变频器工作原理和控制方式.doc

变频器工作原理和控制方式 变频器工作原理和常用的控制方式 2009-4-13 作者 来源 变频调速技术是现代电力传动技术的重要发展方向而作为变频调速系统的核心变频器的性能也越来越成为调速性能优劣的决定因素除了变频器本身制造工艺的先天条件外对变频器采用什么样的控制方式也是非常重要的本文从工业实际出发综述了近年来各种变频器控制方式的特点并展望了今后的发展方向 1变频器简介 11 变频器的基本结构 变频器是把工频电源 50Hz或60Hz 变换成各种频率的交流电源以实现电机的变速运行的设备其中控制电路完成对主电路的控制整流电路将交流电变换成直流电直流中间电路对整流电路的输出进行平滑滤波逆变电路将直流电再逆变成交流电对于如矢量控制变频器这种需要大量运算的变频器来说有时还需要一个进行转矩计算的CPU以及一些相应的电路 12 变频器的分类 变频器的分类方法有多种按照主电路工作方式分类可以分为电压型变频器和电流型变频器按照开关方式分类可以分为PAM控制变频器PWM控制变频器和高载频PWM控制变频器按照工作原理分类可以分为Vf控制变频器转差频率控制变频器和矢量控制变频器等按照用途分类可以分为通用变频器高性能专用变频器高频变频器单相变频器和三相变频器等 2变频器中常用的控制方式 21 非智能控制方式 在交流变频器中使用的非智能控制方式有Vf协调控制转差频率控制矢量控制直接转矩控制等 1 Vf控制 Vf控制是为了得到理想的转矩-速度特性基于在改变电源频率进行调速的同时又要保证电动机的磁通不变的思想而提出的通用型变频器基本上都采用这种控制方式Vf控制变频器结构非常简单但是这种变频器采用开环控制方式不能达到较高的控制性能而且在低频时必须进行转矩补偿以改变低频转矩特性 2 转差频率控制 转差频率控制是一种直接控制转矩的控制方式它是在Vf控制的基础上按照知道异步电动机的实际转速对应的电源频率并根据希望得到的转矩来调节变频器的输出频率就可以使电动机具有对应的输出转矩这种控制方式在控制系统中需要安装速度传感器有时还加有电流反馈对频率和电流进行控制因此这是一种闭环控制方式可以使变频器具有良好的稳定性并对急速的加减速和负载变动有良好的响应特性 3 矢量控制 矢量控制是通过矢量坐标电路控制电动机定子电流的大小和相位以达到对电动机在dq0坐标轴系中的励磁电流和转矩电流分别进行控制进而达到控制电动机转矩的目的通过控制各矢量的作用顺序和时间以及零矢量的作用时间又可以形成各种PWM波达到各种不同的控制目的例如形成开关次数最少的PWM波以减少开关损耗目前在变频器中实际应用的矢量控制方式主要有基于转差频率控制的矢量控制方式和无速度传感器的矢量控制方式两种 基于转差频率的矢量控制方式与转差频率控制方式两者的定常特性一致但是基于转差频率的矢量控制还要经过坐标变换对电动机定子电流的相位进行控制使之满足一定的条件以消除转矩电流过渡过程中的波动因此基于转差频率的矢量控制方式比转差频率控制方式在输出特性方面能得到很大的改善但是这种控制方式属于闭环控制方式需要在电动机上安装速度传感器因此应用范围受到限制 无速度传感器矢量控制是通过坐标变换处理分别对励磁电流和转矩电流进行控制然后通过控制电动机定子绕组上的电压电流辨识转速以达到控制励磁电流和转矩电流的目的这种控制方式调速范围宽启动转矩大工作可靠操作方便但计算比较复杂一般需要专门的处理器来进行计算因此实时性不是太理想控制精度受到计算精度的影响 4 直接转矩控制 直接转矩控制是利用空间矢量坐标的概念在定子坐标系下分析交流电动机的数学模型控制电动机的磁链和转矩通过检测定子电阻来达到观测定子磁链的目的因此省去了矢量控制等复杂的变换计算系统直观简洁计算速度和精度都比矢量控制方式有所提高即使在开环的状态下也能输出100的额定转矩对于多拖动具有负荷平衡功能 5 最优控制 最优控制在实际中的应用根据要求的不同而有所不同可以根据最优控制的理论对某一个控制要求进行个别参数的最优化例如在高压变频器的控制应用中就成功的采用了时间分段控制和相位平移控制两种策略以实现一定条件下的电压最优波形 6 其他非智能控制方式 在实际应用中还有一些非智能控制方式在变频器的控制中得以实现例如自适应控制滑模变结构控制差频控制环流控制频率控制等 22 智能控制方式 智能控制方式主要有神经网络控制模糊控制专家系统学习控制等在变频器的控制中采用智能控制方式在具体应用中有一些成功的范例 1 神经网络控制 神经网络控制方式应用在变频器的控制中一般是进行比较复杂的系统控制这时对于系统的模型了解甚少因此神经网络既要完成系统辨识的功能又要进行控制而且神经网络控制方式可以同时控制多个变频器因此在多个变频器级联时进行控制比较适合但是神经网络的层数太多或者算法过于复杂都会在具体应用中带来不少实际困难 2 模糊控制 模糊控制算法用于控制变频器的电压和频率使电动机的升速时间得到控制以避免升速过快对电机使用寿命的影响以及升速过慢影响工作效率模糊控制的关键在于论域隶属度以及模糊级别的划分这种控制方式尤其适用于多输入单输出的控制系统 3 专家系统 