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發(fā)布時(shí)間:2021-12-22 16:46
我們都知道，變頻器是從事電氣工作所應(yīng)該掌握的一種技術(shù)，使用變頻器控制電機(jī)是電氣控制中較為常見(jiàn)的方法；有的也要求一定要熟練運(yùn)用。今天小編就以淺薄的知識(shí)整理歸納相關(guān)的知識(shí)點(diǎn)，內(nèi)容或有重復(fù)，旨在和大家分享變頻器和電機(jī)之間的那些奇妙關(guān)系。
首先，為什么要用變頻器控制電機(jī)？
我們先簡(jiǎn)單的了解下這兩個(gè)設(shè)備。
電機(jī)是一個(gè)感性負(fù)載，它阻礙電流的變化，在啟動(dòng)的時(shí)候會(huì)產(chǎn)生電流的較大變化。
變頻器，是利用電力半導(dǎo)體器件的通斷作用將工頻電源變換為另一頻率的電能控制裝置。它主要由兩部分電路構(gòu)成，一是主電路（整流模塊、電解電容和逆變模塊），二是控制電路（開(kāi)關(guān)電源板、控制電路板）。
為了降低電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)電流，尤其是功率較大的電機(jī)，功率越大，啟動(dòng)電流越大，過(guò)大的啟動(dòng)電流會(huì)給供配電網(wǎng)絡(luò)帶來(lái)較大的負(fù)擔(dān)，而變頻器能夠解決這個(gè)啟動(dòng)問(wèn)題，讓電機(jī)平滑啟動(dòng)，而不會(huì)引起啟動(dòng)電流過(guò)大。
使用變頻器的另一個(gè)作用就是對(duì)電機(jī)進(jìn)行調(diào)速，很多場(chǎng)合需要控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速以獲得更好的生產(chǎn)效率，而變頻器調(diào)速一直是它最大的亮點(diǎn)，變頻器通過(guò)改變電源的頻率以達(dá)到控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。
變頻器控制方式都有哪些？
變頻器控制電機(jī)最常用的五種方式如下：
低壓通用變頻輸出電壓為380～650V，輸出功率為0.75～400kW，工作頻率為0～400Hz，它的主電路都采用交—直—交電路。其控制方式經(jīng)歷了以下四代。
1U/f=C的正弦脈寬調(diào)制(SPWM)控制方式
其特點(diǎn)是控制電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本較低，機(jī)械特性硬度也較好，能夠滿足一般傳動(dòng)的平滑調(diào)速要求，已在產(chǎn)業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。但是，這種控制方式在低頻時(shí)，由于輸出電壓較低，轉(zhuǎn)矩受定子電阻壓降的影響比較顯著，使輸出最大轉(zhuǎn)矩減小。
另外，其機(jī)械特性終究沒(méi)有直流電動(dòng)機(jī)硬，動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩能力和靜態(tài)調(diào)速性能都還不盡如人意，且系統(tǒng)性能不高、控制曲線會(huì)隨負(fù)載的變化而變化，轉(zhuǎn)矩響應(yīng)慢、電機(jī)轉(zhuǎn)矩利用率不高，低速時(shí)因定子電阻和逆變器死區(qū)效應(yīng)的存在而性能下降，穩(wěn)定性變差等。因此人們又研究出矢量控制變頻調(diào)速。
電壓空間矢量(SVPWM)控制方式
它是以三相波形整體生成效果為前提，以逼近電機(jī)氣隙的理想圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)軌跡為目的，一次生成三相調(diào)制波形，以內(nèi)切多邊形逼近圓的方式進(jìn)行控制的。
經(jīng)實(shí)踐使用后又有所改進(jìn)，即引入頻率補(bǔ)償，能消除速度控制的誤差；通過(guò)反饋估算磁鏈幅值，消除低速時(shí)定子電阻的影響；將輸出電壓、電流閉環(huán)，以提高動(dòng)態(tài)的精度和穩(wěn)定度。但控制電路環(huán)節(jié)較多，且沒(méi)有引入轉(zhuǎn)矩的調(diào)節(jié)，所以系統(tǒng)性能沒(méi)有得到根本改善。
矢量控制(VC)方式
矢量控制變頻調(diào)速的做法是將異步電動(dòng)機(jī)在三相坐標(biāo)系下的定子電流Ia、Ib、Ic、通過(guò)三相－二相變換，等效成兩相靜止坐標(biāo)系下的交流電流Ia1Ib1，再通過(guò)按轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向旋轉(zhuǎn)變換，等效成同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的直流電流Im1、It1(Im1相當(dāng)于直流電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流；It1相當(dāng)于與轉(zhuǎn)矩成正比的電樞電流)，然后模仿直流電動(dòng)機(jī)的控制方法，求得直流電動(dòng)機(jī)的控制量，經(jīng)過(guò)相應(yīng)的坐標(biāo)反變換，實(shí)現(xiàn)對(duì)異步電動(dòng)機(jī)的控制。
