电机调速论文

1、基于变频器的电机调速技术探究摘要：本论文介绍了变频调速的基本原理和主要的变频方式, 详细分析 u/ f 控制方式、转差率控制方式及矢量控制变频调速的基本思想，还有变频器的安装和调速优势。 关键字：变频器调速 u/ f 控制 矢量控制 PWM技术1 引言近年来，随着电力电子技术、计算机技术、自动控制技术的迅速发展，交流传动与控制技术成为目前发展最为迅速的技术之一，电气传动技术面临着一场历史革命，即交流调速取代直流调速和计算机数字控制技术取代模拟控制技术已成为发展趋势。电机交流变频调速技术是当今节电、改善工艺流程以提高产品质量和改善环境、推动技术进步的一种主要手段。变频调速以其优异的调速和起制动性

2、能，高效率、高功率因数和节电效果，广泛的适用范围及其它许多优点而被国内外公认为最有发展前途的调速方式。深入了解交流传动与控制技术的走向，具有十分积极的意义 2 变频器调速的基本原理 交流调速是通过改变电定子绕组的供电的频率来达到调速的目的的，但定子绕组上接入三相交流电时，定子与转子之间的空气隙内产生一个旋转的磁场，它与转子绕组产生感应电动势，出现感应电流，此电流与旋转磁场相互作用，产生电磁转矩。使电动机转起来。电机磁场转速称为同步转速，用表示： 式中：为三相交流电源频率，一般是50Hz；为磁极对数。当=1是，=3000rmin；=2时，=1500rmin。由上式可知磁极对数越多，转速就越慢，而

3、转子的实际转速比磁场的同步转速要慢一点，所以称为异步电动机，这个差别用转差率表示： （2-8）在加上电源转子尚未转动瞬间，=0，这时=1；启动后的极端情况=，则=0，即在01之间变化，一般异步电动机在额定负载下的 =1%6%。综合（2-7）和（2-8）式可以得出： （2-9）由式（2-9）可以看出，对于成品电机，其极对数已经确定，转差率的变化不大，则电机的转速与电源频率成正比，因此改变输入电源的频率就可以改变电机的同步转速，进而达到异步电机调速的目的。变频器调速又分为恒磁通变频调速.恒电流变频调速，恒功率变频调速。 2.1.恒磁通变频调速（基频以下调速） 异步电动机电势方程：忽略定子压降：则

4、式中 -供电电压 1-供电频率 -磁通量-电势常数，为定子匝数，K为电机结构系数上式看出当供电电压一定时,磁通量随频率变化。一般在电机设计时,为充分利用铁心材料,都把磁通的数值选在接近磁饱和的数值上。这样,当频率下降时,会上升,造成磁路过饱和,励磁电流大大增加,使电机特性发生变化,带负载能力差,铁损增加，电机发热。反之,当f上升时,会下降,在一定负载条件下有过电流危险。因此这两种情况都不允许。要使电机正常运行,必然要求保持磁通恒定,也就是为常数。为做到这点,只有（、为速度变化后的电压和频率）。保持电压与频率的比值不变。这就是恒磁通变频要求保持恒压频比的控制条件。 2.2.恒电流变频调速 这种变

5、频调速,相当于一恒流源,在变频过程中,始终保持(定子电流)恒定,与恒磁通变频方式同属于恒转矩调速性质。在变频时,最大转矩因电流恒定而不受影响,同时因激磁电抗大于短路电抗,而使最大转矩较恒磁通变频时的最大转矩要小,负载能力低。因此这种调速方式适用于小容量且负载变化不大的场合。 2.3恒功率变频调速（基频以上调速） 电机在倾定转速以上运行时,频率将大于额定频率,若按上述原则,则（）应随之升高,但电机绕组本身不允许高压供电,会使绝缘击穿,这样就不能保持恒转矩变频方式。在这种情况下,可采用恒功率变频调速,相当于他激直流电动机当电枢电压一定时,减弱激磁调速的方法。3 变频方式实现变频的方式主要有 2 种