专家系统是利用所谓专家的经验进行控制的一种控制方式因此专家系统中一般要建立一个专家库存放一定的专家信息另外还要有推理机制以便于根据已知信息寻求理想的控制结果专家库与推理机制的设计是尤为重要的关系着专家系统控制的优劣应用专家系统既可以控制变频器的电压又可以控制其电流 4 学习控制 学习控制主要是用于重复性的输入而规则的PWM信号 例如中心调制PWM 恰好满足这个条件因此学习控制也可用于变频器的控制中学习控制不需要了解太多的系统信息但是需要12个学习周期因此快速性相对较差而且学习控制的算法中有时需要实现超前环节这用模拟器件是无法实现的同时学习控制还涉及到一个稳定性的问题在应用时要特别注意 3变频器控制的展望 随着电力电子技术微电子技术计算机网络等高新技术的发展变频器的控制方式今后将向以下几个方面发展 1 数字控制变频器的实现 现在变频器的控制方式用数字处理器可以实现比较复杂的运算变频器数字化将是一个重要的发展方向目前进行变频器数字化主要采用单片机MCS51或80C196MC等辅助以SLE4520或EPLD液晶显示器等来实现更加完善的控制性能 2 多种控制方式的结合 单一的控制方式有着各自的优缺点并没有万能的控制方式在有些控制场合需要将一些控制方式结合起来例如将学习控制与神经网络控制相结合自适应控制与模糊控制相结合直接转矩控制与神经网络控制相结合或者称之为混合控制这样取长补短控制效果将会更好 3 远程控制的实现 计算机网络的发展使天涯若咫尺依靠计算机网络对变频器进行远程控制也是一个发展方向通过RS485接口及一些网络协议对变频器进行远程控制这样在有些不适合于人类进行现场操作的场合也可以很容易的实现控制目标 4 绿色变频器 随着可持续发展战略的提出对于环境的保护越来越受到人们的重视变频器产生的高次谐波对电网会带来污染降低变频器工作时的噪声以及增强其工作的可靠性安全性等等这些问题都试图通过采取合适的控制方式来解决设计出绿色变频器 4结束语 变频器的控制方式是一个值得研究的问题依靠致力于这项工作的有识之士的共同努力使国产变频器早日走向世界市场并且成为一流的产品变频器基础原理知识2009-3-25 90900 来源 网友评论 0条 点击查看变频器基础原理知识 1变频器基础 1VVVF改变电压改变频率VariableVoltageandVariableFrequency的缩写 2CVCF恒电压恒频率ConstantVoltageandConstantFrequency的缩写 各国使用的交流供电电源无论是用于家庭还是用于工厂其电压和频率均200V60Hz50Hz或100V60Hz50Hz等等通常把电压和频率固定不变的交流电变换为电压或频率可变的交流电的装置称作变频器为了产生可变的电压和频率该设备首先要把电源的交流电变换为直流电DC把直流电DC变换为交流电AC的装置其科学术语为inverter 逆变器 由于变频器设备中产生变化的电压或频率的主要装置叫inverter故该产品本身就被命名为inverter即变频器变频器也可用于家电产品使用变频器的家电产品中不仅有电机例如空调等还有荧光灯等产品用于电机控制的变频器既可以改变电压又可以改变频率但用于荧光灯的变频器主要用于调节电源供电的频率汽车上使用的由电池直流电产生交流电的设备也以inverter的名称进行出售变频器的工作原理被广泛应用于各个领域例如计算机电源的供电在该项应用中变频器用于抑制反向电压频率的波动及电源的瞬间断电 2电机的旋转速度为什么能够自由地改变 1rmin电机旋转速度单位每分钟旋转次数也可表示为rpm例如4极电机60Hz1800rmin4极电机50Hz1500rmin电机的旋转速度同频率成比例本文中所指的电机为感应式交流电机在工业领域所使用的大部分电机均为此类型电机感应式交流电机以后简称为电机的旋转速度近似地确决于电机的极数和频率由电机的工作原理决定电机的极数是固定不变的由于该极数值不是一个连续的数值为2的倍数例如极数为246所以不适和改变该值来调整电机的速度另外频率是电机供电电源的电信号所以该值能够在电机的外面调节后再供给电机这样电机的旋转速度就可以被自由的控制因此以控制频率为目的的变频器是做为电机调速设备的优选设备n 60fpn同步速度f电源频率p电机极数改变频率和电压是最优的电机控制方法如果仅改变频率电机将被烧坏特别是当频率降低时该问题就非常突出为了防止电机烧毁事故的发生变频器在改变频率的同时必须要同时改变电压例如为了使电机的旋转速度减半变频器的输出频率必须从60Hz改变到30Hz这时变频器的输出电压就必须从200V改变到约100V例如为了使电机的旋转速度减半变频器的输出频率必须从60Hz改变到30Hz这时变频器的输出电压就必须从200V改变到约100V如果要正确的使用变频器必须认真地考虑散热的问题变频器的故障率随温度升高而成指数的上升使用寿命随温度升高而成指数的下降环境温度升高10度变频器使用寿命减半因此我们要重视散热问题啊在变频器工作时流过变频器的电流是很大的变频器产生的热量也是非常大的不能忽视其发热所产生的影响 