变频调速系统概述

1、变频调速系统概述 （经典）摘要20 世纪90 年代以来，机电传动控制领域面貌焕然一新。各种类型的鼠笼式异步电动机压频 比恒定的变压变频调速系统、同步电动机变频调速系统，交流电动机矢量控制系统、鼠笼式 异步电动机直接转矩控制系统等，在工业生产的各个领域中都得到了广泛的应用，覆盖了机 电传动调速控制的各个方面。交流调速技术的应用为工农业生产及节省电能方面带来了巨大 的经济和社会效益。现在，交流调速系统已在逐步地全面取代直流调速系统。目前在交流调 速系统中，变频调速系统应用最多、最广泛，变频调速技术及其装置仍是21 世纪的主流技 术和主流产品。 现代交流调速系统由交流电动机、电力电子功率变换器、控制

2、器和电量检 测器等四大部分组成。电力电子功率变换器与控制器及电量检测器集于一体，称为变频器。关键词：变频调速系统 领域 应用实例 变频器 选择一、定义 变频调速系统主要是由变频器、电动机和工作机械等装置组成的机电系统。电 力拖动的任务是使电动机实现由电能向机械能的转换，完成工作机械启动、运转、调速、制 动作业的要求。 变频调速系统也就是由电动机带动机械设备以可以自由调节的速度进行旋 转的运动系统。二、变频调速系统 变频系统有以下及几种： 同步电动机调速系统 ，根据频率控制方式的不同，分为： 1.他控式变频调速系统 与异步电动机变压变频调速一样，用独立的变 压变频装置给同步电动机供电的系统称作他

3、控变频调速系统。下图是由交-直-交电流型负载 换流变压变频器供电的同步电动机调速系统旁路晶闸管pH-iMSe系统控制器电流9_ Zd 电流 1 控制器7MSUI3BQ等效直流电机2.自控式变频调速系统用电动机轴上所带的转子位置检测器来控制变频装置的逆变器换流，从而改变同步电动机的 供电频率，因调速时定子绕组供电频率受电动机转速的自动控制，故称为自控式变频调速系 统控制器 异步电动机调速系统： 1.恒压频比控制交流调速系统 对于鼠笼式异步电动机的变压变频 调速，必须同时改变供电电源的电压和频率。现有的交流供电电源都是恒压恒频的，必须通 过变频装置（即Variable Voltage Freque

4、ncy简称VVVF装置），才能获得变压变频的电源。异电源侧变换器|严 MSe系统控制器电流9_ Zd 电流 1 控制器7MSUI3BQ等效直流电机2.自控式变频调速系统用电动机轴上所带的转子位置检测器来控制变频装置的逆变器换流，从而改变同步电动机的 供电频率，因调速时定子绕组供电频率受电动机转速的自动控制，故称为自控式变频调速系 统控制器 kIN变频器容量通常以适用电动机容量（kW）、输出容量（kVA）、额定 输出电流（A）来表示。其中额定电流为变频器允许的最大连续输出的电流有效值，无论什 么用途都不能连续输出超过此值的电流。 变频器的选择参考如下：五、变频器的选择根据负载特性选择变频器。如负

5、载为恒转矩负载可选择西门子MMV/MDV,MM420/MM440 变频器，ABB公司ACS400系列变频器等；如负载为风机、泵类负载可选择西门子ECO、 MM430变频器，ABB公司ACS800系列变频器等。 选择变频器时应以实际电机电流值作 为变频器选择的依据，电机的额定功率只能作为参考。另外，应充分考虑变频器的输出含有 丰富的高次谐波，会使电动机的功率因数和效率变坏。因此，用变频器给电动机供电与用工 频电网供电相比较，电动机的电流会增加10而温升会增加20左右。所以在选择电动机 和变频器时，应考虑到这种情况，适当留有余量，以防止温升过高，影响电动机的使用寿命。 变频器若要长电缆运行时，此时

6、应该采取措施抑制长电缆对地耦合电容的影响，避免变频 器出力不够。所以变频器应放大一、两档选择或在变频器的输出端安装输出电抗器。 当 变频器用于控制并联的几台电机时，一定要考虑变频器到电动机的电缆的长度总和在变频器 的容许范围内。如果超过规定值，要放大一档或两档来选择变频器。另外在此种情况下，变 频器的控制方式只能为 V/F 控制方式，并且变频器无法实现电动机的过流、过载保护，此 时需在每台电动机侧加熔断器来实现保护。对于一些特殊的应用场合，如高环境温度、 高开关频率、高海拔高度等，此时会引起变频器的降容，变频器需放大一档选择。 对于 压缩机、振动机等转矩波动大的负载和油压泵等有峰值负载情况下，