其實(shí)質(zhì)是將交流電動(dòng)機(jī)等效為直流電動(dòng)機(jī)，分別對(duì)速度，磁場(chǎng)兩個(gè)分量進(jìn)行獨(dú)立控制。通過(guò)控制轉(zhuǎn)子磁鏈，然后分解定子電流而獲得轉(zhuǎn)矩和磁場(chǎng)兩個(gè)分量，經(jīng)坐標(biāo)變換，實(shí)現(xiàn)正交或解耦控制。矢量控制方法的提出具有劃時(shí)代的意義。然而在實(shí)際應(yīng)用中，由于轉(zhuǎn)子磁鏈難以準(zhǔn)確觀測(cè)，系統(tǒng)特性受電動(dòng)機(jī)參數(shù)的影響較大，且在等效直流電動(dòng)機(jī)控制過(guò)程中所用矢量旋轉(zhuǎn)變換較復(fù)雜，使得實(shí)際的控制效果難以達(dá)到理想分析的結(jié)果。
直接轉(zhuǎn)矩控制(DTC)方式
1985年，德國(guó)魯爾大學(xué)的DePenbrock教授首次提出了直接轉(zhuǎn)矩控制變頻技術(shù)。該技術(shù)在很大程度上解決了上述矢量控制的不足，并以新穎的控制思想、簡(jiǎn)潔明了的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、優(yōu)良的動(dòng)靜態(tài)性能得到了迅速發(fā)展。
目前，該技術(shù)已成功地應(yīng)用在電力機(jī)車牽引的大功率交流傳動(dòng)上。直接轉(zhuǎn)矩控制直接在定子坐標(biāo)系下分析交流電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型，控制電動(dòng)機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩。它不需要將交流電動(dòng)機(jī)等效為直流電動(dòng)機(jī)，因而省去了矢量旋轉(zhuǎn)變換中的許多復(fù)雜計(jì)算；它不需要模仿直流電動(dòng)機(jī)的控制，也不需要為解耦而簡(jiǎn)化交流電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型。
矩陣式交—交控制方式
VVVF變頻、矢量控制變頻、直接轉(zhuǎn)矩控制變頻都是交—直—交變頻中的一種。其共同缺點(diǎn)是輸入功率因數(shù)低，諧波電流大，直流電路需要大的儲(chǔ)能電容，再生能量又不能反饋回電網(wǎng)，即不能進(jìn)行四象限運(yùn)行。
為此，矩陣式交—交變頻應(yīng)運(yùn)而生。由于矩陣式交—交變頻省去了中間直流環(huán)節(jié)，從而省去了體積大、價(jià)格貴的電解電容。它能實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)為l，輸入電流為正弦且能四象限運(yùn)行，系統(tǒng)的功率密度大。該技術(shù)目前雖尚未成熟，但仍吸引著眾多的學(xué)者深入研究。其實(shí)質(zhì)不是間接的控制電流、磁鏈等量，而是把轉(zhuǎn)矩直接作為被控制量來(lái)實(shí)現(xiàn)的。
具體方法是：
控制定子磁鏈引入定子磁鏈觀測(cè)器，實(shí)現(xiàn)無(wú)速度傳感器方式；
自動(dòng)識(shí)別(ID)依靠精確的電機(jī)數(shù)學(xué)模型，對(duì)電機(jī)參數(shù)自動(dòng)識(shí)別；
算出實(shí)際值對(duì)應(yīng)定子阻抗、互感、磁飽和因素、慣量等算出實(shí)際的轉(zhuǎn)矩、定子磁鏈、轉(zhuǎn)子速度進(jìn)行實(shí)時(shí)控制；
實(shí)現(xiàn)Band—Band控制按磁鏈和轉(zhuǎn)矩的Band—Band控制產(chǎn)生PWM信號(hào)，對(duì)逆變器開(kāi)關(guān)狀態(tài)進(jìn)行控制。
矩陣式交—交變頻具有快速的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)(<2ms)，很高的速度精度(±2％，無(wú)PG反饋)，高轉(zhuǎn)矩精度(<＋3％)；同時(shí)還具有較高的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩及高轉(zhuǎn)矩精度，尤其在低速時(shí)(包括0速度時(shí))，可輸出150％～200％轉(zhuǎn)矩。
變頻器如何控制電機(jī)？?jī)烧呷绾谓泳€？