通常变频器安装在控制柜中我们要了解一台变频器的发热量大概是多少可以用以下公式估算发热量的近似值变频器容量KW21555W在这里如果变频器容量是以恒转矩负载为准的 过流能力15060s 如果变频器带有直流电抗器或交流电抗器并且也在柜子里面这时发热量会更大一些电抗器安装在变频器侧面或测上方比较好这时可以用估算变频器容量KW21560W因为各变频器厂家的硬件都差不多所以上式可以针对各品牌的产品注意如果有制动电阻的话因为制动电阻的散热量很大因此最好安装位置最好和变频器隔离开如装在柜子上面或旁边等那么怎样采能降低控制柜内的发热量呢当变频器安装在控制机柜中时要考虑变频器发热值的问题根据机柜内产生热量值的增加要适当地增加机柜的尺寸因此要使控制机柜的尺寸尽量减小就必须要使机柜中产生的热量值尽可能地减少如果在变频器安装时把变频器的散热器部分放到控制机柜的外面将会使变频器有70的发热量释放到控制机柜的外面由于大容量变频器有很大的发热量所以对大容量变频器更加有效还可以用隔离板把本体和散热器隔开使散热器的散热不影响到变频器本体这样效果也很好变频器散热设计中都是以垂直安装为基础的横着放散热会变差的关于冷却风扇一般功率稍微大一点的变频器都带有冷却风扇同时也建议在控制柜上出风口安装冷却风扇进风口要加滤网以防止灰尘进入控制柜注意控制柜和变频器上的风扇都是要的不能谁替代谁 1整流电路 赛微电子世界KYD w To如图12所示通用变频器的整流电路是由三相桥式整流桥组成它的功能是将工频电源进行整流经中间直流环节平波后为逆变电路和控制电路提供所需的直流电源三相交流电源一般需经过吸收电容和压敏电阻网络引入整流桥的输入端网络的作用是吸收交流电网的高频谐波信号和浪涌过电压从而避免由此而损坏变频器当电源电压为三相380V时整流器件的最大反向电压一般为12001600V最大整流电流为变频器额定电流的两倍 c4UxA6YT0 fuDD98CI0赛微电子世界 Zquo2sDY2滤波电路 h B5kR0fG9rY0逆变器的负载属感性负载的异步电动机无论异步电动机处于电动或发电状态在直流滤波电路和异步电动机之间总会有无功功率的交换这种无功能量要靠直流中间电路的储能元件来缓冲同时三相整流桥输出的电压和电流属直流脉冲电压和电流为了减小直流电压和电流的波动直流滤波电路起到对整流电路的输出进行滤波的作用 wiOKU0通用变频器直流滤波电路的大容量铝电解电容通常是由若干个电容器串联和并联构成电容器组以得到所需的耐压值和容量另外因为电解电容器容量有较大的离散性这将使它们随的电压不相等因此电容器要各并联一个阻值等相的匀压电阻消除离散性的影响因而电容的寿命则会严重制约变频器的寿命 P F XI0Y14K03逆变电路 赛微电子世界sUlm ZO Z5rZ逆变电路的作用是在控制电路的作用下将直流电路输出的直流电源转换成频率和电压都可以任意调节的交流电源逆变电路的输出就是变频器的输出所以逆变电路是变频器的核心电路之一起着非常重要的作用 赛微电子世界v1rNJb最常见的逆变电路结构形式是利用六个功率开关器件GTRIGBTGTO等组成的三相桥式逆变电路有规律的控制逆变器中功率开关器件的导通与关断可以得到任意频率的三相交流输出 MC0Dx0通常的中小容量的变频器主回路器件一般采用集成模块或智能模块智能模块的内部高度集成了整流模块逆变模块各种传感器保护电路及驱动电路如三菱公司生产的IPMPM50RSA120富士公司生产的7MBP50RA060西门子公司生产的BSM50GD120等内部集成了整流模块功率因数校正电路IGBT逆变模块及各种检测保护功能模块的典型开关频率为20KHz保护功能为欠电压过电压和过热故障时输出故障信号灯 cYHFk0w0赛微电子世界MBkg _k3b逆变电路中都设置有续流电路续流电路的功能是当频率下降时异步电动机的同步转速也随之下降为异步电动机的再生电能反馈至直流电路提供通道在逆变过程中寄生电感释放能量提供通道另外当位于同一桥臂上的两个开关同时处于开通状态时将会出现短路现象并烧毁换流器件所以在实际的通用变频器中还设有缓冲电路等各种相应的辅助电路以保证电路的正常工作和在发生意外情况时对换流器件进行保护 iuqmuxl0赛微电子世界j4 _Ajo变频器对电动机进行控制是根据电动机的特性参数及电动机运转要求进行对电动机提供电压电流频率进行控制达到负载的要求因此就是变频器的主电路一样逆变器件也相同单片机位数也一样只是控制方式不一样其控制效果是不一样的所以控制方式是很重要的它代表变频器的水平目前变频器对电动机的控制方式大体可分为Uf恒定控制 转差频率控制矢量控制直接转矩控制非线性控制 赛微电子世界mot I9E zhUf恒定控制 赛微电子世界Hi1w5kcHe Uf控制是在改变电动机电源频率的同时改变电动机电源的电压使电动机磁通保持一定在较宽的调速范围内电动机的效率功率因数不下降因为是控制电压 Voltage 与频率 Frequency 之比称为Uf控制恒定Uf控制存在的主要问题是低速性能较差转速极低时电磁转矩无法克服较大的静摩擦力不能恰当的调整电动机的转矩补偿和适应负载转矩的变化 