第8講變頻器原理及應用

變頻器原理及應用第8講1《變頻器原理與應用（第2版）》第2章總結變頻器的保護功能及預置變頻器的頻率參數(shù)及預置變頻調速拖動系統(tǒng)異步電動機變頻調速工作原理異步電動機的轉速及轉差率異步電動機的調速方式變極調速變轉差率調速變頻率調速變頻調速的要求2《變頻器原理與應用（第2版）》第2章7.3對不同負載類型變頻器的選擇

在電力拖動系統(tǒng)中，存在著兩個主要轉矩，一個是生產機械的負載轉矩TL，一個是電動機的電磁轉矩T。這兩個轉矩與轉速之間的關系分別叫做負載的機械特性n＝f(TL)和電動機的機械特性n＝f(T)。由于電動機和生產機械是緊密相連的，它們的機械特性必須適當配合，才能得到良好的工作狀態(tài)。3《變頻器原理與應用（第2版）》第2章7.3.1恒轉矩負載變頻器的選擇

1.恒轉矩負載特性

恒轉矩負載是指那些負載轉矩的大小，僅僅取決于負載的輕重，而和轉速大小無關的負載。帶式輸送機和起重機械都是恒轉矩負載的典型例子。

a)b)

圖7-8恒轉矩負載的機械特性和功率特性

a)機械特性b)功率特性4《變頻器原理與應用（第2版）》第2章

2.恒轉矩負載的基本特點

1)恒轉矩由于F和r都和轉速的快慢無關，所以在調節(jié)轉速nL的過程中負載轉矩TL保持不變，即具有恒轉矩的特點：

TL＝常數(shù)

2)負載功率與轉速成正比根據(jù)負載的機械功率PL和轉矩TL、轉速nL之間的關系，有：

(7-12)3.恒轉矩負載下變頻器的選擇

1）依據(jù)調速范圍。

2）依據(jù)負載轉矩的變動范圍。

3）考慮負載對機械特性的要求。5《變頻器原理與應用（第2版）》第2章7.3.2恒功率負載變頻器的選擇

1.恒功率負載是指負載轉矩TL的大小與轉速n成反比，而其功率基本維持不變的負載。屬于這類負載的有：

1）各種卷取機械

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

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

a）機械特性b)功率特性圖7-10恒功率負載的機械特性和功率特性6《變頻器原理與應用（第2版）》第2章2.恒功率負載的特點

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

PL=Fv＝常數(shù)

（2）負載阻轉矩的大小與轉速成反比負載阻轉矩的大小決定于：

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)負載的機械功率PL和轉矩TL、轉速nL之間的關系，有：

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

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

a)機械特性b)功率特性圖7-12二次方律負載的特性9《變頻器原理與應用（第2版）》第2章1.二次方律負載的特點

二次方律負載機械在低速時由于流體的流速低，所以負載轉矩很小，隨著電動機轉速的增加，流速增快，負載轉矩和功率也越來越大，負載轉矩TL和功率PL可用下式表示：

(7-15)(7-16)

式中T0、P0——分別為電動機軸上的轉矩損耗和功率損耗；

KT、KP——分別為二次方律負載的轉矩常數(shù)和功率常數(shù)10《變頻器原理與應用（第2版）》第2章2.二次方律負載變頻器的選擇可以選用“風機、水泵用變頻器”。這是因為：1)風機和水泵一般不容易過載，所以，這類變頻器的過載能力較低。為120％，1min(通用變頻器為150％，1min)。因此在進行功能預置時必須注意。由于負載轉矩與轉速的平方成正比，當工作頻率高于額定頻率時，負載的轉矩有可能大大超過變頻器額定轉矩，使電動機過載。所以，其最高工作頻率不得超過額定頻率。2)配置了進行多臺控制的切換功能。3)配置了一些其他專用的控制功能，如“睡眠”與“喚醒”功能、PID調節(jié)功能。11《變頻器原理與應用（第2版）》第2章7.3.4直線律負載變頻器的選擇

軋鋼機和輾壓機等都是直線負載。

1.直線律負載及其特性

(1)轉矩特點。負載阻轉矩TL與轉速nL成正比：

(7-17)(2)功率特點。負載的功率PL與轉速nL的二次方成正比。（7-18）

式中，和——直線律負載的轉矩常數(shù)和功率常數(shù)。

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

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

1．混合特殊性負載及其特性

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

2．變頻器的選擇

金屬切削機床除了在切削加工毛坯時，負載大小有較大變化外，其他切削加工過程中，負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。矢量變頻器在無反饋矢量控制方式下，已經能夠在0．5Hz時穩(wěn)定運行，完全可以滿足要求。而且無反饋矢量控制方式能夠克服V／f控制方式的缺點。當機床對加工精度有特殊要求時，才考慮有反饋矢量控制方式。15《變頻器原理與應用（第2版）》第2章本章小結

異步電動機的轉速n的表達式為：

可見改變f1即可實現(xiàn)電動機的速度調節(jié)。由于電動機結構參數(shù)及其所帶負載的特性對變頻器的正常工作有著極大的影響，所以應掌握以下的原理與概念：

