第8講變頻器原理及應(yīng)用

變頻器原理及應(yīng)用第8講1《變頻器原理與應(yīng)用（第2版）》第2章總結(jié)變頻器的保護(hù)功能及預(yù)置變頻器的頻率參數(shù)及預(yù)置變頻調(diào)速拖動(dòng)系統(tǒng)異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速工作原理異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)差率異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方式變極調(diào)速變轉(zhuǎn)差率調(diào)速變頻率調(diào)速變頻調(diào)速的要求2《變頻器原理與應(yīng)用（第2版）》第2章7.3對(duì)不同負(fù)載類型變頻器的選擇

在電力拖動(dòng)系統(tǒng)中，存在著兩個(gè)主要轉(zhuǎn)矩，一個(gè)是生產(chǎn)機(jī)械的負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL，一個(gè)是電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩T。這兩個(gè)轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系分別叫做負(fù)載的機(jī)械特性n＝f(TL)和電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性n＝f(T)。由于電動(dòng)機(jī)和生產(chǎn)機(jī)械是緊密相連的，它們的機(jī)械特性必須適當(dāng)配合，才能得到良好的工作狀態(tài)。3《變頻器原理與應(yīng)用（第2版）》第2章7.3.1恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載變頻器的選擇

1.恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載特性

恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載是指那些負(fù)載轉(zhuǎn)矩的大小，僅僅取決于負(fù)載的輕重，而和轉(zhuǎn)速大小無(wú)關(guān)的負(fù)載。帶式輸送機(jī)和起重機(jī)械都是恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載的典型例子。

a)b)

圖7-8恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載的機(jī)械特性和功率特性

a)機(jī)械特性b)功率特性4《變頻器原理與應(yīng)用（第2版）》第2章

2.恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載的基本特點(diǎn)

1)恒轉(zhuǎn)矩由于F和r都和轉(zhuǎn)速的快慢無(wú)關(guān)，所以在調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速nL的過(guò)程中負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL保持不變，即具有恒轉(zhuǎn)矩的特點(diǎn)：

TL＝常數(shù)

2)負(fù)載功率與轉(zhuǎn)速成正比根據(jù)負(fù)載的機(jī)械功率PL和轉(zhuǎn)矩TL、轉(zhuǎn)速nL之間的關(guān)系，有：

(7-12)3.恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載下變頻器的選擇

1）依據(jù)調(diào)速范圍。

2）依據(jù)負(fù)載轉(zhuǎn)矩的變動(dòng)范圍。

3）考慮負(fù)載對(duì)機(jī)械特性的要求。5《變頻器原理與應(yīng)用（第2版）》第2章7.3.2恒功率負(fù)載變頻器的選擇

1.恒功率負(fù)載是指負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL的大小與轉(zhuǎn)速n成反比，而其功率基本維持不變的負(fù)載。屬于這類負(fù)載的有：

1）各種卷取機(jī)械

2）軋機(jī)在軋制小件時(shí)用高速軋制，但轉(zhuǎn)矩?。卉堉拼蠹r(shí)軋制量大需較大轉(zhuǎn)矩，但速度低，故總的軋制功率不變。

3）車床加工零件，在精加工時(shí)切削力小，但切削速度高；相反，粗加工時(shí)切削力大，切削速度低，故總的切削功率不變。

a）機(jī)械特性b)功率特性圖7-10恒功率負(fù)載的機(jī)械特性和功率特性6《變頻器原理與應(yīng)用（第2版）》第2章2.恒功率負(fù)載的特點(diǎn)

（1）功率恒定恒功率負(fù)載的力F必須保持恒定，且線速度v保持恒定。所以，在不同的轉(zhuǎn)速下，負(fù)載的功率基本恒定：

PL=Fv＝常數(shù)

（2）負(fù)載阻轉(zhuǎn)矩的大小與轉(zhuǎn)速成反比負(fù)載阻轉(zhuǎn)矩的大小決定于：

TL=Fr

(7-13)式中F——卷取物的張力；

r——卷取物的卷取半徑。根據(jù)負(fù)載的機(jī)械功率PL和轉(zhuǎn)矩TL、轉(zhuǎn)速nL之間的關(guān)系，有：

(7-14)即，負(fù)載轉(zhuǎn)矩的大小與轉(zhuǎn)速成反比。7《變頻器原理與應(yīng)用（第2版）》第2章3.恒功率負(fù)載變頻器的選擇