其次是无法准确的控制电动机的实际转速由于恒Uf变频器是转速开环控制由异步电动机的机械特性图可知设定值为定子频率也就是理想空载转速而电动机的实际转速由转差率所决定所以Uf恒定控制方式存在的稳定误差不能控制故无法准确控制电动机的实际转速 赛微电子世界6Jevjw转差频率控制 UG4VzzSj n0 转差频率是施加于电动机的交流电源频率与电动机速度的差频率根据异步电动机稳定数学模型可知当频率一定时异步电动机的电磁转矩正比于转差率机械特性为直线 DvF d0转差频率控制就是通过控制转差频率来控制转矩和电流转差频率控制需要检出电动机的转速构成速度闭环速度调节器的输出为转差频率然后以电动机速度与转差频率之和作为变频器的给定频率与Uf控制相比其加减速特性和限制过电流的能力得到提高另外它有速度调节器利用速度反馈构成闭环控制速度的静态误差小然而要达到自动控制系统稳态控制还达不到良好的动态性能 赛微电子世界lVMp2O0Fti矢量控制 Twi7B H IZ0 矢量控制也称磁场定向控制它是70年代初由西德FBlasschke等人首先提出以直流电机和交流电机比较的方法阐述了这一原理由此开创了交流电动机和等效直流电动机的先河矢量控制变频调速的做法是将异步电动机在三相坐标系下的定子交流电流IaIbIc通过三相-二相变换等效成两相静止坐标系下的交流电流Ia1Ib1再通过按转子磁场定向旋转变换等效成同步旋转坐标系下的直流电流Im1It1 Im1相当于直流电动机的励磁电流 It1相当于直流电动机的电枢电流 然后模仿直流电动机的控制方法求得直流电动机的控制量经过相应的坐标反变换实现对异步电动机的控制矢量控制方法的出现使异步电动机变频调速在电动机的调速领域里全方位的处于优势地位但是矢量控制技术需要对电动机参数进行正确估算如何提高参数的准确性是一直研究的话题 赛微电子世界uVx z0N0G J直接转矩控制 t2J5OO-P4N_s0 1985年德国鲁尔大学的DePenbrock教授首次提出了直接转矩控制理论该技术在很大程度上解决了矢量控制的不足它不是通过控制电流磁链等量间接控制转矩而是把转矩直接作为被控量来控制转矩控制的优越性在于 转矩控制是控制定子磁链在本质上并不需要转速信息控制上对除定子电阻外的所有电机参数变化鲁棒性良好所引入的定子磁链观测器能很容易估算出同步速度信息因而能方便的实现无速度传感器这种控制被称为无速度传感器直接转矩控制 赛微电子世界0 EU I_变频器的选择 赛微电子世界 Fc q I j风机和泵类负载 _ N Ewp7Qx6s0 在过载能力方面要求较低由于负载转矩与速度的平方成反比所以低速运行时负载较轻 罗茨风机除外 又因为这类负载对转速精度没有什么要求故选型时通常以价廉为主要原则选择普通功能型变频器 赛微电子世界4Oe i恒转矩负载 yoGGtb2P0 多数负载具有恒转矩特性但在转速精度及动态性能等方面要求一般不高例如挤压机搅拌机传送带厂内运输电车吊车的平移机构吊车的提升机构和提升机等选型时可选Vf控制方式的变频器但是最好采用具有恒转矩控制功能的变频器 3ImjWB1M77Lt-F0要求响应快的系统 赛微电子世界D a OEW 所谓响应快是指实际转速对于转速指令的变化跟踪得快从负载变动等急剧外界干扰引起的过渡性速度变化中恢复得快要求响应快的典型负载有轧钢机生产线设备机床主轴六角孔冲床等要使变频器主电路能力充分发挥加减速特性最好选用转差频率控制的变频器 6E_wUwv0动态静态指标要求不高系统 赛微电子世界n-Gz 这类负载一般要求低速时有较硬的机械特性才能满足生产工艺对控制系统的动态静态指标要求如果控制系统采用开环控制可选用具有无速度反馈的矢量控制功能的变频器 赛微电子世界6U2AP9NAf动态 静态指标要求较高的系统 2zRp9P e0 对于调速精度和动态性能指标都有较高要求以及要求高精度同步运行等场合可选用带速度反馈的矢量控制方式的变频器如果控制系统采用闭环控制可选用能够四象限运行Uf控制方式具有恒转矩功能型变频器例如轧钢造纸塑料薄膜加工生产线这一类对动态性能要求较高的生产机械采用矢量控制的高性能变频器 mr _PopV6M0要求控制系统具有良好的动态静态性能 U_Fal0 例如电力机车交流伺服系统电梯起重机等领域可选用具有直接转矩控制功能的专用变频器 赛微电子世界Dctcvi x0G结论 赛微电子世界j6WWp N5f7I 由于被控对象的千差万别性能指标要求的各不相同变频器的选择及配置远不如上述所列几种要做到熟练应用还应在工程实践中认真探索 赛微电子世界2YC S vK 变频器的控制方式代表着变频器的性能和水平在工程应用中根据不同的负载及不同控制要求合理选择变频器以达到资源的最佳配置具有重要的意义 赛微电子世界0CJH C5nvQ r赛微电子世界d7u_Ym J本文章来自赛微电子世界欢迎您的访问原文章地址viewnews-14053变频器的工作原理双击自动滚屏发布者admin 发布时间2007-1-31 阅读2229 次 变频器主要由整流交流变直流滤波再次整流直流变交流制动单元驱动单元检测单元微处理单元等组成的 1 电机的旋转速度为什么能够自由地改变 1 