6、, 即交- 交变频和交- 直- 交变频。3.1 交- 交变频根据半导体变流技术, 改变晶闸管导通控制角可调节其直流输出电压: 当控制角为 90 时, 输出电压为零; 控制角为 0 时, 输出电压最大。如果让控制角从 90 逐步变化为 0 , 再以同样的时间从0回到 90 , 就得到从小到大再从大到小变化的输出直流电压; 如果再反向并联一组同样的整流桥, 也照同样方式控制, 得到一个交流波形的另一个半波。将 2 个部分整流桥合并, 于是就得到一个新的、完整的交流电压值。由于控制角 是受控制的, 输出的电压值大小也就随之受控，调压过程即可实现。当控制角变化时，变化的速度快慢即可改变输出波形的周期就

7、实现了调频。交- 交变频单相电路如图 1 所示 3.2 交直-交变频交- 直- 交变频就是在交- 交变频的中间增加一个直流环节。首先将输出的交流电通过整流变成直流, 再通过逆变器将直流电变成交流电, 这样的变频器就称为交流- 直流- 交流变频器, 简称交- 直-交变频器。变频的问题解决了, 变压与交- 交方式一样。交- 直- 交电压型变频主电路如图 2 所示交- 直- 交变频器又分为： （1）电流型变频器电流型变频器的特点是中间直流环节采用大电感器作为储能环节来缓冲无功功率，即扼制电流的变化，使电压波形接近正弦波，由于该直流环节内阻较大，故称电流源型变频器。（2）电压型变频器 电压型变频器的特

8、点是中间直流环节的储能元件采用大电容器作为储能环节来缓冲无功功率，直流环节电压比较平稳，直流环节内阻较小，相当于电压源，故称电压型变频器。由于电压型变频器是作为电压源向交流电动机提供交流电功率，所以其主要优点是运行几乎不受负载的功率因数或换流的影响，它主要适用于中、小容量的交流传动系统。与之相比，电流型变频器施加于负载上的电流值稳定不变，其特性类似于电流源，它主要应用在大容量的电机传动系统以及大容量风机、泵类节能调速中。 4.变频控制方式变频器的控制方式主要是指针对频率、电压参数的适当变化控制, 实现对电动机磁通和转矩的控制。目前市场上通用变频器常见的控制方式有 u/ f控制方式、矢量控制方式

9、和直接转矩控制方式 3 种。最简单的是 u/ f 控制方式,下面重点介绍该方式,4.1 u/ f 控制方式 u/ f 控制方式即保持u/ f比恒定，它是在改变变频器输出电压频率的同时改变输出电压的幅值，以维护电机磁通基本恒定，从而在较宽的调速范围内，使电动机的效率、功率因数不下降。三相交流异步电动机在工作过程中铁心磁通接近饱和状态，从而使铁心材料得到充分的利用。在变频调速的过程中，当电动机电源的频率发生变化时，电动机的阻抗将随之变化，从而引起励磁电流的变化，使电动机出现励磁不足或励磁过强。在励磁不足时电动机的输出转矩将降低，而励磁过强时又会使铁心中的磁通处于饱和状态，是电动机中流过很大的励磁电

10、流，增加电动机的功率损耗，降低电动机的效率和功率因数。因此在改变频率进行调速时，必须采取措施保持磁通恒定为额定值。由电机理论知道，电机定子的感应电势有效值是： 则 即 （2-10）另外，电机的电磁转矩为: （2-11）其中 与电动机有关的常数；Cos转子每相电路功率因数；转子电压与电流的相位差；电机的电磁转矩。由式(2-10)推断，若不变，当定子电源频率增加，将引起气隙磁通减小；而由式(2-11)可知，减小又引起电动机电磁转矩减小，这就出现了频率增加，而负载能力下降的情况。在不变时，而定子电源频率减小，又将引起增加,增加将导致磁路饱和，励磁电流升高，从而导致电动机发热，严重时会因绕组过热而损坏

11、电动机。由以上情况可知:变频调速时，必须使气隙磁通不变。因此，在调节频率的同时，必须对定子电压进行协调控制，但控制方式随运行频率在基频以下和基频以上而不同。4.1.1.基频以下调速（恒磁通调速）由式(2-10)可知，要保持不变，当频率从额定值向下调节时，必须同时降低,使=常值只要保持为常数，（）就可以达到维持磁通恒定的目的。因此这种控制又称为恒磁通变频调速，属于恒转矩调速方式。根据电机端电压和感应电势的关系式： (2-12) 式中: -定子相电压； -定子电阻； -定子阻抗； -定子电流。当电机在额定运行情况下，电机定子电阻和漏阻抗的压降较小，和可以看成近似相等，所以保持=常数即可。由于比恒定

