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    变频器控制电机转速的原理
    泉源:欣纬机电 欣赏次数:3250 日期:2014-3-9
      变频器次要由整流(交换变直流)、滤波、再次整流(直流变交换)、制动单位、驱动单位、检测单位微处置单位等构成的。
    1. 电机的旋转速率为什么可以自在地改动?
    *1: r/min
    电机旋转速率单元:每分钟旋转次数,也可表现为rpm.
    比方:2极电机 50Hz 3000 [r/min]
    4极电机 50Hz 1500 [r/min]
    结论:电机的旋转速率同频率成比例
    本文中所指的电机为感到式交换电机,在产业中所利用的大局部电机均为此范例电机。感到式交换电机(当前简称为电机)的旋转速率类似地确决于电机的极数和频率。由电机的事情原理决议电机的极数是牢固稳定的。由于该极数值不是一个一连的数值(为2的倍数,比方极数为2,4,6),以是一样平常不适和经过改动该值来调解电机的速率。
    别的,频率可以在电机的表面调治后再供应电机,如许电机的旋转速率就可以被自在的控制。
    因而,以控制频率为目标的变频器,是做为电机调速设置装备摆设的优选设置装备摆设。
    n = 60f/p
    n: 同步速率
    f: 电源频率
    p: 电机极对数
    结论:改动频率和电压是最优的电机控制办法
    假如仅改动频率而不改动电压,频率低落时会使电机出于过电压(过励磁),招致电机大概被烧坏。因而变频器在改动频率的同时必需要同时改动电压。输入频率在额外频率以上时,电压却不行以持续增长,最高只能是即是电机的额外电压。
    比方:为了使电机的旋转速率减半,把变频器的输入频率从50Hz改动到25Hz,这时变频器的输入电压就必要从400V改动到约200V
    2. 当电机的旋转速率(频率)改动时,其输入转矩会怎样?
    *1: 工频电源
    由电网提供的动力电源(商用电源)
    *2: 起动电流
    当电机开端运转时,变频器的输入电流
    变频器驱动时的起动转矩和最大转矩要小于间接用工频电源驱动
    电机在工频电源供电时起动和减速打击很大,而当利用变频器供电时,这些打击就要弱一些。工频间接起动会发生一个大的起动起动电流。而当利用变频器时,变频器的输入电压和频率是渐渐加到电机上的,以是电机起动电流和打击要小些。
    通常,电机发生的转矩要随频率的减小(速率低落)而减小。减小的实践数据在有的变频器手册中会给出阐明。
    经过利用磁通矢量控制的变频器,将改进电机低速时转矩的不敷,乃至在低速区电机也可输入充足的转矩。
    3. 当变频器调速到大于50Hz频率时,电机的输入转矩将低落
    通常的电机是按50Hz电压设计制造的,其额外转矩也是在这个电压范畴内给出的。因而在额外频率之下的调速称为恒转矩调速. (T=Te, P<=Pe)
    变频器输入频率大于50Hz频率时,电机发生的转矩要以和频率成正比的线性干系降落。
    当电机以大于50Hz频率速率运转时,电机负载的巨细必需要赐与思索,以避免电机输入转矩的不敷。
    举例,电机在100Hz时发生的转矩约莫要低落到50Hz时发生转矩的1/2。
    因而在额外频率之上的调速称为恒功率调速. (P=Ue*Ie)
    4. 变频器50Hz以上的使用状况
    各人晓得, 对一个特定的电机来说, 其额外电压和额外电流是稳定的。
    如变频器和电机额外值都是: 15kW/380V/30A, 电机可以事情在50Hz以上。
    当转速为50Hz时, 变频器的输入电压为380V, 电流为30A. 这时假如增大输入频率到60Hz, 变频器的最大输入电压电流还只能为380V/30A. 很显然输入功率稳定. 以是九游会称之为恒功率调速.
    这时的转矩状况怎样呢?
    由于P=wT (w:角速率, T:转矩). 由于P稳定, w增长了, 以是转矩会响应减小。 
    九游会还可以再换一个角度来看:
    电机的定子电压 U = E + I*R (I为电流, R为电子电阻, E为感到电势)
    可以看出, U,I稳定时, E也稳定.
    而E = k*f*X, (k:常数, f: 频率, X:磁通), 以是当f由50-->60Hz时, X会响应减小
    关于电机来说, T=K*I*X, (K:常数, I:电流, X:磁通), 因而转矩T会随着磁通X减小而减小. 