rmin 电机旋转速度单位每分钟旋转次数也可表示为rpm 例如2 极电机50Hz 3000 rmin 4 极电机50Hz 1500 rmin 电机的旋转速度同频率成比例 本文中所指的电机为感应式交流电机在工业中所使用的大部分电机均为此类型电机感应式交流电机以后简称为电机的旋转速度近似地确决于电机的极数和频率由电机的工作原理决定电机的极数是固定不变的由于该极数值不是一个连续的数值为2 的倍数例如极数为246所以一般不适和通过改变该值来调整电机的速度 另外频率能够在电机的外面调节后再供给电机这样电机的旋转速度就可以被自由的控制 因此以控制频率为目的的变频器是做为电机调速设备的优选设备 n 60fp n 同步速度f 电源频率p 电机极对数 改变频率和电压是最优的电机控制方法 如果仅改变频率而不改变电压频率降低时会使电机出于过电压过励磁导致电机可能被烧坏因此变频器在改变频率的同时必须要同时改变电压 输出频率在额定频率以上时电压却不可以继续增加最高只能是等于电机的额定电压 例如为了使电机的旋转速度减半把变频器的输出频率从50Hz 改变到25Hz这时变频器的输出电压就需要从400V 改变到约200V 2 当电机的旋转速度频率改变时其输出转矩会怎样 1 工频电源由电网提供的动力电源商用电源 2 起动电流当电机开始运转时变频器的输出电流 变频器驱动时的起动转矩和最大转矩要小于直接用工频电源驱动电机在工频电源供电时起动和加速冲击很大而当使用变频器供电时这些冲击就要弱一些工频直接起动会产生一个大的起动起动电流而当使用变频器时变频器的输出电压和频率是逐渐加到电机上的所以电机起动电流和冲击要小些 通常电机产生的转矩要随频率的减小速度降低而减小减小的实际数据在有的变频器手册中会给出说明通过使用磁通矢量控制的变频器将改善电机低速时转矩的不足甚至在低速区电机也可输出足够的转矩 3当变频器调速到大于50Hz 频率时电机的输出转矩将降低 通常的电机是按50Hz 电压设计制造的其额定转矩也是在这个电压范围内给出的因此在额定频率之下的调速称为恒转矩调速 T Te P Pe 变频器输出频率大于50Hz 频率时电机产生的转矩要以和频率成反比的线性关系下降当电机以大于50Hz 频率速度运行时电机负载的大小必须要给予考虑以防止电机输出转矩的不足 举例电机在100Hz 时产生的转矩大约要降低到50Hz 时产生转矩的12因此在额定频率之上的调速称为恒功率调速 P UeIe 4 变频器50Hz 以上的应用情况 大家知道 对一个特定的电机来说 其额定电压和额定电流是不变的 如变频器和电机额定值都是 15kW380V30A 电机可以工作在50Hz 以上 当转速为50Hz 时 变频器的输出电压为380V 电流为30A 这时如果增大输出频率到60Hz 变频器的最大输出电压电流还只能为380V30A 很显然输出功率不变 所以我们称之为恒功率调速 这时的转矩情况怎样呢 因为P wT w角速度 T转矩 因为P 不变 w 增加了 所以转矩会相应减小 我们还可以再换一个角度来看 电机的定子电压U E IR I 为电流 R 为电子电阻 E 为感应电势 可以看出 UI 不变时 E 也不变 而E kfX k常数 f 频率 X磁通 所以当f 由50- 60Hz 时 X 会相应减小 对于电机来说 T KIX K常数 I电流 X磁通 因此转矩T 会跟着磁通X 减小而减小 同时 小于50Hz 时 由于IR 很小 所以Uf Ef 不变时 磁通 X 为常数 转矩T和电流成正比 这也就是为什么通常用变频器的过流能力来描述其过载 转矩 能力 并称为恒转矩调速 额定电流不变- 最大转矩不变 结论 当变频器输出频率从50Hz 以上增加时 电机的输出转矩会减小 5 其他和输出转矩有关的因素 发热和散热能力决定变频器的输出电流能力从而影响变频器的输出转矩能力 载波频率 一般变频器所标的额定电流都是以最高载波频率 最高环境温度下能保证持续输出的数值 降低载波频率 电机的电流不会受到影响但元器件的发热会减小 环境温度就象不会因为检测到周围温度比较低时就增大变频器保护电流值 海拔高度 海拔高度增加 对散热和绝缘性能都有影响一般1000m 以下可以不考虑 以上每1000 米降容5就可以了 6 矢量控制是怎样改善电机的输出转矩能力的 1 转矩提升 此功能增加变频器的输出电压主要是低频时以补偿定子电阻上电压降引起的输出转矩损失从而改善电机的输出转矩 改善电机低速输出转矩不足的技术 使用矢量控制可以使电机在低速如 无速度传感器时 1Hz对4 极电机其转速大约为30rmin时的输出转矩可以达到电机在50Hz 供电输出的转矩最大约为额定转矩的150 对于常规的VF 控制电机的电压降随着电机速度的降低而相对增加这就导致由于励磁不足而使电机不能获得足够的旋转力为了补偿这个不足变频器中需要通过提高电压来补偿电机速度降低而引起的电压降变频器的这个功能叫做转矩提升1转矩提升功能是提高变频器的输出电压然而即使提高很多输出电压电机转矩并不能和其电流相对应的提高因为电机电流包含电机产生的转矩分量和其它分量如励磁分量 