1.異步電動機的變頻調速工作原理。

2.異步電動機的機械特性。

3.異步電動機的起動和制動方法。

4.異步電動機實現(xiàn)變頻調速的要求。

5.負載類型，恒轉矩、恒功率及二次方律負載的特點和對應的機械特性。

16《變頻器原理與應用（第2版）》第2章第8章

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

17《變頻器原理與應用（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

在進行電機調速時，通常是希望保持電機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有充分利用電機的鐵心，是一種浪費；如果過分增大磁通，又會使鐵心飽和，過大的勵磁電流使繞組過熱損壞電機。

V／f控制是使變頻器的輸出在改變頻率的同時也改變電壓，通常是使：

V／f=常數(shù)這樣可使電動機磁通保持一定，在較寬的調速范圍內，電動機的轉矩、效率、功率因數(shù)不下降。18《變頻器原理與應用（第2版）》第2章8.2轉差頻率控制（SF控制）

在電動機允許的過載轉矩以下，大體可以認為產生的轉矩與轉差頻率成比例。另外，電流隨轉差頻率的增加而單調增加。所以，如果我們給出的轉差頻率不超過允許過載時的轉差頻率，那么就可以具有限制電流的功能。

8.2.1轉差頻率控制原理19《變頻器原理與應用（第2版）》第2章8.2.2轉差頻率控制的系統(tǒng)構成

速度調節(jié)器通常采用PI控制。它的輸入為速度設定信號ω2*和檢測的電機實際速度ω2之間的誤差信號。速度調節(jié)器的輸出為轉差頻率設定信號ωs*。變頻器的設定頻率即電動機的定子電源頻率ω1*為轉差頻率設定值ωs*與實際轉子轉速ω2的和。當電動機負載運行時，定子頻率設定將會自動補償由負載所產生的轉差，保持電動機的速度為設定速度。速度調節(jié)器的限幅值決定了系統(tǒng)的最大轉差頻率。

20《變頻器原理與應用（第2版）》第2章8.3矢量控制(VC控制)

8.3.1直流電動機與異步電動機調速上的差異1．直流電動機的調速特征直流電動機具有兩套繞組，即勵磁繞組和電樞繞組，它們的磁場在空間上互差π/2電角度，兩套繞組在電路上是互相獨立的。

2．異步電動機的調速特征異步電動機也有定子繞組和轉子繞組，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，轉子電流I2是通過電磁感應產生的感應電流。因此異步電動機的定子電流應包括兩個分量，即勵磁分量和負載分量。勵磁分量用于建立磁場；負載分量用于平衡轉子電流磁場。21《變頻器原理與應用（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)旋轉的直流繞組圖8-9異步電動機的幾種等效模型坐標變換的概念2.3相／2相變換(3s／2s)3.2相/2相旋轉變換（2s/2r）22《變頻器原理與應用（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，對變頻器和電動機有如下要求：1)一臺變頻器只能帶一臺電動機。2)電動機的極數(shù)要按說明書的要求，一般以4極電動機為最佳。3)電動機容量與變頻器的容量相當，最多差一個等級。4)變頻器與電動機間的連接線不能過長，一般應在30m以內。如果超過30m，需要在連接好電纜后，進行離線自動調整，以重新測定電動機的相關參數(shù)。24《變頻器原理與應用（第2版）》第2章8.3.5矢量控制系統(tǒng)的優(yōu)點和應用范圍

1.矢量控制系統(tǒng)的優(yōu)點

1）動態(tài)的高速響應

2）低頻轉矩增大

3）控制靈活

2.矢量控制系統(tǒng)的應用范圍

1）要求高速響應的工作機械

2）適應惡劣的工作環(huán)境

3）高精度的電力拖動

4）四象限運轉

25《變頻器原理與應用（第2版）》第2章8.4直接轉矩控制

8.4.1直接轉矩控制系統(tǒng)直接轉矩控制系統(tǒng)是繼矢量控制之后發(fā)展起來的另一種高性能的交流變頻調速系統(tǒng)。直接轉矩控制把轉矩直接作為控制量來控制。直接轉矩控制是直接在定子坐標系下分析交流電動機的模型，控制電動機的磁鏈和轉矩。它不需要將交流電動機化成等效直流電動機，因而省去了矢量旋轉變換中的許多復雜計算，它不需要模仿直流電動機的控制，也不需要為解耦而簡化交流電動機的數(shù)學模型。26《變頻器原理與應用（第2版）》第2章

圖8-13所示為按定子磁場控制的直接轉矩控制系統(tǒng)的原理框圖，采用在轉速環(huán)內設置轉矩內環(huán)的方法，以抑制磁鏈變化對轉子系統(tǒng)的影響，因此，轉速與磁鏈子系統(tǒng)也是近似獨立的。

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

轉矩控制是控制定子磁鏈，在本質上并不需要轉速信息；控制上對除定子電阻外的所有電動機參數(shù)變化魯棒性好；所引入的定子磁鏈觀測器能很容易地估算出同步速度信息。因而能方便地實現(xiàn)無速度傳感器化。這種控制也稱為無速度傳感器直接轉矩控制。然而，這種控制要依賴于精確的電動機數(shù)學模型和對電動機參數(shù)的自動識別(ID)。28《變頻器原理與應用（第2版）》第2章本章小結