對(duì)恒功率負(fù)載，一般可選擇通用型的，采用V/f控制方式的變頻器。但對(duì)于動(dòng)態(tài)性能有較高要求的卷取機(jī)械，則必須采用具有矢量控制功能的變頻器。8《變頻器原理與應(yīng)用（第2版）》第2章7.3.3二次方律負(fù)載變頻器的選擇二次方律負(fù)載是指轉(zhuǎn)矩與速度的二次方成正比例變化的負(fù)載，例如：風(fēng)扇、風(fēng)機(jī)、泵、螺旋槳等機(jī)械的負(fù)載轉(zhuǎn)矩，機(jī)械特性和功率特性如圖7-12所示。

a)機(jī)械特性b)功率特性圖7-12二次方律負(fù)載的特性9《變頻器原理與應(yīng)用（第2版）》第2章1.二次方律負(fù)載的特點(diǎn)

二次方律負(fù)載機(jī)械在低速時(shí)由于流體的流速低，所以負(fù)載轉(zhuǎn)矩很小，隨著電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的增加，流速增快，負(fù)載轉(zhuǎn)矩和功率也越來(lái)越大，負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL和功率PL可用下式表示：

(7-15)(7-16)

式中T0、P0——分別為電動(dòng)機(jī)軸上的轉(zhuǎn)矩?fù)p耗和功率損耗；

KT、KP——分別為二次方律負(fù)載的轉(zhuǎn)矩常數(shù)和功率常數(shù)10《變頻器原理與應(yīng)用（第2版）》第2章2.二次方律負(fù)載變頻器的選擇可以選用“風(fēng)機(jī)、水泵用變頻器”。這是因?yàn)椋?)風(fēng)機(jī)和水泵一般不容易過(guò)載，所以，這類變頻器的過(guò)載能力較低。為120％，1min(通用變頻器為150％，1min)。因此在進(jìn)行功能預(yù)置時(shí)必須注意。由于負(fù)載轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的平方成正比，當(dāng)工作頻率高于額定頻率時(shí)，負(fù)載的轉(zhuǎn)矩有可能大大超過(guò)變頻器額定轉(zhuǎn)矩，使電動(dòng)機(jī)過(guò)載。所以，其最高工作頻率不得超過(guò)額定頻率。2)配置了進(jìn)行多臺(tái)控制的切換功能。3)配置了一些其他專用的控制功能，如“睡眠”與“喚醒”功能、PID調(diào)節(jié)功能。11《變頻器原理與應(yīng)用（第2版）》第2章7.3.4直線律負(fù)載變頻器的選擇

軋鋼機(jī)和輾壓機(jī)等都是直線負(fù)載。

1.直線律負(fù)載及其特性

(1)轉(zhuǎn)矩特點(diǎn)。負(fù)載阻轉(zhuǎn)矩TL與轉(zhuǎn)速nL成正比：

(7-17)(2)功率特點(diǎn)。負(fù)載的功率PL與轉(zhuǎn)速nL的二次方成正比。（7-18）

式中，和——直線律負(fù)載的轉(zhuǎn)矩常數(shù)和功率常數(shù)。

12《變頻器原理與應(yīng)用（第2版）》第2章a)輾壓機(jī)示意圖b)機(jī)械特性c)功率特性圖7-13直線律負(fù)載及其特性2．變頻器的選擇

直線律負(fù)載的機(jī)械特性雖然也有典型意義．但在考慮變頻器時(shí)的基本要點(diǎn)與二次方律負(fù)載相同，故不作為典型負(fù)載來(lái)討論。13《變頻器原理與應(yīng)用（第2版）》第2章7.3.5特殊性負(fù)載變頻器的選擇大部分金屬切削機(jī)床屬于混合特殊性負(fù)載。

1．混合特殊性負(fù)載及其特性

金屬切削機(jī)床中的低速段，由于工件的最大加工半徑和允許的最大切削力相同，故具有恒轉(zhuǎn)矩性質(zhì)；而在高速段，由于受到機(jī)械強(qiáng)度的限制，將保持切削功率不變，屬于恒功率性質(zhì)。a)機(jī)械特性b)功率特性14《變頻器原理與應(yīng)用（第2版）》第2章

