丹佛斯变频器的基本控制模式.pdf

书书书 第三章 变频器的基本控制模式 变频器的控制模式是指变频器在工作时 输出频率和输出电压之间的关系 控制模式不 同 变频器的控制精度和快速性也就不同 电动机在工频运行时 因为频率和电压是固定的 电动机的参数是按固定的频率电压设 计的 当频率变化时 就要考虑电磁参数必须保持在某一确定的值 变频器常用的三种控制 模式为 基本 控制 矢量控制和直接转矩控制 一 基本 控制 基本 控制是根据电动机的电磁特性采取的控制模式 即输出频率变化时 输出电压 也成比例的变化 常数 恒压频比控制是变频器控制的基础 其他控制也是建立 在该控制基础上的 基本 控制一般用于变频器的开环控制 如图 所示 图 基本 控制 一 控制理论依据 给三相异步电动机的定子绕组加上电源电压 后 绕组中便产生感应电动势 见图 图 感应电动势的产生 根据电动机理论 的表达式为 式中 定子绕组的感应电动势有效值 定子绕组的绕组系数 为常数 定子每相绕组的匝数 为常数 定子绕组感应电动势的频率 即电源的频率 旋转磁场的主磁通 大小和定子空载电流成正 比 为了保证电动机工作在磁通的最佳值 也为常数 图 所示是电动机的铁心磁饱和曲线 由图 可见 在 点为特性线的最佳点 当 大于 点 进入饱和区 当电动机调频工作时 要保持 点不变 当电动机工作时 增加 增加 产生的磁通大小相等 方向相反 相互抵消 即工 作时主磁通是不变的 仍然保持在空载电流的设定值 见图 图 电动机铁心磁饱和曲线 图 主磁通不变 将上述常数带入公式 有 由于 很小 当 较高时 可忽略 有 上式可改写为 常数 上升 上升 下降 下降 即 常数 这就是变频器的基本 控制模式 该控制线是任何控制模式都要遵 守的 控制电路结构简单 成本较低 机械特性硬度也较好 能够满足一般传动的平滑调 速要求 已在各产业的各个领域得到广泛应用 这种控制方式在低频时 由于输出电压较 低 转矩受定子电阻压降的影响比较显著 使输出最大转矩减小 其机械特性终究没有直流 电动机机械特性硬度好 动态转矩能力和静态调速性能都还不尽如人意 且系统性能不高 控制曲线会随负载的变化而变化 转矩响应慢 电动机转矩利用率不高 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 应用范围 可以满足大部分对调速响应动态性能要求不高的场合 如风机 水泵负载 二 基频以下变频调速 基频以下恒磁通变频调速 我国电网 交流电称为基频 在 范围调速时 称为基频以下调速 图 范围调速 范围调速如图 所示 特点 基频以下调速时转速变化转矩不变 具有 恒转矩特性 随着转速的下降 电动机输出功率下降 当转速较低时 具有节能作用 起动转矩小 当 较低时 亦较低 电阻 上的电压 已不可忽略 它使定子电流下降 从而使 减小 这将引起低速时的输出转矩减小 见图 转矩补偿 为补偿低速时转矩不足 在低频时提升定子电压 补偿曲线如图 中曲线 所有 变频器都有低频转矩补偿功能 丹佛斯变频器控制技术 图 低速时输出转矩减小 图 转矩补偿 三 基频以上变频调速 当电动机工作在基频 额定频率 以上时 由于电动机不能超过额定电压运行 所以 频率在额定值以上升高时 定子电压不变 保持在额定值 随着 的升高而下降 电动 机的转矩亦随着频率的升高而下降 因为电动机输出功率为 转速升高 转矩下降 乘积不变 即基频以上的变频调速属于 恒功率 调速 恒功率调速曲线如图 所示 图 恒功率调速曲线 四 基频以上调速应用 满足高速设备的需要 如内圆磨床的磨头电动机 转速在每分钟上万 转 可采用变频高速电动机驱动 简化传动环节 满足恒功率设备的需要 