U/f=C的正弦脈寬調(diào)制(SPWM)控制方式

其特點(diǎn)是控制電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本較低，機(jī)械特性硬度也較好，能夠滿足一般傳動(dòng)的平滑調(diào)速要求，已在產(chǎn)業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。但是，這種控制方式在低頻時(shí)，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。

另外，其機(jī)械特性終究沒有直流電動(dòng)機(jī)硬，動(dòng)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(huì)隨負(fù)載的變化而變化，轉(zhuǎn)矩響應(yīng)慢、電機(jī)轉(zhuǎn)矩利用率不高，低速時(shí)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)定性變差等。因此人們又研究出矢量控制變頻調(diào)速。

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(jī)氣隙的理想圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)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(jìn)行控制的。

經(jīng)實(shí)踐使用后又有所改進(jìn)，即引入頻率補(bǔ)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(shí)定子電阻的影響;將輸出電壓、電流閉環(huán)，以提高動(dòng)態(tài)的精度和穩(wěn)定度。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。

矢量控制(VC)方式

矢量控制變頻調(diào)速的做法是將異步電動(dòng)機(jī)在三相坐標(biāo)系下的定子電流Ia、Ib、Ic、通過三相-二相變換，等效成兩相靜止坐標(biāo)系下的交流電流Ia1Ib1，再通過按轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向旋轉(zhuǎn)變換，等效成同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的直流電流Im1、It1(Im1相當(dāng)于直流電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流;It1相當(dāng)于與轉(zhuǎn)矩成正比的電樞電流)，然后模仿直流電動(dòng)機(jī)的控制方法，求得直流電動(dòng)機(jī)的控制量，經(jīng)過相應(yīng)的坐標(biāo)反變換，實(shí)現(xiàn)對(duì)異步電動(dòng)機(jī)的控制。

其實(shí)質(zhì)是將交流電動(dòng)機(jī)等效為直流電動(dòng)機(jī)，分別對(duì)速度，磁場(chǎng)兩個(gè)分量進(jìn)行獨(dú)立控制。通過控制轉(zhuǎn)子磁鏈，然后分解定子電流而獲得轉(zhuǎn)矩和磁場(chǎng)兩個(gè)分量，經(jīng)坐標(biāo)變換，實(shí)現(xiàn)正交或解耦控制。矢量控制方法的提出具有劃時(shí)代的意義。然而在實(shí)際應(yīng)用中，由于轉(zhuǎn)子磁鏈難以準(zhǔn)確觀測(cè)，系統(tǒng)特性受電動(dòng)機(jī)參數(shù)的影響較大，且在等效直流電動(dòng)機(jī)控制過程中所用矢量旋轉(zhuǎn)變換較復(fù)雜，使得實(shí)際的控制效果難以達(dá)到理想分析的結(jié)果。

直接轉(zhuǎn)矩控制(DTC)方式

1985年，德國魯爾大學(xué)的DePenbrock教授首次提出了直接轉(zhuǎn)矩控制變頻技術(shù)。該技術(shù)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(jiǎn)潔明了的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、優(yōu)良的動(dòng)靜態(tài)性能得到了迅速發(fā)展。

目前，該技術(shù)已成功地應(yīng)用在電力機(jī)車牽引的大功率交流傳動(dòng)上。直接轉(zhuǎn)矩控制直接在定子坐標(biāo)系下分析交流電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型，控制電動(dòng)機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩。它不需要將交流電動(dòng)機(jī)等效為直流電動(dòng)機(jī)，因而省去了矢量旋轉(zhuǎn)變換中的許多復(fù)雜計(jì)算;它不需要模仿直流電動(dòng)機(jī)的控制，也不需要為解耦而簡(jiǎn)化交流電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型。

矩陣式交—交控制方式

VVVF變頻、矢量控制變頻、直接轉(zhuǎn)矩控制變頻都是交—直—交變頻中的一種。其共同缺點(diǎn)是輸入功率因數(shù)低，諧波電流大，直流電路需要大的儲(chǔ)能電容，再生能量又不能反饋回電網(wǎng)，即不能進(jìn)行四象限運(yùn)行。

為此，矩陣式交—交變頻應(yīng)運(yùn)而生。由于矩陣式交—交變頻省去了中間直流環(huán)節(jié)，從而省去了體積大、價(jià)格貴的電解電容。它能實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)為l，輸入電流為正弦且能四象限運(yùn)行，系統(tǒng)的功率密度大。該技術(shù)目前雖尚未成熟，但仍吸引著眾多的學(xué)者深入研究。其實(shí)質(zhì)不是間接的控制電流、磁鏈等量，而是把轉(zhuǎn)矩直接作為被控制量來實(shí)現(xiàn)的。

具體方法是：

控制定子磁鏈引入定子磁鏈觀測(cè)器，實(shí)現(xiàn)無速度傳感器方式;

自動(dòng)識(shí)別(ID)依靠精確的電機(jī)數(shù)學(xué)模型，對(duì)電機(jī)參數(shù)自動(dòng)識(shí)別;

算出實(shí)際值對(duì)應(yīng)定子阻抗、互感、磁飽和因素、慣量等算出實(shí)際的轉(zhuǎn)矩、定子磁鏈、轉(zhuǎn)子速度進(jìn)行實(shí)時(shí)控制;

實(shí)現(xiàn)Band—Band控制按磁鏈和轉(zhuǎn)矩的Band—Band控制產(chǎn)生PWM信號(hào)，對(duì)逆變器開關(guān)狀態(tài)進(jìn)行控制。

矩陣式交—交變頻具有快速的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)(<2ms)，很高的速度精度(±2%，無PG反饋)，高轉(zhuǎn)矩精度(<+3%);同時(shí)還具有較高的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩及高轉(zhuǎn)矩精度，尤其在低速時(shí)(包括0速度時(shí))，可輸出150%～200%轉(zhuǎn)矩。

變頻器如何控制電機(jī)?兩者如何接線?