2．變頻器的選擇

金屬切削機(jī)床除了在切削加工毛坯時(shí)，負(fù)載大小有較大變化外，其他切削加工過(guò)程中，負(fù)載的變化通常是很小的。就切削精度而言，選擇V／f控制方式能夠滿足要求。但從節(jié)能角度看并不理想。矢量變頻器在無(wú)反饋矢量控制方式下，已經(jīng)能夠在0．5Hz時(shí)穩(wěn)定運(yùn)行，完全可以滿足要求。而且無(wú)反饋矢量控制方式能夠克服V／f控制方式的缺點(diǎn)。當(dāng)機(jī)床對(duì)加工精度有特殊要求時(shí)，才考慮有反饋矢量控制方式。15《變頻器原理與應(yīng)用（第2版）》第2章本章小結(jié)

異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n的表達(dá)式為：

可見改變f1即可實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的速度調(diào)節(jié)。由于電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)及其所帶負(fù)載的特性對(duì)變頻器的正常工作有著極大的影響，所以應(yīng)掌握以下的原理與概念：

1.異步電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速工作原理。

2.異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性。

3.異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)和制動(dòng)方法。

4.異步電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速的要求。

5.負(fù)載類型，恒轉(zhuǎn)矩、恒功率及二次方律負(fù)載的特點(diǎn)和對(duì)應(yīng)的機(jī)械特性。

16《變頻器原理與應(yīng)用（第2版）》第2章第8章

變頻器的控制方式8.1U／f控制8.2轉(zhuǎn)差頻率控制（SF控制）8.3矢量控制(VC控制)8.4直接轉(zhuǎn)矩控制

17《變頻器原理與應(yīng)用（第2版）》第2章第8章

變頻器的控制方式

8.1U／f控制

8.1.1U／f控制原理

在進(jìn)行電機(jī)調(diào)速時(shí)，通常是希望保持電機(jī)中每極磁通量為額定值，并保持不變。如果磁通太弱就等于沒(méi)有充分利用電機(jī)的鐵心，是一種浪費(fèi)；如果過(guò)分增大磁通，又會(huì)使鐵心飽和，過(guò)大的勵(lì)磁電流使繞組過(guò)熱損壞電機(jī)。

V／f控制是使變頻器的輸出在改變頻率的同時(shí)也改變電壓，通常是使：

V／f=常數(shù)這樣可使電動(dòng)機(jī)磁通保持一定，在較寬的調(diào)速范圍內(nèi)，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩、效率、功率因數(shù)不下降。18《變頻器原理與應(yīng)用（第2版）》第2章8.2轉(zhuǎn)差頻率控制（SF控制）

在電動(dòng)機(jī)允許的過(guò)載轉(zhuǎn)矩以下，大體可以認(rèn)為產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)差頻率成比例。另外，電流隨轉(zhuǎn)差頻率的增加而單調(diào)增加。所以，如果我們給出的轉(zhuǎn)差頻率不超過(guò)允許過(guò)載時(shí)的轉(zhuǎn)差頻率，那么就可以具有限制電流的功能。

8.2.1轉(zhuǎn)差頻率控制原理19《變頻器原理與應(yīng)用（第2版）》第2章8.2.2轉(zhuǎn)差頻率控制的系統(tǒng)構(gòu)成

速度調(diào)節(jié)器通常采用PI控制。它的輸入為速度設(shè)定信號(hào)ω2*和檢測(cè)的電機(jī)實(shí)際速度ω2之間的誤差信號(hào)。速度調(diào)節(jié)器的輸出為轉(zhuǎn)差頻率設(shè)定信號(hào)ωs*。變頻器的設(shè)定頻率即電動(dòng)機(jī)的定子電源頻率ω1*為轉(zhuǎn)差頻率設(shè)定值ωs*與實(shí)際轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速ω2的和。當(dāng)電動(dòng)機(jī)負(fù)載運(yùn)行時(shí)，定子頻率設(shè)定將會(huì)自動(dòng)補(bǔ)償由負(fù)載所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)差，保持電動(dòng)機(jī)的速度為設(shè)定速度。速度調(diào)節(jié)器的限幅值決定了系統(tǒng)的最大轉(zhuǎn)差頻率。

20《變頻器原理與應(yīng)用（第2版）》第2章8.3矢量控制(VC控制)

8.3.1直流電動(dòng)機(jī)與異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速上的差異1．直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速特征直流電動(dòng)機(jī)具有兩套繞組，即勵(lì)磁繞組和電樞繞組，它們的磁場(chǎng)在空間上互差π/2電角度，兩套繞組在電路上是互相獨(dú)立的。