變頻器控制電機(jī)的接線較為簡(jiǎn)單，跟接觸器的接線差不多，三根主電源進(jìn)線，然后出線給電機(jī)，但是其中的設(shè)置就有說(shuō)道了，控制變頻器的方式也多為不同。
首先我們來(lái)看一下變頻器的接線端子，雖然說(shuō)品牌較多，接線方式也有不同，但是大部分的變頻器的接線端子也都差不太多。一般分為正反轉(zhuǎn)的開(kāi)關(guān)量輸入，用來(lái)控制電機(jī)多的啟動(dòng)正反轉(zhuǎn)。反饋端子，用來(lái)反饋電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，包括運(yùn)行的頻率，轉(zhuǎn)速，故障狀態(tài)等等。速度給定控制，有些變頻器是用電位器，有的直接使用按鍵，都為不通。
通過(guò)物理接線方式來(lái)控制的，還有一種方式是走的通訊網(wǎng)絡(luò)，很多的變頻器現(xiàn)在都支持通訊控制，可以通過(guò)這個(gè)通訊線就控制電機(jī)的啟動(dòng)停止，正反轉(zhuǎn)，調(diào)節(jié)速度等，同時(shí)反饋信息也通過(guò)通訊進(jìn)行傳送。
當(dāng)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度（頻率）改變時(shí)，其輸出轉(zhuǎn)矩會(huì)怎樣？
變頻器驅(qū)動(dòng)時(shí)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩和最大轉(zhuǎn)矩要小于直接用工頻電源驅(qū)動(dòng)。
電機(jī)在工頻電源供電時(shí)起動(dòng)和加速?zèng)_擊很大，而當(dāng)使用變頻器供電時(shí)，這些沖擊就要弱一些。工頻直接起動(dòng)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)大的起動(dòng)起動(dòng)電流。而當(dāng)使用變頻器時(shí)，變頻器的輸出電壓和頻率是逐漸加到電機(jī)上的，所以電機(jī)起動(dòng)電流和沖擊要小些。
通常，電機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩要隨頻率的減?。ㄋ俣冉档停┒鴾p小。減小的實(shí)際數(shù)據(jù)在有的變頻器手冊(cè)中會(huì)給出說(shuō)明。
通過(guò)使用磁通矢量控制的變頻器，將改善電機(jī)低速時(shí)轉(zhuǎn)矩的不足，甚至在低速區(qū)電機(jī)也可輸出足夠的轉(zhuǎn)矩。
當(dāng)變頻器調(diào)速到大于50Hz頻率時(shí)，電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩將降低
通常的電機(jī)是按50Hz電壓設(shè)計(jì)制造的，其額定轉(zhuǎn)矩也是在這個(gè)電壓范圍內(nèi)給出的。因此在額定頻率之下的調(diào)速稱為恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速。(T=Te，P<=Pe)
變頻器輸出頻率大于50Hz頻率時(shí)，電機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩要以和頻率成反比的線性關(guān)系下降。
當(dāng)電機(jī)以大于50Hz頻率速度運(yùn)行時(shí)，電機(jī)負(fù)載的大小必須要給予考慮，以防止電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的不足。
舉例，電機(jī)在100Hz時(shí)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩大約要降低到50Hz時(shí)產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的1/2。
因此在額定頻率之上的調(diào)速稱為恒功率調(diào)速.(P=Ue*Ie)
變頻器50Hz以上的應(yīng)用情況
大家知道，對(duì)一個(gè)特定的電機(jī)來(lái)說(shuō)，其額定電壓和額定電流是不變的。
如變頻器和電機(jī)額定值都是：15kW/380V/30A,電機(jī)可以工作在50Hz以上。
當(dāng)轉(zhuǎn)速為50Hz時(shí)，變頻器的輸出電壓為380V，電流為30A。這時(shí)如果增大輸出頻率到60Hz，變頻器的最大輸出電壓電流還只能為380V/30A，很顯然輸出功率不變，所以我們稱之為恒功率調(diào)速。
這時(shí)的轉(zhuǎn)矩情況怎樣呢？
因?yàn)镻=wT(w；角速度，T：轉(zhuǎn)矩），因?yàn)镻不變，w增加了，所以轉(zhuǎn)矩會(huì)相應(yīng)減小。
我們還可以再換一個(gè)角度來(lái)看：
電機(jī)的定子電壓U=E+I*R(I為電流，R為電子電阻，E為感應(yīng)電勢(shì))
可以看出，U，I不變時(shí)，E也不變.
