变频器控制方式及合理选用

1、变频器的控制方式及合理选用 1.变频器的控制方式 低压通用变频器输出电压在380650V，输出功率在0.75400KW，工作频率在0400HZ，它的主电路都采用交-直-交电路。其控制方式经历以下四代。（1） 第一代以U/f=C，正弦脉宽调制（SPWM）控制方式。其特点是：控制电路结构简单、成本较低，但系统性能不高、控制曲线会随负载的变化而变化，转矩响应慢、电机利用率不高，低速时因定子电阻和逆变器死区效应的存在而性能下降，稳定性变差等。（2） 第二代以电压空间矢量（磁通轨迹法），又称SPWM控制方式。他是以三相波形整体生成效果为前提，以逼近电机气隙的理想圆形旋转磁场轨迹为目的，一次生成三相调制波

2、形。以内切多边形逼近圆的方式而进行控制的。经实践使用后又有所改进：引入频率补偿，能消除速度控制的误差；通过反馈估算磁链幅值，消除低速时定子电阻的影响；将输出电压、电流成闭环，以提高动态的精度和稳定度。但控制电路环节较多，且没有引入转矩的调节，所以系统性能没有得到根本改善。（3） 第三代以矢量控制（磁场定向法）又称VC控制。其实质是将交流电动机等效直流电动机，分别对速度、磁场两个分量进行独立控制。通过控制转子磁链，以转子磁通定向，然后分解定子电流而获得转矩和磁场两个分量，经坐标变换，实现正交或解耦控制。然而转子磁链难以准确观测，以及矢量变换的复杂性，实际效果不如理想的好。（4） 第四代以直接转矩

3、控制，又称DTC控制。其实质不是间接的控制电流、磁链等量，而是把转矩直接作为被控制量来实现的。具体方法是：a. 控制定子磁链引入定子磁链观测器，实现无速度传感器方式；b. 自动识别（ID）依靠精确的电机数学模型，对电机参数自动识别；c. 算出实际值对定子阻抗、互感、磁饱和因素、惯量等算出实际的转矩、定子磁链、转子速度进行实时控制；d. 实现Band-Band 控制按磁链和转矩的Band-Band 控制产生PWM信号 ，对逆变器开关状态进行控制；e. 具有快速的转矩响应（2ms），很高的速度精度（±2%，无PG反馈），高转矩精度（±3%）；f. 具有较高的起动转矩及高转矩精度

4、，尤其在低速时（包括0速度时）,可输出150% 200%转矩。 2.控制方式的合理选用控制方式是决定变频器使用性能的关键所在。目前市场上低压通用变频器品牌很多，包括欧、美、日及国产的共约50多种。选用变频器时不要认为档次越高越好，其实只要按负载的特性，满足使用要求就可，以便做到量才使用、经济实惠。附表中参数供选用时参考。控制方式U/f=C控制电压空间矢量控制矢量控制直接转矩控制反馈装置不带PG带PG或PID调节器不要不带PG带PG或PID编码器不要速比i1：401：601：1001：1001：10001：100起动转矩在3HZ）150%150%150%150%零转速时为150%零转速时为150

5、%200%静态速度精度/%±0.20.3±0.20.3±0.2±0.2±0.2±0.2适用场合一般风机、泵类等较高精度调速，控制一般工业上的调速或控制所有调速或控制伺服拖动、高精度传动、转矩控制重荷起动、起重负载转矩系统，恒转矩波动大负载*直接转矩控制，在带PG或编码器后I可拓展至1：1000，静态速度精度可达±0.01%。异步电动机变频变压运行特性分析及应用为更好地掌握和应用异步电动机变频变压传动技术，对异步电动机在改变电源频率f1或改变电源U1以及改变U1/ f1下运行的各参数变化进行分析是很有必要的。为了分析方便，将异

6、步电动机的参数归结为三类：1. 结构参数，包括定、转子电阻rm;2. 运行参数，包括励磁电流Im，定、转子电流I1、I2（折算到定子侧为I2），气隙磁通m,电磁转矩T（最大转矩Tm、起动转矩Ts），转速n（同步转速n1、转差率s）及功率因数COS；3. 输入参数，包括输入相电压U1、频率f1。将以上参数反映在异步电动机等值电路上，则如图1所示。 U1=UN（电机额定相电压），而f1改变时的特性 f1的改变主要影响n1以及x1、x2和rm、xm。1. U1=UN时，f1 ，n成比例下降 这是因为n1=60f1/p(p为极对数)，这也就是变频调速的基本原理。 2. U1=UN时，f1 ，引起x1、