變頻器控制電機(jī)的接線較為簡(jiǎn)單，跟接觸器的接線差不多，三根主電源進(jìn)線，然后出線給電機(jī)，但是其中的設(shè)置就有說道了，控制變頻器的方式也多為不同。

首先我們來看一下變頻器的接線端子，雖然說品牌較多，接線方式也有不同，但是大部分的變頻器的接線端子也都差不太多。一般分為正反轉(zhuǎn)的開關(guān)量輸入，用來控制電機(jī)多的啟動(dòng)正反轉(zhuǎn)。反饋端子，用來反饋電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，包括運(yùn)行的頻率，轉(zhuǎn)速，故障狀態(tài)等等。速度給定控制，有些變頻器是用電位器，有的直接使用按鍵，都為不通。

通過物理接線方式來控制的，還有一種方式是走的通訊網(wǎng)絡(luò)，很多的變頻器現(xiàn)在都支持通訊控制，可以通過這個(gè)通訊線就控制電機(jī)的啟動(dòng)停止，正反轉(zhuǎn)，調(diào)節(jié)速度等，同時(shí)反饋信息也通過通訊進(jìn)行傳送。

當(dāng)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度(頻率)改變時(shí)，其輸出轉(zhuǎn)矩會(huì)怎樣?

變頻器驅(qū)動(dòng)時(shí)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩和最大轉(zhuǎn)矩要小于直接用工頻電源驅(qū)動(dòng)。

電機(jī)在工頻電源供電時(shí)起動(dòng)和加速?zèng)_擊很大，而當(dāng)使用變頻器供電時(shí)，這些沖擊就要弱一些。工頻直接起動(dòng)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)大的起動(dòng)起動(dòng)電流。而當(dāng)使用變頻器時(shí)，變頻器的輸出電壓和頻率是逐漸加到電機(jī)上的，所以電機(jī)起動(dòng)電流和沖擊要小些。

通常，電機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩要隨頻率的減小(速度降低)而減小。減小的實(shí)際數(shù)據(jù)在有的變頻器手冊(cè)中會(huì)給出說明。

通過使用磁通矢量控制的變頻器，將改善電機(jī)低速時(shí)轉(zhuǎn)矩的不足，甚至在低速區(qū)電機(jī)也可輸出足夠的轉(zhuǎn)矩。

當(dāng)變頻器調(diào)速到大于50Hz頻率時(shí)，電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩將降低

通常的電機(jī)是按50Hz電壓設(shè)計(jì)制造的，其額定轉(zhuǎn)矩也是在這個(gè)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，P<=Pe)

變頻器輸出頻率大于50Hz頻率時(shí)，電機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩要以和頻率成反比的線性關(guān)系下降。

當(dāng)電機(jī)以大于50Hz頻率速度運(yùn)行時(shí)，電機(jī)負(fù)載的大小必須要給予考慮，以防止電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的不足。

舉例，電機(jī)在100Hz時(shí)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩大約要降低到50Hz時(shí)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=Ue*Ie)

變頻器50Hz以上的應(yīng)用情況

大家知道，對(duì)一個(gè)特定的電機(jī)來說，其額定電壓和額定電流是不變的。

如變頻器和電機(jī)額定值都是：15kW/380V/30A,電機(jī)可以工作在50Hz以上。

當(dāng)轉(zhuǎn)速為50Hz時(shí)，變頻器的輸出電壓為380V，電流為30A。這時(shí)如果增大輸出頻率到60Hz，變頻器的最大輸出電壓電流還只能為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(shí)的轉(zhuǎn)矩情況怎樣呢?

因?yàn)镻=wT(w;角速度，T：轉(zhuǎn)矩)，因?yàn)镻不變，w增加了，所以轉(zhuǎn)矩會(huì)相應(yīng)減小。

我們還可以再換一個(gè)角度來看：

電機(jī)的定子電壓U=E+I*R(I為電流，R為電子電阻，E為感應(yīng)電勢(shì))

可以看出，U，I不變時(shí)，E也不變.

而E=k*f*X(k：常數(shù);f：頻率;X：磁通)，所以當(dāng)f由50-->60Hz時(shí)，X會(huì)相應(yīng)減小

對(duì)于電機(jī)來說T=K*I*X(K：常數(shù);I：電流;X：磁通)，因此轉(zhuǎn)矩T會(huì)跟著磁通X減小而減小

同時(shí)，小于50Hz時(shí)，由于I*R很小，所以U/f=E/f不變時(shí)，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(dāng)變頻器輸出頻率從50Hz以上增加時(shí)，電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩會(huì)減小

其他和輸出轉(zhuǎn)矩有關(guān)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(biāo)的額定電流都是以最高載波頻率，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(jī)的電流不會(huì)受到影響。但元器件的發(fā)熱會(huì)減小。

環(huán)境溫度：就像不會(huì)因?yàn)?a target="_blank">檢測(cè)到周圍溫度比較低時(shí)就增大變頻器保護(hù)電流值。

海拔高度：海拔高度增加，對(duì)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。

審核編輯：湯梓紅