7、如果按照电动机的额定 电流或功率值选择变频器的话，有可能发生因峰值电流使过电流保护动作现象。因此，应了 解工频运行情况，选择比其最大电流更大的额定输出电流的变频器。 变频器驱动潜水泵 电动机时，因为潜水泵电动机的额定电流比通常电动机的额定电流大，所以选择变频器时， 其额定电流要大于潜水泵电动机的额定电流。当变频器控制罗茨风机或特种风机时，由 于其起动电流很大，所以选择变频器时一定要注意变频器的容量是否足够大。 选择变频 器时，一定要注意其防护等级是否与现场的情况相匹配。否则现场的灰尘、水汽会影响变频 器的长久运行。六、变频器研究现状 全数字化控制系统 随着计算机技术的发展，无论是生产还 是生活

8、当中，人民对数字化信息的依赖程度越来越高。为了使交流调速系统与信息系统紧密 结合，同时也为了提高交流调速系统自身的性能，必须使交流调速系统实现全数字化控制。 由于交流电机控制理论不断发展，控制策略和控制算法也日益复杂。扩展卡尔曼滤波、 FFT、 状态观测器、自适应控制、人工神经网络等等均应用到了各种交流电机的矢量控制或直接转 矩控制当中。因此，DSP芯片在全数字化的高性能交流调速系统中找到施展身手的舞台。如 TI公司的MCS320F240等DSP芯片，以其较高的性能价格比成为了全数字化交流调速系统的首 选。在交流调速的全数字化的过程当中，各种总线也扮演了相当重要的角色。STD总 线、工业PC总

9、线、现场总线以及CAN总线等在交流调速系统的自动化应用领域起 到了重要的作用。PWM技术PWM控制是交流调速系统的控制核心，任何控 制算法的最终实现几乎都是以各种PWM控制方式完成的。目前已经提出并得到实际应用的 PWM控制方案就不下十几种。尤其是微处理器应用于PWM技术并使之数字化以后，花样是 不断翻新，从最初追求电压波形的正弦，到电流波形的正弦，再到磁通的正弦；从效率最优， 转矩脉动最少，再到消除噪音等，PWM控制技术的发展经历了一个不断创新和不断完善的 过程。到目前为止，还有新的方案不断提 出，进一步证明这项技术的研究方兴未艾。其中，空间矢量PWM技术以其电压利用率高、 控制算法简单、电

10、流谐波小等特点在交流调速系统中得到了越来越多的应用高压大容量交流调速系统国外的电网电压等级一般为3000V,而我国的电网电压等级为 6000V和10000V，高压大功率交流调速系统无法进行大规模的批量生产。目前，研究较多 的大功率逆变电路有： 多电平电压型逆变器 变压器耦合的多脉冲逆变器 交交变频 器双馈交流变频调速系统。高性能交流调速系统V/f恒定、速度开环控制的通用变频 调速系统和滑差频率速度闭环控制系统，基本上解决了异步电机平滑调速的问题。然而，系 统在稳定性、起动及低速时转矩动态响应等方面的性能尚不能令人满意。 考虑到异步电机 是一个多变量、强耦合、非线性的时变参数系统，很难直接通过外

11、加信号准确控制电磁转矩， 但若以转子磁通这一旋转的空间矢量为参考坐标，利用从静止坐标系到旋转坐标系之间的变 换，则可以把定子电流中励磁电流分量与转矩电流分量变成标量独立开来，进行分别控制。 这样，通过坐标变换重建的电动机模型就可等效为一台直流电动机，从而可象直流电动机那 样进行快速的转矩和磁通控制即矢量控制。 和矢量控制不同，直接转矩控制屏弃了解耦的 思想，取消了旋转坐标变换，简单地通过检测电机定子电压和电流，借助瞬时空间矢量理论 计算电机的磁链和转矩，并根据与给定值比较所得差值，实现磁链和转矩的直接控制。 尽 管矢量控制与直接转矩控制使交流调速系统的性能有了较大的提高，但是还有许多领域有待 研究：磁通的准确估计或观测无速度传感器的控制方法电机参数的在线辨识极 低转速包括零速下的电机控制 电压重构与死区补偿策略 多电平逆变器的高性能控制 策略 随着电力电子器件制造技术的发展和新型电路变换器的不断出现，现代控制理论向交流调速 领域的渗透，特别是微型计算机及大规模集成电路的发展，交流电动机调速技术正向高频化、 数字化和智能化方向发展。尤其是智能控制方式，在变频器的控制中采用智能控制方式在