矢量控制把电机的电流值进行分配从而确定产生转矩的电机电流分量和其它电流分量如励磁分量的数值 矢量控制可以通过对电机端的电压降的响应进行优化补偿在不增加电流的情况下允许电机产出大的转矩此功能对改善电机低速时温升也有效 变频器不是在任何情况下都能正常使用因此用户有必要对负载环境要求和变频器有更多了解 1负载类型和变频器的选择 电动机所带动的负载不一样对变频器的要求也不一样 A风机和水泵是最普通的负载对变频器的要求最为简单只要变频器容量等于电动机容量即可空压机深水泵泥沙泵快速变化的音乐喷泉需加大容量 B起重机类负载这类负载的特点是启动时冲击很大因此要求变频器有一定余量同时在重物下放肘会有能量回馈因此要使用制动单元或采用共用母线方式 C不均行负载有的负载有时轻有时重此时应按照重负载的情况来选择变频器容量例如轧钢机机械粉碎机械搅拌机等 D大惯性负载如离心机冲床水泥厂的旋转窑此类负载惯性很大因此启动时可能会振荡电动机减速时有能量回馈应该用容量稍大的变频器来加快启动避免振荡配合制动单元消除回馈电能 2长期低速动转由于电机发热量较高风扇冷却能力降低因此必须采用加大减速比的方式或改用6 级电机使电机运转在较高频率附近 3变频器安装地点必需符合标准环境的要求否则易引起故障或缩短使用寿命变频器与驱动马达之间的距离一般不超过50 米若需更长的距离则需降低载波频率或增加输出电抗器选件才能正常运转2009-04-19 221513变频调速技术是现代电力传动技术的重要发展方向而作为变频调速系统的核心变频器的性能也越来越成为调速性能优劣的决定因素除了变频器本身制造工艺的先天条件外对变频器采用什么样的控制方式也是非常重要的本文从工业实际出发综述了近年来各种变频器控制方式的特点并展望了今后的发展方向 1变频器简介 11 变频器的基本结构 变频器是把工频电源 50Hz或60Hz 变换成各种频率的交流电源以实现电机的变速运行的设备其中控制电路完成对主电路的控制整流电路将交流电变换成直流电直流中间电路对整流电路的输出进行平滑滤波逆变电路将直流电再逆变成交流电对于如矢量控制变频器这种需要大量运算的变频器来说有时还需要一个进行转矩计算的CPU以及一些相应的电路 12 变频器的分类 变频器的分类方法有多种按照主电路工作方式分类可以分为电压型变频器和电流型变频器按照开关方式分类可以分为PAM控制变频器PWM控制变频器和高载频PWM控制变频器按照工作原理分类可以分为Vf控制变频器转差频率控制变频器和矢量控制变频器等按照用途分类可以分为通用变频器高性能专用变频器高频变频器单相变频器和三相变频器等 2变频器中常用的控制方式 21 非智能控制方式 在交流变频器中使用的非智能控制方式有Vf协调控制转差频率控制矢量控制直接转矩控制等 1 Vf控制 Vf控制是为了得到理想的转矩-速度特性基于在改变电源频率进行调速的同时又要保证电动机的磁通不变的思想而提出的通用型变频器基本上都采用这种控制方式Vf控制变频器结构非常简单但是这种变频器采用开环控制方式不能达到较高的控制性能而且在低频时必须进行转矩补偿以改变低频转矩特性 2 转差频率控制 转差频率控制是一种直接控制转矩的控制方式它是在Vf控制的基础上按照知道异步电动机的实际转速对应的电源频率并根据希望得到的转矩来调节变频器的输出频率就可以使电动机具有对应的输出转矩这种控制方式在控制系统中需要安装速度传感器有时还加有电流反馈对频率和电流进行控制因此这是一种闭环控制方式可以使变频器具有良好的稳定性并对急速的加减速和负载变动有良好的响应特性 3 矢量控制 矢量控制是通过矢量坐标电路控制电动机定子电流的大小和相位以达到对电动机在dq0坐标轴系中的励磁电流和转矩电流分别进行控制进而达到控制电动机转矩的目的通过控制各矢量的作用顺序和时间以及零矢量的作用时间又可以形成各种PWM波达到各种不同的控制目的例如形成开关次数最少的PWM波以减少开关损耗目前在变频器中实际应用的矢量控制方式主要有基于转差频率控制的矢量控制方式和无速度传感器的矢量控制方式两种 基于转差频率的矢量控制方式与转差频率控制方式两者的定常特性一致但是基于转差频率的矢量控制还要经过坐标变换对电动机定子电流的相位进行控制使之满足一定的条件以消除转矩电流过渡过程中的波动因此基于转差频率的矢量控制方式比转差频率控制方式在输出特性方面能得到很大的改善但是这种控制方式属于闭环控制方式需要在电动机上安装速度传感器因此应用范围受到限制 无速度传感器矢量控制是通过坐标变换处理分别对励磁电流和转矩电流进行控制然后通过控制电动机定子绕组上的电压电流辨识转速以达到控制励磁电流和转矩电流的目的这种控制方式调速范围宽启动转矩大工作可靠操作方便但计算比较复杂一般需要专门的处理器来进行计算因此实时性不是太理想控制精度受到计算精度的影响 4 直接转矩控制 直接转矩控制是利用空间矢量坐标的概念在定子坐标系下分析交流电动机的数学模型控制电动机的磁链和转矩通过检测定子电阻来达到观测定子磁链的目的因此省去了矢量控制等复杂的变换计算系统直观简洁计算速度和精度都比矢量控制方式有所提高即使在开环的状态下也能输出100的额定转矩对于多拖动具有负荷平衡功能 