即设备需要调速 又需要电动机输出恒功率 超频恒功率工作原理是 电动机采用超频调速工 作 输出恒功率 通过降速器 使负载得到应有的可 调转速 从而不加大电动机和变频器的功率 五 低频时临界转矩减小的原因与对策 变频运行时的数据举例 低频时临界转矩减频运行时小的原因如图 所示 频率为 时磁能相对值为 时为 时为 由此可以看出 频率下降时磁通比额定磁通下降了 所以电动机的带负载能力下降 对策 电压补偿 转矩补偿 转矩提升 从图 可以看出 在低频运行时 输入电压适当的增加一点补偿量 从而加大了 比 也就加大了反电动势与频率的比 如果补偿量恰到好处 则可使反电动势与频率与额定 状态相等 结果是磁通量也等于额定值 第三章 变频器的基本控制模式 图 低频时临界转矩减频运行时小的原因 运行频率为 运行频率为 运行频率为 图 电压补偿的原理 电压补偿的含义 时的补偿量 时的补偿量 六 负载变化的影响 负载变化时 电动机的电流及其阻抗压降也随之变化 所以当负载变化时所需要的电压 补偿量也应该跟着改变 但变频器的 线是一次选定的 就是说当 线选定后 在某一 频率下的电压补偿量 就确定了 如在满载时得到恰好的补偿 如图 在轻载时就 会发生磁通相对值增大 磁化曲线进入深度饱和段 如图 励磁电流产生巨大的尖 峰波 图 负载变化 减轻 对磁通的影响 负载率减轻至 正常时的励磁电流 饱和时的励磁电流 丹佛斯变频器控制技术 七 线的选择与调整 调整 线的实质 基本频率 基本频率的大小是和变频器的输出电压相对应的 有两种定义方法 和变频器的最大输出电压对应的频率 见图 当变频器的输出电压等于额定电压时的最小输出频率 基本频率用 表示 在绝大多数情况下 基本频率都和电动机的额定频率相等 图 基本频率的定义 基本 线 变频器的对应关系 电动机的对应关系 基本频率的调整实例 一台 的电动机配 变频器 进口电动机的额定电压常常是三相 而我国 低压电网的电压都是三相 两者之间能否配用呢 可以通过提高基本频率的方法来解决 如图 所示 当把基本频率预置为 时 则与 对应的电压是 而 对应的电压是 应用此方法时 电动机的工作 频率可以上升至 从而增大了电动机的输出功率 但应注意由于变频器输出电压的脉 动幅度仍高达 左右 因此所用电动机的槽绝缘必须和 电动机一样才行 图 电动机配 变频器 对基本频率的设定 变频器与电动机的对应关系 八 电动机配 变频器 一台电动机的额定数据是 首先在 坐标内找到与 对应 的点 见图 找出 对应的频率为 将基本频率预置为 即可 第三章 变频器的基本控制模式 图 电动机配 变频器 对基本频率的设定 变频器与电动机的对应关系 九 转矩提升的预置要点 实际调试时 比例由小逐渐加大 每加大一档 首先看能否带得动负载 即使能带 动负载 还应观察空载时会不会跳闸 一直到低频运行时 即能带动重负载 又不会空载跳 闸为止 低频重载时 如带式输送机 如图 所示 是运送煤炭或石料的传输带 其工作特点是 其负载轻重与转速无关 属于恒转矩负载 机械特性如图 所示 在运行过程中 因为传输带上的物料多少是不恒定的 所以其负载轻重常有变化 对于这类负载 必须考虑在物料最多的情况下 低频时也能带动负载 因此 应该选择 具有一定补偿量的 曲线 如图 所示 当工作频率为 时 在不进行补偿时 变频器的输出电压为 这时电动机在负载较 重时 有可能带不动 如 曲线选择了曲线 则当工作频率为 时 变频器的输出电 压增加为 使电动机的有效转矩足以克服负载的阻转矩 图 带式输送机的 曲线 负载示意图 负载机械特性 曲线的选择 低频轻载时 风机属于二次方律负载 其机械特性如图 所示 在低转速运行时 负载的阻转矩 丹佛斯变频器控制技术 