    同时, 小于50Hz时, 由于I*R很小, 以是U/f=E/f稳定时, 磁通(X)为常数. 转矩T和电流成反比. 这也便是为什么通常用变频器的过流才能来形貌其过载(转矩)才能. 并称为恒转矩调速(额外电流稳定-->最大转矩稳定) 
    结论: 当变频器输入频率从50Hz以上增长时, 电机的输入转矩会减小. 
    5. 其他和输入转矩有关的要素 
    热和散热才能决议变频器的输入电流才能,从而影响变频器的输入转矩才能。
    载波频率: 一样平常变频器所标的额外电流都因此最高载波频率, 最高情况温度下能包管继续输入的数值. 低落载波频率, 电机的电流不会遭到影响。但元器件的热会减小。
    情况温度:就象不会由于检测到四周温度比力低时就增大变频器掩护电流值.
    海压低度: 海压低度增长, 对散热和绝缘功能都有影响.一样平常1000m以下可以不思索. 以上每1000米降容5%就可以了.
    6. 矢量控制是怎样改进电机的输入转矩才能的?
    *1: 转矩提拔
    此功效增长变频器的输入电压(次要是低频时),以赔偿定子电阻上电压降惹起的输入转矩丧失,从而改进电机的输入转矩。
    $ 改进电机低速输入转矩不敷的技能
    利用矢量控制,可以使电机在低速,如(无速率传感器时)1Hz(对4极电机,其转速约莫为30r/min)时的输入转矩可以到达电机在50Hz供电输入的转矩(最约莫为额外转矩的150%)。
    关于惯例的V/F控制,电机的电压降随着电机速率的低落而绝对增长,这就招致由于励磁不敷,而使电机不克不及取得充足的旋转力。为了赔偿这个不敷,变频器中必要经过进步电压,来赔偿电机速率低落而惹起的电压降。变频器的这个功效叫做转矩提拔(*1)。
    转矩提拔功效是进步变频器的输入电压。但是即便进步许多输入电压,电机转矩并不克不及和其电流绝对应的进步。 由于电机电流包括电机发生的转矩重量和别的重量(如励磁重量)。
    矢量控制把电机的电流值举行分派,从而确定发生转矩的电机电流重量和别的电流重量(如励磁重量)的数值。 
    矢量控制可以经过对电机真个电压降的呼应,举行优化赔偿,在不增长电流的状况下,容许电机产出大的转矩。此功效对改进电机低速时温升也无效。  
    变频器制动的状况
    1: 制动的观点
    指电能从电机侧流到变频器侧(或供电电源侧),这时电机的转速高于同步转速。
    负载的能量分为动能和势能. 动能(由速率和分量确定其巨细)随着物体的活动而累积。当动能减为零时,该事物就处在中止形态。
    机器抱闸安装的办法是用制动安装把物体动能转换为摩擦和能斲丧失。
    关于变频器,假如输入频率低落,电机转速将追随频率异样低落。这时会发生制动历程. 由制动发生的功率将前往到变频器侧。这些功率可以用电阻热斲丧。
    在用于提拔类负载,在降落时, 能量(势能)也要前往到变频器(或电源)侧,举行制动。
    这种操纵办法被称作“再生制动”,而该办法可使用于变频器制动。
    在加速时期,发生的功率假如欠亨过热斲丧的办法斲丧失,而是把能量前往送到变频器电源侧的办法叫做“功率前往再生办法”。在实践中,这种使用必要“能量回馈单位”选件。
    2:怎样进步制动才能?
    为了用散热来斲丧再生功率,必要在变频器侧安置制动电阻。
    为了改进制动才能,不克不及希冀靠增长变频器的容量来办理题目。请选用“制动电阻”、“制动单位”或“功率再生变更器”等选件来改进变频器的制动容量。
    3. 当电机的旋转速率改动时,其输入转矩会怎样?