5 最优控制 最优控制在实际中的应用根据要求的不同而有所不同可以根据最优控制的理论对某一个控制要求进行个别参数的最优化例如在高压变频器的控制应用中就成功的采用了时间分段控制和相位平移控制两种策略以实现一定条件下的电压最优波形 6 其他非智能控制方式 在实际应用中还有一些非智能控制方式在变频器的控制中得以实现例如自适应控制滑模变结构控制差频控制环流控制频率控制等 22 智能控制方式 智能控制方式主要有神经网络控制模糊控制专家系统学习控制等在变频器的控制中采用智能控制方式在具体应用中有一些成功的范例 1 神经网络控制 神经网络控制方式应用在变频器的控制中一般是进行比较复杂的系统控制这时对于系统的模型了解甚少因此神经网络既要完成系统辨识的功能又要进行控制而且神经网络控制方式可以同时控制多个变频器因此在多个变频器级联时进行控制比较适合但是神经网络的层数太多或者算法过于复杂都会在具体应用中带来不少实际困难 2 模糊控制 模糊控制算法用于控制变频器的电压和频率使电动机的升速时间得到控制以避免升速过快对电机使用寿命的影响以及升速过慢影响工作效率模糊控制的关键在于论域隶属度以及模糊级别的划分这种控制方式尤其适用于多输入单输出的控制系统 3 专家系统 专家系统是利用所谓专家的经验进行控制的一种控制方式因此专家系统中一般要建立一个专家库存放一定的专家信息另外还要有推理机制以便于根据已知信息寻求理想的控制结果专家库与推理机制的设计是尤为重要的关系着专家系统控制的优劣应用专家系统既可以控制变频器的电压又可以控制其电流 4 学习控制 学习控制主要是用于重复性的输入而规则的PWM信号 例如中心调制PWM 恰好满足这个条件因此学习控制也可用于变频器的控制中学习控制不需要了解太多的系统信息但是需要12个学习周期因此快速性相对较差而且学习控制的算法中有时需要实现超前环节这用模拟器件是无法实现的同时学习控制还涉及到一个稳定性的问题在应用时要特别注意 3变频器控制的展望 随着电力电子技术微电子技术计算机网络等高新技术的发展变频器的控制方式今后将向以下几个方面发展 1 数字控制变频器的实现 现在变频器的控制方式用数字处理器可以实现比较复杂的运算变频器数字化将是一个重要的发展方向目前进行变频器数字化主要采用单片机MCS51或80C196MC等辅助以SLE4520或EPLD液晶显示器等来实现更加完善的控制性能 2 多种控制方式的结合 单一的控制方式有着各自的优缺点并没有万能的控制方式在有些控制场合需要将一些控制方式结合起来例如将学习控制与神经网络控制相结合自适应控制与模糊控制相结合直接转矩控制与神经网络控制相结合或者称之为混合控制这样取长补短控制效果将会更好 3 远程控制的实现 计算机网络的发展使天涯若咫尺依靠计算机网络对变频器进行远程控制也是一个发展方向通过RS485接口及一些网络协议对变频器进行远程控制这样在有些不适合于人类进行现场操作的场合也可以很容易的实现控制目标 4 绿色变频器 随着可持续发展战略的提出对于环境的保护越来越受到人们的重视变频器产生的高次谐波对电网会带来污染降低变频器工作时的噪声以及增强其工作的可靠性安全性等等这些问题都试图通过采取合适的控制方式来解决设计出绿色变频器 4结束语 变频器的控制方式是一个值得研究的问题依靠致力于这项工作的有识之士的共同努力使国产变频器早日走向世界市场并且成为一流的产品 MicroMaster 440变频器在电梯控制系统中的应用 一系统概述 电梯行业是一个特种行业国家对电梯的设计制造安装以及使用都有详细的国家标准电梯的主要部分有土建机械和电气等组成机械部分有导轨轿厢对重钢丝绳以及其他机械部分电气部分有主控制板变频器曳引机等部分构成电梯的运行在主控制板的指令控制变频器有变频器驱动曳引机带动轿厢运行变频器作为电梯中系统的核心部件对电梯的安全可靠的运行是非常重要的同时系统也对变频器有一些特殊的要求许多公司针对电梯的特殊要求推出了电梯专用变频器来满足电梯的特殊要求而西门子的通用多功能变频器MM440采用具有现代先进技术水平的绝缘栅双极型晶体管IGBT作为功率输出器件具有很高的运行可靠性和功能的多样性采用脉冲频率可选的专用脉宽调制技术可使曳引机在低噪声下运行系统更加平稳全面而完善的保护功能为系统提供了可靠而良好的保护性能高性能的矢量控制技术有多种控制方式灵活选用适用不同的领域在电梯控制系统中采用的是闭环矢量控制具有快速的动态响应特性和超强的过载能力众多的自由功能模块通过BICO 二进制互联连接 组成了大量资源供用户使用从而完成复杂的多种控制正是MM440强大而灵活的功能可以胜任电梯控制系统的要求通过MM440驱动异步曳引机构成的电梯系统完全满足国标GB7588-2003电梯制造与安装规范GBT10058-1997电梯技术条件的要求 二系统的组成和基本原理 电梯是一个复杂的系统本文就针对由MM440和曳引机主控板组成的电气控制系统进行介绍如图1所示 