2．異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速特征異步電動(dòng)機(jī)也有定子繞組和轉(zhuǎn)子繞組，但只有定子繞組和外部電源相接，定子電流I1是從電源吸取電流，轉(zhuǎn)子電流I2是通過(guò)電磁感應(yīng)產(chǎn)生的感應(yīng)電流。因此異步電動(dòng)機(jī)的定子電流應(yīng)包括兩個(gè)分量，即勵(lì)磁分量和負(fù)載分量。勵(lì)磁分量用于建立磁場(chǎng)；負(fù)載分量用于平衡轉(zhuǎn)子電流磁場(chǎng)。21《變頻器原理與應(yīng)用（第2版）》第2章8.3.2矢量控制中的等效變換

a)三相電流繞組b)兩相交流繞組c)旋轉(zhuǎn)的直流繞組圖8-9異步電動(dòng)機(jī)的幾種等效模型坐標(biāo)變換的概念2.3相／2相變換(3s／2s)3.2相/2相旋轉(zhuǎn)變換（2s/2r）22《變頻器原理與應(yīng)用（第2版）》第2章8.3.3變頻器矢量控制的基本思想

1．矢量控制的基本理念

圖8-12矢量控制的示意圖

23《變頻器原理與應(yīng)用（第2版）》第2章8.3.4使用矢量控制的要求選擇矢量控制模式，對(duì)變頻器和電動(dòng)機(jī)有如下要求：1)一臺(tái)變頻器只能帶一臺(tái)電動(dòng)機(jī)。2)電動(dòng)機(jī)的極數(shù)要按說(shuō)明書的要求，一般以4極電動(dòng)機(jī)為最佳。3)電動(dòng)機(jī)容量與變頻器的容量相當(dāng)，最多差一個(gè)等級(jí)。4)變頻器與電動(dòng)機(jī)間的連接線不能過(guò)長(zhǎng)，一般應(yīng)在30m以內(nèi)。如果超過(guò)30m，需要在連接好電纜后，進(jìn)行離線自動(dòng)調(diào)整，以重新測(cè)定電動(dòng)機(jī)的相關(guān)參數(shù)。24《變頻器原理與應(yīng)用（第2版）》第2章8.3.5矢量控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)和應(yīng)用范圍

1.矢量控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)

1）動(dòng)態(tài)的高速響應(yīng)

2）低頻轉(zhuǎn)矩增大

3）控制靈活

2.矢量控制系統(tǒng)的應(yīng)用范圍

1）要求高速響應(yīng)的工作機(jī)械

2）適應(yīng)惡劣的工作環(huán)境

3）高精度的電力拖動(dòng)

4）四象限運(yùn)轉(zhuǎn)

25《變頻器原理與應(yīng)用（第2版）》第2章8.4直接轉(zhuǎn)矩控制

8.4.1直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)是繼矢量控制之后發(fā)展起來(lái)的另一種高性能的交流變頻調(diào)速系統(tǒng)。直接轉(zhuǎn)矩控制把轉(zhuǎn)矩直接作為控制量來(lái)控制。直接轉(zhuǎn)矩控制是直接在定子坐標(biāo)系下分析交流電動(dòng)機(jī)的模型，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)化成等效直流電動(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。26《變頻器原理與應(yīng)用（第2版）》第2章

圖8-13所示為按定子磁場(chǎng)控制的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的原理框圖，采用在轉(zhuǎn)速環(huán)內(nèi)設(shè)置轉(zhuǎn)矩內(nèi)環(huán)的方法，以抑制磁鏈變化對(duì)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的影響，因此，轉(zhuǎn)速與磁鏈子系統(tǒng)也是近似獨(dú)立的。

圖8-13直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)原理框圖27《變頻器原理與應(yīng)用（第2版）》第2章8.4.2直接轉(zhuǎn)矩控制的優(yōu)勢(shì)

轉(zhuǎn)矩控制是控制定子磁鏈，在本質(zhì)上并不需要轉(zhuǎn)速信息；控制上對(duì)除定子電阻外的所有電動(dòng)機(jī)參數(shù)變化魯棒性好；所引入的定子磁鏈觀測(cè)器能很容易地估算出同步速度信息。因而能方便地實(shí)現(xiàn)無(wú)速度傳感器化。這種控制也稱為無(wú)速度傳感器直接轉(zhuǎn)矩控制。然而，這種控制要依賴于精確的電動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型和對(duì)電動(dòng)機(jī)參數(shù)的自動(dòng)識(shí)別(ID)。28《變頻器原理與應(yīng)用（第2版）》第2章本章小結(jié)