而E=k*f*X（k：常數(shù)；f：頻率；X：磁通），所以當(dāng)f由50-->60Hz時(shí)，X會(huì)相應(yīng)減小
對(duì)于電機(jī)來(lái)說(shuō)T=K*I*X（K：常數(shù)；I：電流；X：磁通），因此轉(zhuǎn)矩T會(huì)跟著磁通X減小而減小
同時(shí)，小于50Hz時(shí)，由于I*R很小，所以U/f=E/f不變時(shí)，磁通(X)為常數(shù)。轉(zhuǎn)矩T和電流成正比。這也就是為什么通常用變頻器的過(guò)流能力來(lái)描述其過(guò)載(轉(zhuǎn)矩)能力，并稱為恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速(額定電流不變-->最大轉(zhuǎn)矩不變)
結(jié)論：當(dāng)變頻器輸出頻率從50Hz以上增加時(shí)，電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩會(huì)減小
其他和輸出轉(zhuǎn)矩有關(guān)的因素
發(fā)熱和散熱能力決定變頻器的輸出電流能力，從而影響變頻器的輸出轉(zhuǎn)矩能力。
載波頻率：一般變頻器所標(biāo)的額定電流都是以最高載波頻率，最高環(huán)境溫度下能保證持續(xù)輸出的數(shù)值，降低載波頻率，電機(jī)的電流不會(huì)受到影響。但元器件的發(fā)熱會(huì)減小。
環(huán)境溫度：就像不會(huì)因?yàn)闄z測(cè)到周圍溫度比較低時(shí)就增大變頻器保護(hù)電流值。
海拔高度：海拔高度增加，對(duì)散熱和絕緣性能都有影響。一般1000m以下可以不考慮，以上每1000米降容5%就可以了
變頻器控制電機(jī)頻率調(diào)多少合適？
在上面的整理中，我們已經(jīng)了解到為什么要用變頻器控制電機(jī)，也清楚了變頻器是如何控制電機(jī)的。變頻器控制電機(jī)，總結(jié)起來(lái)無(wú)外乎這兩點(diǎn)：一是變頻器控制電機(jī)的啟動(dòng)電壓，頻率；達(dá)到平滑啟動(dòng)平滑停止；二是利用變頻器調(diào)節(jié)電機(jī)的速度，通過(guò)改變頻率進(jìn)行電機(jī)的調(diào)速。
小編曾留意到工控論壇網(wǎng)友的一個(gè)實(shí)際問(wèn)題：變頻器控制普通電機(jī)，最低可以調(diào)到多少赫茲？目前已經(jīng)調(diào)到60Hz，領(lǐng)導(dǎo)還讓我繼續(xù)增加Hz數(shù)，計(jì)劃讓我調(diào)到100Hz，有人調(diào)到過(guò)100Hz嗎？（類似這種情況，需要考慮哪些因素？）
一起看看網(wǎng)友們?cè)趺凑f(shuō)
論壇網(wǎng)友 lpl53：我們?cè)诠I(yè)洗衣機(jī)上，到過(guò)200HZ，但電流不大。
論壇網(wǎng)友 莫頭腦：可以磨床上導(dǎo)輪電機(jī)一般都是100―110的…
論壇網(wǎng)友 82252031：電機(jī)功率有裕量電流不超情況下，可以，但要注意測(cè)量電機(jī)軸承溫度，異響，振動(dòng)。我們有一臺(tái)變頻驅(qū)動(dòng)電機(jī)長(zhǎng)期運(yùn)行在70-80Hz，6極電機(jī)隨便試，2極電機(jī)要謹(jǐn)慎。
論壇網(wǎng)友 fsjnzhouyan：這個(gè)要看電機(jī)矽鋼片的質(zhì)量了，以前在使用中通常在85Hz沒(méi)有問(wèn)題，調(diào)到90Hz很多電機(jī)轉(zhuǎn)速就上不去（額定轉(zhuǎn)速都達(dá)不到），出現(xiàn)磁飽和了。
論壇網(wǎng)友 ZCMY：電機(jī)的軸承最好換成高速軸承，另外要試下振動(dòng)，還有如果負(fù)載是風(fēng)機(jī)或水泵類不適用的。
論壇網(wǎng)友 mengx9806：曾經(jīng)調(diào)到1210HZ，電機(jī)是東元的，變頻器是安川A1000系列，運(yùn)行了兩年沒(méi)得毛病，一直在跑，沒(méi)出大問(wèn)題，但是估計(jì)出了問(wèn)題就是不會(huì)小問(wèn)題。
