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、控制器和电量检测

2、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控变频调速系统。下图

3、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。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 Frequency,简称VVVF装置），才能获得变压变频的电源。 异步电动机的转矩是电机的磁通与转子内流过电流之间相互作用而产生的。根据电机

4、的磁通：kUf ，由于电源电压通常是恒定的，即U为恒定，可知当频率变化时，磁通也会发生变化。如果电压一定而只是降低频率，那么磁通就会过大，磁路饱和，严重时将烧毁电机，反之则磁通达不到额定值。因此，频率和电压要成比例的改变，是电动机的磁通保持一定，避免弱磁和磁饱和现象的产生。 2.转差频率控制变频器调速系统 转差频率控制方式是对U/f控制（恒压频比控制交流调速系统）的改进。在采用这种控制方式的变频器中，电动机实际的转速由安装在电动机上的速度传感器和变频器控制电路得到，而变频器的输出频率则由电动机的时机转速与所需转差率的和自动设定，从而达到在进行调速控制的同时控制电动机输出转矩的目的。3.矢量变换

5、控制交流变频调速系统 矢量控制（Vector Control，简称VC）又称磁场定向控制（Field Oriented Control），是在20世纪70年代初由美国学者和德国学者各自提出的。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电流iA、iB、iC通过三相-二相变换，等效成两相静止坐标系下的交流电流i1、i1，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iM1、iT1（iM1相当于直流电动机的励磁电流；iT1相当于与转矩成正比的电枢电流），然后模仿直流电动机的控制方法，球的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。其实质是将交流电动

6、机等效为直流电动机，分别对速度、磁场两个分量进行独立控制。通过控制转子磁链，然后分解定子电流而获得转矩和磁场两个分量，经坐标变换，实现正交或解耦控制。 优点是转矩可以连续平滑调节，调速范围宽。 4.直接转矩控制系统（Direct Torque Control，简称DTC系统） 直接转矩控制（Direct Torque ControlDTC），这种“直接自控制”的思想以转矩为中心来进行综合控制，不仅控制转矩，也用于磁链量的控制和磁链自控制。直接转矩控制与矢量控制的区别是，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控制，其实质是用空间矢量的分析方法，以定子磁场定向方式，对定

7、子磁链和电磁转矩进行直接控制的。这种方法不需要复杂的坐标变换，而是直接在电机定子坐标上计算磁链的模和转矩的大小，并通过磁链和转矩的直接跟踪实现PWM脉宽调制和系统的高动态性能。 三、对比 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，当生产机械对调速系统的动静态性能提出更高要求时，上述系统还是比直流调速系统略逊一筹。 U/f控制方式有三点不足之处： 一、这种控制方式很难根据负载转矩的变化恰当的调整电动机转矩。特别是低速时，由于定子阻抗压降随负载转矩变化，当负载较重时可能补偿不足，当负载过轻时又可能造成过补偿，造成磁路饱和。这都可

8、能引起变频器过电流跳闸。 二、U/f控制方式无法准确控制交流电机的实际转速。因为变频器的频率设定值均为定子频率，即电动机的同步频率，但是电动机的转差率随着负载的变化波动，所以电动机的实际转速也随之变化，故这种方式的速度静态稳定性不高，不适于对速度要求较高的拖动系统。 三、U/f控制方式在转速很低时，转矩不足。 基频向下调速，希望保持磁通不变。从公式U=E=4.44*f*N*看出，磁通正比与E/f(近似正比与U/f)，所以保持E/f（U/f）的比值不变，就可以保证磁通不变。 基频向上调速时候，因为电压不能再升了，所以可以看成弱磁调速。 矢量控制的基本点是控制转子磁链，以转子磁通定向，然后分解定子

9、电流，使之成为转矩和磁场两个分量，经过坐标变换实现正交或解耦控制。但是，由于转子磁链难以准确观测，以及矢量变换的复杂性，使得实际控制效果往往难以达到理论分析的效果，这是矢量控制技术在实践上的不足。此外它必须直接或间接地得到转子磁链在空间上的位置才能实现定子电流解耦控制，在这种矢量控制系统中需要配留转子位置或速度传感器，这显然给许多应用场合带来不便。直接转矩控制，要依赖于精确的电机数学模型和对电机参数的自动识别(Identification向你ID),通过ID运行自动确立电机实际的定子阻抗互感、饱和因素、电动机惯量等重要参数，然后根据精确的电动机模型估算出电动机的实际转矩、定子碰链和转子速度，并

10、由磁链和转矩的BandBand控制产生PWM信号对逆变器的开关状态进行控制。这种系统可以实现很快的转矩响应速度和很高的速度、转矩控制精度. 然而在实际应用中，由于转子磁链难以准确观测，系统特性受电动机参数的影响较大，且在等效直流电动机控制过程中所用矢量旋转变换较复杂，使得实际的控制效果难以达到理想分析的结果。四、变频器的分类及应用范围 变频器的分类 1.按照主电路工作方式分类： 电压型变频器、电流型变频器 2.按照开关方式分类： PAM（Pluse Amplitude Modulation，脉冲幅值调制）控制变频器、PWM（Pluse Width Modulation，脉冲宽度调制）控制变频器

11、、高载频PWM控制变频器 3.按工作原理分类： V/f控制变频器、转差频率控制变频器、矢量控制变频器等 4.按用途分类： 通用变频器、高性能专用变频器、高频变频器、单相变频器、三相变频器等变频器的应用范围五、变频器的选择 交流电动机调速控制时，除了应选择合适的变频器类型，使其调速范围、调速精度等主要技术性能指标必须满足要求外，变频器的容量选择及与使用有关的一些事项的合理运用，也是电动机调速控制装置安全可靠运行的重要前提。 选择变频器容量的基本依据： 对于连续恒载运转机械所需的变频器，其容量可用下式近似计算： PCNkPNcos ICNkIN 变频器容量通常以适用电动机容量（kW）、输出容量（k

12、VA）、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：根据负载特性选择变频器。如负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，

13、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

14、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，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

15、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

16、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

17、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

18、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