电源经空气开关Q接电源接触器KMC之后连接到变频器的进线端RST变频器出线端UVW经接触器KMY连接到曳引机构成了系统的主供电回路在上电后主控制板闭合KMC一直带电为变频器自身提供电源和系统动力并且使变频器初始化并把初始化的结果通过GZ节点输出给主控制板而运行接触器KMY平时是断开的在电梯需要启动时在启动KMY使曳引机带电 在曳引机的驱动轴上安装有旋转编码器经过屏蔽线接到变频器的信号输入端PGPPGMPFAPFB构成闭环控制同时也把输出信号也经过屏蔽线接到主控制板APCR的型号输入端以便主控制板控制电梯的正常运行 图1电气系统原理图MM440变频器采用多段速控制方式主控制板APCR根据内选以及外呼等命令计算出要去的目的楼层此时首先闭合KMY根据上行或者下行命令接通FWD或者REV使变频器建立励磁输出转矩变频器输出运行信号RUN之后经过一定的时间打开抱闸YB再根据启动设置不同的段速输出到多段速端子SS1SS2SS3变频器就会按照预先设定的速度曲线控制曳引机运行 停止时主控制板APCR首先在预定的减速距离把运行多段速改为爬行速度输出给变频器数字输入端子SS1SS2SS3变频器就会按设定的速度曲线控制曳引机到爬行速度到将要平层时首先去掉多段速信号然后下闸最后去掉方向信号完成一次启停过程下面就分析变频器是如何根据APCR的命令完成电梯的控制的 通用变频器矢量控制的基本原理王仁祥 cdunw积分261帖子10 注册02-06-23个人博客 个人播客加为好友 发送消息 建议删除该贴 收藏 回复 修改 2004-02-13 2172013 楼主 通用变频器矢量控制的基本原理矢量控制的基本原理是通过测量和控制异步电动机定子电流矢量根据磁场定向原理分别对异步电动机的励磁电流和转矩电流进行控制从而达到控制异步电动机转矩的目的具体是将异步电动机的定子电流矢量分解为产生磁场的电流分量 励磁电流 和产生转矩的电流分量 转矩电流 分别加以控制并同时控制两分量间的幅值和相位即控制定子电流矢量所以称这种控制方式称为矢量控制方式矢量控制方式又有基于转差频率控制的矢量控制方式无速度传感器矢量控制方式和有速度传感器的矢量控制方式等基于转差频率控制的矢量控制方式同样是在进行U f 恒定控制的基础上通过检测异步电动机的实际速度n并得到对应的控制频率f然后根据希望得到的转矩分别控制定子电流矢量及两个分量间的相位对通用变频器的输出频率f进行控制的基于转差频率控制的矢量控制方式的最大特点是可以消除动态过程中转矩电流的波动从而提高了通用变频器的动态性能早期的矢量控制通用变频器基本上都是采用的基于转差频率控制的矢量控制方式 无速度传感器的矢量控制方式是基于磁场定向控制理论发展而来的实现精确的磁场定向矢量控制需要在异步电动机内安装磁通检测装置要在异步电动机内安装磁通检测装置是很困难的但人们发现即使不在异步电动机中直接安装磁通检测装置也可以在通用变频器内部得到与磁通相应的量并由此得到了所谓的无速度传感器的矢量控制方式它的基本控制思想是根据输入的电动机的铭牌参数按照一定的关系式分别对作为基本控制量的励磁电流或者磁通和转矩电流进行检测并通过控制电动机定子绕组上的电压的频率使励磁电流或者磁通和转矩电流的指令值和检测值达到一致并输出转矩从而实现矢量控制采用矢量控制方式的通用变频器不仅可在调速范围上与直流电动机相匹配而且可以控制异步电动机产生的转矩由于矢量控制方式所依据的是准确的被控异步电动机的参数有的通用变频器在使用时需要准确地输入异步电动机的参数有的通用变频器需要使用速度传感器和编码器并需使用厂商指定的变频器专用电动机进行控制否则难以达到理想的控制效果目前新型矢量控制通用变频器中已经具备异步电动机参数自动辨识自适应功能带有这种功能的通用变频器在驱动异步电动机进行正常运转之前可以自动地对异步电动机的参数进行辨识并根据辨识结果调整控制算法中的有关参数从而对普通的异步电动机进行有效的矢量控制除了上述的无传感器矢量控制和转矩矢量控制等可提高异步电动机转矩控制性能的技术外目前的新技术还包括异步电动机控制常数的调节及与机械系统匹配的适应性控制等以提高异步电动机应用性能的技术为了防止异步电动机转速偏差以及在低速区域获得较理想的平滑转速应用大规模集成电路并采用专用数字式自动电压调整AVR控制技术的控制方式已实用化并取得良好的效果 1 引言11 梅山2号连铸机概况 梅山2号连铸机是立弯式多点矫直的高效连铸机连铸机的正常拉速为24mmin最高拉速可达5mmin辊道的速度为30mmin主要由大包回转台中包车引钉杆车引钉杆卷扬连铸机本体输送辊道以及相关的液压站等组成连铸机的本体设备由结晶器立弯段5个扇形段2个矫直段10个水平段组成扇形段和矫直段每个段有两个传动辊两台电机驱动电机型号1LA7163-6AA60-Z003AC400V 75kW 50Hz 960 rmin 17A带抱闸水平段每个段一个传动辊电机电机型号1LA7163-6AA60-Z004AC400V 75kW 50Hz 960 rmin 17A不带抱闸12 连铸机的传动控制的要求连铸的拉速范围从0mmin到5mmin因此要求调速范围大要求能实现无静差调速由于连铸机的特殊工艺操作工改变拉速时能够实行无级调速调速动态响应快调速系统的抗干扰能力强在较低转速时有较高的动态转速