論壇網(wǎng)友 盧學(xué)斌：調(diào)到過(guò)180，短時(shí)間運(yùn)行。
論壇網(wǎng)友 1531214350：曾經(jīng)修過(guò)水洗洗衣機(jī)，電機(jī)是普通電機(jī)，甩干運(yùn)行150HZ。
高雅的雅：普通電機(jī)運(yùn)行頻率高于額定頻率20%轉(zhuǎn)差率就會(huì)增大，頻率越高轉(zhuǎn)差率會(huì)越大
論壇網(wǎng)友 kdrjl：看來(lái)對(duì)交流感應(yīng)電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和使用還是了解的太少了。
感應(yīng)電機(jī)，調(diào)速的最高轉(zhuǎn)速限制，關(guān)鍵不在變頻器，一般的正規(guī)變頻器，在V/F模式最高運(yùn)行頻率不會(huì)低于400Hz的，西門(mén)子的變頻器為例，是600Hz；矢量控制，最高運(yùn)行頻率限制是200Hz-300Hz；伺服控制的最高運(yùn)行頻率會(huì)更高。所以樓主想將感應(yīng)電機(jī)調(diào)速提高到100Hz，在變頻器這方面沒(méi)有懸念和疑問(wèn)。完全沒(méi)有技術(shù)障礙。感應(yīng)電機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)，比如說(shuō)轉(zhuǎn)子，是鼠籠結(jié)構(gòu)，因此，它的機(jī)械強(qiáng)度是由電機(jī)設(shè)計(jì)最高轉(zhuǎn)速有關(guān)聯(lián)的，轉(zhuǎn)速越高，機(jī)械離心力就越大，所以，一般的都滿足設(shè)計(jì)的最高轉(zhuǎn)速為準(zhǔn)，其機(jī)械強(qiáng)度不會(huì)無(wú)限大。感應(yīng)電機(jī)的轉(zhuǎn)子軸承，同樣有最高轉(zhuǎn)速限制，所以，超值標(biāo)的高速運(yùn)行，要了解轉(zhuǎn)子軸承的最高轉(zhuǎn)速極限，只要滿足要求，就可使用；感應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)子的動(dòng)平衡調(diào)試與整定，制造商也不可能是超過(guò)自己的設(shè)計(jì)參數(shù)去調(diào)試和驗(yàn)證。動(dòng)平衡一般都是滿足電機(jī)出廠所標(biāo)定的最高轉(zhuǎn)速進(jìn)行檢驗(yàn)。好了，綜上所述，感應(yīng)電機(jī)變頻調(diào)速，如果超頻應(yīng)用。首先是要與使用的感應(yīng)電機(jī)制造商詢問(wèn)是否可行。或者干脆提出自己的要求，定制電機(jī)。以保證最高轉(zhuǎn)速下的可靠性。另外，如果不通過(guò)制造商，自己來(lái)解決這些，那么首先是確定電機(jī)轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡測(cè)試，然后確認(rèn)軸承的極限轉(zhuǎn)速；超過(guò)了要換高速軸承來(lái)適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)需求。另外還要考慮散熱問(wèn)題等等。最后，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，想運(yùn)行在100Hz以內(nèi)的感應(yīng)電機(jī)，其功率100kW以內(nèi)中小功率的感應(yīng)電機(jī)應(yīng)該相對(duì)可以，超過(guò)100kW及其以上，最好定制。不要選擇常規(guī)通用產(chǎn)品。
論壇網(wǎng)友 lvpretend：主要看電機(jī)，如果本來(lái)就是2極電機(jī)，功率也大，就要謹(jǐn)慎些。工業(yè)洗衣機(jī)算是超速運(yùn)行比較多的例子，但電機(jī)額定轉(zhuǎn)速本來(lái)就比較低，6極的多。我見(jiàn)到過(guò)的4極電機(jī)最多到過(guò)120Hz。
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