12、调速是从基频向下调速，所以当频率较低时，与 都变小，定子漏阻抗压降(主要是定子电阻压降)不能再忽略。这种情况下，可以人为地适当提高定子电压以补偿电阻压降的影响，使气隙磁通基本保持不变。变频后的机械特性如图2.4所示。图2.4 电动机低于额定转速方向调速时的机械特性从图2.4中可以看出，当电动机向低于额定转速方向调速时,曲线近似平行地下降，减速后的电动机仍然保持原来较硬的机械特性；但是临界转矩却随着电动机转速的下降而逐渐减小，这就是造成了电动机负载能力的下降。临界转矩下降的原因可以如下解释：为了使电动机定子的磁通量保持恒定，调速时就要求感应电动势与电源频率的比值不变，为了使控制容易实现，采用电源

13、电压来近似代替，这是以忽略定子阻抗压降作为代价，当然存在一定的误差。显然，被忽略的定子阻抗压降在电压中所占的比例大小决定了它的影响。当的数值相对较高时，定子阻抗压降在电压中所占的比例相对较小，所产生的误差较少；当的数值较低时，定子阻抗压降在电压中所占的比例下降，而定子阻抗的压降并不按同比例下井，使得定子阻抗压降在电压中的比例增大，已经不能再满足。此时如果仍以代替，将带来很大的误差。因为定子阻抗压降所占的比例增大，使得实际上产生的感应电动势减小，的比值减小，造成磁通量减小，因而导致电动机的临界转矩的下降。变频后机械特性的降低将是电动机带负载能力减弱，影响交流电动机变频调速的使用。一种简单的解决方

14、法就是所示的转矩补偿法。转矩补偿法的原理是：针对频率降低时，电源电压成比例地降低引起的的下降过低，采用适当的提高电压的方法来保持磁通量恒定，使电动机转矩回升.4.1.2.在基频以上调速 在基频以上调速时，频率可以从额定频率向上增高，但是定子电压却不能超出额定电压，由式（2-10）可知，这将迫使磁通与频率成反比例降低。这种调速方式下，转子升高时转矩降低，属于恒功率调速方式。变频后的机械特性如图2.7所示。图2.7 电动机高于额定转速方向调速时的机械特性 (n0=60fN/p Te=3pU1平方/4f1(x1+x2) 当电动机向高于额定转速方向调速时，曲线不仅临界转矩下降，而且曲线工作段的斜率开始

15、增大，使得机械特性变软。造成这种现象的原因是：当频率升高时，电源电压不可能相应升高。这是因为电动机绕组的绝缘强度限制了电源电压不能超过电动机的额定电压，所以，磁通量将随着频率的升高反比例下降。磁通量的下将使电动机的转矩下降，造成电动机的机械特性变软。以上调速方式相应的特性曲线如图2.8所示。图2.8整个频率调速的特性曲线注：图中曲线1在低频时没有定子降压补偿的压频曲线和主磁通曲线 图中曲线2在低频时有定子降压补偿的压频曲线和主磁通曲线比恒定控制存在的主要问题是低速性能差。其原因一方面是低速时定子的电压和电势近似相等条件已不能满足，所以仍按比恒定控制就不能保持电机磁通恒定，而电机磁通的减小势必会

16、造成电机的电磁转矩减小。另一方面原因是低速时逆变器桥臂上、下开关元件的导通时间相对较短，电压下降，而且它们的互锁时间也造成了电压降低，从而引起转矩脉动，在一定条件下这将会引起转速、电流的振荡，严重时会导致变频器不能运行。4.2 其它控制方式 4.2.1.转差频率控制变频调速 它包括:1.转差功率消耗型2.转差功率回馈型3.转差功率不变型。转差率控制方式是控制的一种改进，这种控制需要由安装在电动机上的速度传感器检测出电动机的转速，构成速度闭环，速度调节器的输出时转差率，而变频器的输出频率则有电动机实际转速与所需转差频率之和决定。它是解决控制静态性能较差的一种有效方法。虽然这种方法可以提高调速精度