7、x2和rm、xm的变化由于x=2f1L，所以f1 时，x1、x2、xm均成正比例减小。由于铁心损耗功率Pfe与f11.4成正比，所以f1 时rm 。 3.U1=UN时，f1 ，引起Im的变化 f1 ，引起Im ,但其变化是非线性的，在低频段Im将急剧上升，如图2。 Im/IN 2.8 2.4 2.0 1.6 1.2 0.8 f1/fN 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 4. U1=UN时，f1 使m过饱和 其原因是一般电动机的铁心设计在额定磁通下接近于饱和。这也是励磁电流Im 随f1 急剧上升的原因。5. U1=UN时，f1 ，引起I2的变化I2的大小取决于负载的大小。额定负载转矩下，电

8、磁转矩T=CmmI2COS2当f1 时，m ，COS2 ；则I2 。 6.U1=UN时，f1 ，引起I1的变化 由于I1= Im+(- I2);因此，当f1 时，在低频段、重载下I1 ，而在较高的频率段、轻载下I1 。 7.U1=UN时，f1 引起最大电磁转矩Tm的变化 由转矩公式可知：f1较高时，（x1+x2）>r1,Tm1/ f12; f1较低时，（x1+x2）r1,Tm1/ f1。 8.U1=UN时，f1 使临界转差率Sc增大 9.U1=UN时，Ts 的变化由起动转矩公式可知：f1较高时，（x1+x2）2（r1 +r2）2,则Ts1/ f13; f1较低时，（x1+x2）2（r1

9、+r2）2,则Ts1/ f1。 10.机械特性的变化 综上分析，当异步电动机在额定电压UN下，f1从fN（电机额定频率）作递减变化时，其机械特性如图3所示。 f1=fN，而U1改变时的特性 与改变f1不同，U1的改变主要影响电动机的运行参数。有关这方面的论述很多，此处只给出结论性的意见。1. f1=fN时，ImU12. f1=fN时，ØmU13. f1=fN时，U1 使I24. f1=fN时，U1 引起I1的变化 当负载较轻时，U1 则I1 ；当负载较重时，U1 则I1 。 5. f1=fN时，U1 使Tm与U12成正比下降，过载能力显著降低6. f1=fN时，U1 使Ts与U12成

10、正比下降综上分析，当异步电动机在额定频率fN下，端电压U1从额定电压UN作递减变化时，其机械特性如图4所示。 U1/ f1=C（恒定比值），降低U1、f1的运行特性从以上分析可知，异步电动机在改变f1的调速运行时，若要保持其运行参数不变，首要的是要保持其气隙磁通Øm不变。目前，实现这一点的最通常措施是保持 U1/ f1的比值为恒定。这也就是目前广泛应用于各种交流传动中的变频变压调速（简称VVVF）。下面分析异步电动机在U1/ f1=C时，降低U1、f1的运行特性。1. U1/ f1=C时，f1 、n1成正比减小2. U1/ f1=C时，U1 、f1 引起Im的变化 Im对应U1的变化

11、是线性的，而对应U1/ f1=C、f1处于低频段时，U1 、f1 使Im减小。同时，Im的变化还与UN/ fN=A（比值较大）时， 变频器在M301A/B/C离心干燥机上的应用1.我厂M301A/B/C的功能 M301A/B/C为TA旋转真空过滤机马达。功率为7.5KW，额定电流为11.2A，转速为1715rpm。2. M301A/B/C的运行特性分析经检查测量，电机在启动后，其运行电流达30A，维持约2min，然后电流下降，并稳定在10A左右。这是因为电机起动初期，产品含水量高，因此负载重，电机运行电流也大，经脱水后，负载减小，电机运行电流也就减小。采用变频器能使电机在产品含水量较高的一段时

12、间内，以较低的转速运转，使其先行脱去一部分水，当其负载减小后再提高电机转速；或适当延长电机的起动过程，在电机较常的起动过程中，先行将产品脱去部分水，然后电机进入正常运行，保证脱水效果。我厂根据离心式干燥机的运行特性，安装了富士变频器，保证了生产的正常进行，又节约了能源。变频器调速方式的快速转换我厂PTA生产装置的自动化水平较高，在正常情况下其电机的起动、停止和调速均由DCS系统控制，而在生产装置发生故障，尤其是DCS系统发生故障时往往又需要手动操作，这就要求变频器调速控制系统能迅速在手动和自动状态下切换。附图是以富士变频器为例设计的控制系统。手动操作系统和DCS操作控制系统的切换由转换开关SA