很小 如 点 在这种情况下 即使不进行电压补偿 电动机的有效转矩也比负载转矩大 得多 为此 变频器专门设置了若干根 负补偿线 就是说 在低频时 电压非但不加 大 相反地还应该适当减小 如图 中曲线 当工作频率为 时 变频器的输出电压 减小为 使电动机的有效转矩接近于负载转矩 图 风机的 曲线 风机的机械特性 曲线的选择 二 矢量控制 矢量控制就是用模拟直流电动机的方法对交流电动机进行控制的一种控制模式 矢量控制实现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 交直流电动机转矩特性的比较 直流电动机 交流电动机 式中 电磁转矩 转矩系数 电枢电流 磁通 功率因数角 是转子电流的功率因数 只要它为常数 交流电动机的控制就和直流电动机的控 制特性相同 因为控制 为常数 实际上就是 控制转子 定子 电流的大小 还要控 制电流的方向 即矢量控制 如图 所示 依照直流电动机的特点 当变频器得到给定信号后 首先由控制电路把给定信号分解为 第三章 变频器的基本控制模式 两个互相垂直的磁场信号 励磁分量 和转矩分量 与之对应的控制信号分别为 和 并假设这两个互相垂直的磁场信号在空间是旋转的 转速等于给定频率相对的同步转 速 在运行过程中 当负载发生变化导致转速变化时 可通过转速反馈到控制电路 以调制 控制信号 调整时令磁场信号 不变 而只调整转矩信号 从而使异步电动机得到和直 流电动机十分相似的机械特性 图 矢量控制 一 矢量控制需要的参数 电动机的铭牌数据 电压 电流 转速 磁极对数 效率等 电动机的绕组数据 定子电阻 定子漏磁电抗 转子等效电阻 转子等效漏磁电 抗 空载电流等 二 反馈矢量控制接法 有反馈矢量控制是各方面性能都比较优越的一种控制方式 但因为它是以有转速反馈为 前提的 因此必须安装转速测量装置 现在以旋转编码器为主 有反馈矢量控制方式如图 所示 主要适用于如下场合 图 有反馈矢量控制方式 有反馈矢量控制电路图 机械特性曲线族 丹佛斯变频器控制技术 要求有较大调速范围 如兼有铣 磨功能的龙门刨床 对动态响应能力有较高要求者 对运行安全有较高要求者 如起重机械 无反馈矢量控制不需要安装任何附加设备 且机械特性较硬 大多数恒转矩负载可以选 择无反馈矢量控制方式 它不但机械特性优于 控制方式 且不会发生电动机磁路饱和等 问题 故调试方便 三 矢量控制方式的适用范围 不宜采用的场合如图 所示 图 不宜采用的场合 带多台电动机 容量差两档以上 极以上 特殊电动机 只能用于一台变频器控制一台电动机的情况 电动机容量和变频器要求的配用电动机容量之间 最多只能差一个档次 磁极数一般以 极为宜 特殊电动机不能用矢量控制功能 如力矩电动机 深槽电动机 双笼型异步电 动机 四 矢量控制使用要求 矢量控制是对电动机的转速 转矩 进行控制 不能对电动机的间接控制量进行控 制 即不能进行过程控制 一台变频器只能控制一台电动机 使用前要进行自动扫描 将电动机的参数扫入变频器 矢量控制可从零转速进行控制 调速范围宽 在低速时也有 倍的额定转矩 矢量控制可对转矩或转速进行精确控制 系统响应速度快 速度控制精度高 适用 于控制精度高 反应速度快的轧钢 造纸 起重牵引等设备中 开环控制适用于一般控制 闭环控制适用于位置控制 五 自动化系统对变频器调速的要求 调速性 有良好的调速性能 很宽的调速范围 稳速性 以一定的速度精度在所需速度下稳定运行 快速性 加减速度快 在系统受到干扰时恢复得快 系统反应的快速性是自动控 制的一个硬指标 第三章 变频器的基本控制模式 六 矢量控制的主要优点 低频转矩大 即使运行在 或 时 