17、，但是它需要使用速度传感器来求取转差角频率，还要针对具体电机的机械特性调整控制参数，因而此方法的通用性较差。4.2.2.矢量控制变频调速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、通过三相两相变换，等效成两相静止坐标系下的交流电流、，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、（相当于直流电动机的励磁电流；相当于与转矩成比例的电枢电流），然后仿效直流电动机的控制方法，求得直流电动机控制量，经过相应的坐标反变换，实现对异步电动机的控制。在高性能的异步电机控制系统中多采用交叉闭环控制的矢量控制。采用矢量控制方式的目的，主要是为了提高变频调速的动态性能。虽

18、然这一理论的提出是交流传动理论上的一个飞跃，但是由于它既要确定转子的磁链，又要进行坐标变换，还要考虑转子参数变动带来的影响，所以系统非常复杂。矢量控制变频器通常应用于轧钢、造纸设备等对动态性能要求较高的场合。4.2.3.直接转矩控制变频调速该技术在很大程度上解决了上述矢量控制的不足，并以新颖的控制思想、简洁明了的系统结构、优良的动静态性能得到了迅速发展。直接转矩控制直接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。它不需要将交流电动机化成等效直流电动机，因而省去了矢量旋转变换中的许多复杂计算；它不需要模仿直流电动机的控制，也不需要为解耦而简化交流电动机的数学模型。日前市场销售

19、的通用变频器的控制多半为比恒定控制，它的应用比较广泛，特别是在风机，泵及土木机械等方面应用较多，比恒定控制的突出优点是可以进行电机的开环速度控制。 从以上的分析可看出，控制常用于速度精度要求不十分严格或负载变动较小的场合。由于控制是转速开环控制，无需速度传感器，控制电路简单，负载可以是通用标准异步电机，所以这种控制方法通用性强、经济性好，是目前通用变频器产品中使用较多的一种控制方式。4.3变频调速的基本要求为了充分利用铁芯材料，在设计电机时，一股将额定工作点选在磁化曲线开始弯曲处。因调速时希望保持每极磁通qm为额定值，即vn=qnN。因为磁通增加，将引起铁芯过分饱和，励磁电流急剧增加，导致绕组

20、过分发热，功率因数降低；而磁通减少，将使电动机输出转矩下降。如果负载转矩仍维持不变，势必导致定、转子过电流，也要产生过热，故而希望保持磁通恒定，即实现恒磁通变频调速。4.4 变频变压（VVVF）调速时电动机的机械特性根据端电压和频率不同的比例关系，将会有几种不同的变频调速方式。 1比例控制方式 根据电压公式，在忽略异步电动机定子绕组的阻抗压降后可近似的得到： ，要维持m 不变的情况下，只要U1和f 1成比例的变化即可，从最大转矩公式中可研得知：在低频段时，由于定子绕组中的Xm，X1，X2以及L1，L2不可忽略，则将会增加使得最大转矩Tm也将随f 1的降低而降低就会将使低频段时异步电动机的起动转

21、矩Tq大大减小。 2恒磁通控制方式要求调速范围大、恒转矩的电梯负载希望在整个调速范围中保持Tem= C不变，按公式 进行控制减小时，应适当提高输入定子的端电压U1，以补偿异步电动机定子绕组的阻抗压降。按Tem=C的恒磁通em=C控制方式，变频时异步电动机机械特性见图（3） 。这是电梯的电力拖动控制系统要求和希望的。3恒功率控制方式这种控制方式是在变频调速时，保持异步电动机定子绕组的电流为恒定值。即通过PI调节器和电流闭环系统调节作用而实现的。但这种控制方式仅仅适用负载变化不大的场合，而不适用于电梯的电力拖动控制系统。由此可见，按Tem= C的恒磁通变频的异步电动机的机械特性是电梯电力拖动所需求

22、的。4.5变压变频运行时机械特性分折1电压为额定值时改变频率的机械特性电源频率f1的改变，对异步电动机产生两方面的影响：一是改变同步转速n1；二是改变电动机的结构参数。（1）当f 1下降时，由于 ，所以f 1的下降会造成n1上升 （2）由于 ，所以f 1下降时， X1，X2，Xm均会成正比下降。又由于PFe与f 21成正比，所以f1下降时会造成Xm下降。（3）因为励磁电流由于f 1的下降，会使I0的变化为非线性，在低频段I0将急剧上升。（4）气隙合成磁通m同是由励磁电流I0所产生的。磁通 大小大小取决于I0的大小以及电动机磁路的状况。由于电动机的磁路一般设计在接近饱和的状态，故频率f 1下降时