13、实现，该转换开关安装在现场操作柱上，共有自动、手动、停止三档。当开关放在手动位置时，按下按钮SST，接触器K合上，变频器U送电，此时U应设置在面板操作状态，由RUN、STOP键起动和停止U，由、键实现调速，当转换开关SA放在停止位置时，K失电，U处于停电状态；SA放在自动位置时，中间继电器KM带电，KM的辅助触点接通U的X4-CM端子和FWD-CM端子，前者将U强制在电流输入信号有效的端子操作状态，后者起动U正转，此时U接收DCS系统发出的4-20mA调速信号进行调速运行，面板操作无效。至此，U的控制状态转换完成。 变频器调速系统转矩提升功能的设定在 VVVF通用变频器组成的调速系统中，经常遇

14、到因转矩提升功能设定不当而造成起动失败的问题。通用变频器一般都具有转矩提升功能，不同品牌产品的功能含义有所不同：如富士产品定义了转矩提升1转矩提升2；美国A-B公司产品则定义了直流升压、起动升压、运行升压、运行/加速升压。在转矩提升功能中，有许多提升模式供用户选择，同一厂家不同系列的产品，其出厂设定有所不同，如果系统调试时忽视了参数的设定修改，当负载起动转矩较大时，将导致过流跳闸，造成起动失败。1.泵类负载因工艺条件变化引起的起动失败 由于系统工艺流程影响，出口存有初始压力，致使泵起动转矩增大，造成电机起动失败，这时只有将转矩提升码修改，选择自动转矩提升模式，电机才能起动正常。2.恒转矩负载应

15、正确选择转矩提升曲线 如果因转矩提升设置过高发生过载保护动作（实际负载转矩较小），此时不能采取增大过载值的方法完成起动。而应改为自动转矩提升设定，变频器在起动过程中能够根据负载情况自动给出提升值，高质量地完成起动过程。变频器载波频率选用时应考虑的因素 1. 脉宽调制的方法 众所周知，500V的低压变频器，其主电路都是电压型的，而且是交-直-交电路。逆变器采用正弦脉宽调制方式（SPW），其目的是使变频器的输出电流是正弦波，而且高次谐波分量最少。功率模块大多数是IGBT。 如图1所示，所谓正弦脉宽（SPW）调制，就是用215HZ等幅可变频率的三角波（f），对0400HZ的正弦波（fS）进行调制，从

16、而得出一系列脉幅不变，脉宽按正弦规律变化的脉冲列电压的输出，去控制IGBT的门极。 在实际的使用中，要解决变频器输出电压和频率的方法一般有两种：（1）变频器的工作频率要求可调，一般是050HZ200HZ400HZ，实际上只要改变fS的频率大小，就可改变工作频率值的大小。（2）变频器的输出电压要求可调，一般是0 UN（额定电压）。实际上只要改变fS的幅值，就可改变输出电压的大小。 2.载波频率的选用原则 一般变频器的载波频率是不能随意变动的，出厂时已设定在某个载波频率值。中高但档变频器载波频率是可调的，约2-15KHZ范围内，用户按需要可自行调整，以适合不同情况的需要。 f频率越高，输出电流波形

17、好，平滑无毛刺、谐波少、噪声小、但干扰大；f频率越低，输出电流波形差，不平滑有毛刺、谐波大、但干扰小。用户可按具体使用系统情况来酌情处理有关谐波、干扰、噪声三者间需要侧重的方面，然后可自行正确选用载波频率值。国内外变频器关于载波频率值选取大致是这样的：日本品牌变频器f偏高，约1215KHZ，美国品牌变频器f偏低，约26KHZ，国产品牌变频器f居中，约612KHZ。各品牌的变频器为解决谐波与干扰的矛盾，还采取了一定措施，如进线加设滤波器、直流电抗器、正弦滤波器等。3.载波频率与变频器输出线路长度的关系 按照运行经验，当变频器的输出（U、V、W）出线到电动机接线盒的线路长度有下列关系供参考。载波频率（KHZ）15105线路长度（m）5050100100150除强行（人为的）调载波频率外，尚有其它防止干扰的某些具体措施和方法，需要一起配合，一定能解决使用中有关干扰的问题。4.载波频率与电动机容量的关系 一般电动机容量大的，载波频率要低些，主要考虑减少干扰源的能量，按运行经验有下列关系供参考。