也能产生足够大的转矩 且不会产 生在 控制方式中容易遇到的磁路饱和现象 机械特性好 在整个频率调节范围内 都具有较硬的机械特性 所有机械特性基本 上都是平行的 动态响应好 尤其是有转速反馈的矢量控制方式 其动态响应时间一般都能小 于 七 矢量控制的主要缺点 完全依赖于精确的电动机模型 矢量控制中结构复杂 计算量大 对参数变化敏感 三 直接转矩控制 与矢量控制相比 直接转矩控制具有结构简单 转矩响应速度快 对参数变化鲁棒性强 的优点 控制结构简单 控制信号处理的物理概念明确 系统的转矩响应迅速且无超调 是 一种具有高静 动态性能的交流调速控制方式 传统的直接转矩控制技术的主要问题是低速时转矩脉动大 因此要降低或消除低速时的 转矩脉动 提高转速 转矩控制精度 扩大直接转矩控制系统的调速范围 近些年来出现了 许多新型的直接转矩控制系统 虽然这些新型直接转矩控制技术在不同程度上改善了调速系 统的低速性能 但是其低速性能还是不能达到矢量控制的水平 鲁棒性 就是系统的健壮性 它是在异常和危险情况下系统生存的关键 四 变频拖动系统的基本规律 一 变频拖动系统必须满足的条件 电动机的功率要大于负载功率 拖动系统的功率关系如图 所示 图 拖动系统的功率关系 二 电动机与负载的转矩关系 电动机的转矩要大于负载转矩 拖动系统的转矩关系如图 所示 三 拖动系统的重要规律与常见误区 误区一 甩掉减速器 见图 丹佛斯变频器控制技术 图 拖动系统的转矩关系 错误原因 电动机降速后的有效功率要随转速下降 图 甩掉减速器 例如一台电动机的功率 负载侧的数据是 从功率上看 所以在额定频率下运行时没有问 题 但当工作频率下降为 时 其有效功率减小为 显然无法带动 负载 电动机的有效功率与转速如图 所示 图 电动机的有效功率与转速 拖动系统 高速时的功率 低速时的有效功率 第三章 变频器的基本控制模式 具体分析 见图 图 甩掉减速器的具体分析 从转矩看 电动机额定转矩的大小计算如下 在有减速器的情况下 负载转矩折算到电动轴上的折算值是 电动机能带动负载 当去掉减速机后电动机将直接带动负载 显然 可见是无法 带动负载的 误区二 加大工作频率来提高生产率 见图 图 加大工作频率来提高生产率 原工作状态 加工工作频率 错误原因 负载升速后所需功率加大 负载功率与转速的关系如图 所示 具体分析 频率提高后负载转速提高为 功率增大为 提速后电动机将过载 丹佛斯变频器控制技术 从转矩看 电动机工作频率升高为 后 其有效转矩将减小为 可见电动机将不能带动负载 图 负载功率与转速的关系 拖动系统 低速时的负载功率 高速时的负载功率 五 变频器的选型 在容量适配的情况下 变频器的额定电流应该大于或等于对应的电动机的额定电流 但 实际情况并不完全如此 一般来说 极和 极电动机的额定电流都小于变频器的额定电 流 但 极以上的额定电流往往比同容量变频器的额定电流大 一 变频器的容量与电动机特性 变频器的容量与电动机特性的关系如图 所示 图 变频器的容量与电动机特性的关系 变频器容量正好 变频器容量加大 二 电动机工况与变频器的选择 电动机的温升 电动机在运行时 存在着铜损 铁损以及机械损耗等各种功率的损失 这些损耗功率都要转 化为热能 使电动机的温度上升 温度太高了就会破坏电动机的各部分绝缘 使电动机烧坏 连续不变负载的变频器选择 所谓连续不变负载是指负载是连续运行的 在运行过程中 负载的转矩大小基本不变 如图 所示 电动机在拖动这类负载时 温升能达到稳定的温升 因此这类负载在选择 第三章 变频器的基本控制模式 变频器时原则上只需使变频器的配用电动机容量不小于电动机的实际容量即可 此类负载 有 带式输送机 风机 水泵等 连续变