23、，m 会出现过饱和。这也是I0随f 1下降急剧上升的原因。（5）转子电流I2的大小决定于负载的大小。在额定负载下，当f1下降时，m上升，cos2上升，所以I2会下降。（6） 因为定子电流I1=I0+（-I2），因此当f1下降时，I1可能会出现变化。在低频段重负载下I1上升；在较高频率段轻负载下I1下降。（7）f1的下降对起动转矩Tq的影响。因为当f 1处于较高频率段时，随着f1的下降Tq会出现急剧上升；在低频段时随着f1的下降Tq的上升将会趋缓。2频率为额定值时改变电压的机械特性改变输入定子电压U1，主要影响电动机的运行参数，并会对运行时的I0，I2，m等产生影响。（1）I0的影响。因为当U1

24、下降，I0也随之下降。（2）气隙合成磁通m的影响。由于电压U1的下降，电机磁路处于非饱和的状态，所以可以认为m随U1正比下降。（3）转子电流I2的影响。I2的大小取决于负载的大小，在额定负载时，因为TN=Tem，当U1下降时，I2上升。（4）定子电流I1的影响。当U1下降时，使I2上升，造成I1的变化，轻负载时I1则下降，重负载时I1则上升。（5）起动转矩Tq。因为当U1下降时，Tq随U21成正比下降。（6）最大转矩Tm。因为Tm与U21成正比，电压降低，会使电动机过载能力下降。 5. 变频器主电路 5.1 主电路的工作原理 变频调速实际上是向交流异步电动机提供一个频率可控的电源。变频器由两部

25、分组成：主电路和控制电路，其中主电路通常采用交-直-交方式，先将交流电转变为直流电(整流，滤波)，再将直流电转变为频率可调的交流电（逆变）。 5.1.1.整流电路整流电路是把交流电变换为直流电的电路。 5.1.2.逆变电路将直流电转换为交流电的过程称为逆变。完成逆变功能的装置叫做逆变器，它是变频器的主要组成部分，电压性逆变器的工作原理如下：（1） 单相逆变电路 在交流电变化的一个周期中，每个IGBT导通电角度。因此交流电的周期（频率）可以通过控制IGBT通断的速度来调节。（2）三相逆变电路 组成了桥式逆变电路，这6个全控型开关交替地接通、关断就可以在输出端得到一个相位互相差的三相交流电压。通过

26、6个全控型开关的交替工作可以得到一个三相交流电，只要调节开关的通断速度就可调节交流电频率。5.2 控制回路 控制回路是为变频器的主电路提供通断信号的电路，其主要任务是完成对逆变器开关元件的开关控制。控制方式有模拟控制和数字控制两种，本设计中采用的是以微处理器为核心的全数字控制，优点是它采用简单的硬件电路，主要依靠软件来完成各种控制功能，以充分发挥微处理器计算能力和软件控制灵活性高的特点来完成许多模拟量难以实现的功能。 5.2.1 驱动电路驱动电路的作用是逆变器中的逆变电路换流器件提供驱动信号。主电路逆变电路设计中采用的电力电子器件是IGBT，故称为门极驱动电路。常采用SPWM技术。 5.2.2

27、 保护电路保护电路的主要功能是对检测电路得到的各种信号进行运算处理，以判断变频器本身或系统是否出现异常。当检测到异常时，进行各种必要的处理。它包括过、欠压保护电路，过流保护电路。6 变频器的运行和相关参数的设置 变频器的设定参数多，每个参数均有一定的选择范围，使用中常常遇到因个别参数设置不当，导致变频器不能正常工作的现象。 1.控制方式：即速度控制、转距控制、PID控制或其他方式。采取控制方式后，一般要根据控制精度，需要进行静态或动态辨识。 2.最低运行频率：即电机运行的最小转速，电机在低转速下运行时，其散热性能很差，电机长时间运行在低转速下，会导致电机烧毁。而且低速时，其电缆中的电流也会增大，也会导致电缆发热。3.最高运行频率：一般的变频器最大频率到6