    变频器驱动时的起动转矩和最大转矩要小于间接用工频电源驱动时的起动转矩和最大转矩。
    九游会常常听到上面的说法:“电机在工频电源供电时,电机的起动和减速打击很大,而当利用变频器供电时,这些打击就要弱一些”。假如用大的电压和频率起动电机,比方利用工频电网间接供电,就会发生一个大的起动打击(大的起动电流 )。而当利用变频器时,变频器的输入电压和频率是渐渐加到电机上的,以是电机发生的转矩要小于工频电网供电的转矩值。以是变频器驱动的电机起动电流要小些。
    通常,电机发生的转矩要随频率的减小(速率低落)而减些 减小的实践数据在有的变频器手册中会给出阐明。
    经过利用磁通矢量控制的变频器,将改进电机低速时转矩的不敷,乃至在低速区电机也可输入充足的转矩。
    当变频器调速到大于额外频率20%时,电机的输入转矩将低落 
    通常的电机是依照额外频率电压设计制造的,其额外转矩也是在这个电压范畴内给出的。因而在额外频率之下的调速称为恒转矩调速. (T=Te, P<=Pe) 变频器输入频率大于额外频率时(如我国的电机大于50Hz),电机发生的转矩要以和频率成正比的线性干系降落。
    当电机以大于额外频率20%速率运转时,电机负载的巨细必需要赐与思索,以避免电机输入转矩的不敷。
    举例,额外频率为50Hz的电机在100Hz时发生的转矩约莫要低落到50Hz时发生转矩的1/2。因而在额外频率之上的调速称为恒功率调速. (P=Ue*Ie)
    择要:
    本文介绍了变频器的事情原理和控制方法,文中遵照实际和实践相联合的准绳,对变频器的事情原理和控制方法作了细致的比拟和剖析。
    变频器控制方法
    高压通用变频输入电压为380~650V,输入功率为0.75~400kW,事情频率为0~400Hz,它的主电路都接纳交—直—交电路。其控制方法履历了以下四代。
    2.1U/f=C的正弦脉宽调制(SPWM)控制方法
    其特点是控制电路布局复杂、本钱较低,机器特征硬度也较好,可以满意一样平常传动的腻滑调速要求,已在财产的各个范畴失掉普遍使用。但,这种控制方法在低频时,由于输入电压较低,转矩受定子电阻压降的影响比力明显,使输入最大转矩减小。别的,其机器特征终究没有直流电念头硬,静态转矩才能和静态调速功能都还不尽善尽美[jìn shàn jìn měi],且体系功能不高、控制曲线会随负载的变革而变革,转矩呼应慢、电机转矩使用率不高,低速时因定子电阻和逆变器去世区效应的存在而功能降落,波动性变差等。因而人们又研讨出矢量控制变频调速。
    2.2电压空间矢量(SVPWM)控制方法
    它因此三相波形全体天生结果为条件,以迫近电机气隙的抱负圆形旋转磁场轨迹为目标,一次天生三相调制波形,以内切多边形迫近圆的方法举行控制的。经理论利用后又有所改良,即引入频率赔偿,能消弭速率控制的偏差;经过反应预算磁链幅值,消弭低速时定子电阻的影响;将输入电压、电流闭环,以进步静态的精度和波动度。但控制电路关键较多,且没有引入转矩的调治,以是体系功能没有失掉基本改进。
    2.3矢量控制(VC)方法
    矢量控制变频调速的做法是将异步电念头在三相坐标系下的定子电流Ia、Ib、Ic、经过三相-二相变更,等效成两相运动坐标系下的交换电流Ia1Ib1,再经过按转子磁场定向旋变化换,等效成同步旋转坐标系下的直流电流Im1、It1(Im1相称于直流电念头的励磁电流;It1相称于与转矩成反比的电枢电流),然后仿照直流电念头的控制办法,求得直流电念头的控制量,颠末响应的坐标反变更,完成对异步电念头的控制。实在质是将交换电念头等效为直流电念头,辨别对速率,磁场两个重量举行独立控制。经过控制转子磁链,然后剖析定子电流而取得转矩和磁场两个重量,经坐标变更,完成正交或解耦控制。矢量控制办法的提出具有划期间的意义。但是在实践使用中,由于转子磁链难以正确观察,体系特征受电念头参数的影响较大,且在等效直流电念头控制历程中所用矢量旋变化换较庞大,使得实践的控制结果难以到达抱负剖析的后果。
    2.4间接转矩控制(DTC)方法
    1985年,德国鲁尔大学的DePenbrock传授初次提出了间接转矩控制变频技能。该技能在很大水平上办理了上述矢量控制的不敷,并以新鲜的控制头脑、简便明白的体系布局、优秀的动态态功能失掉了敏捷开展。现在,该技能已乐成地使用在电力机车牵引的大功率交换传动上。

    间接转矩控制间接在定子坐标系下剖析交换电念头的数学模子,控制电念头的磁链和转矩。它不必要将交换电念头等效为直流电念头,因此省去了矢量旋变化换中的很多庞大盘算;它不必要仿照直流电念头的控制,也不必要为解耦而简化交换电念头的数学模子。
    2.5矩阵式交—交控制方法
    VVVF变频、矢量控制变频、间接转矩控制变频都是交—直—交变频中的一种。其配合缺陷是输出功率因数低,谐波电流大,直流电路必要大的储能电容,再生能量又不克不及反应回电网,即不克不及举行四象限运转。为此,矩阵式交—交变频应运而生。由于矩阵式交—交变频省去了两头直流关键,从而省去了体积大、代价贵的电解电容。它能完成功率因数为l,输出电流为正弦且能四象限运转,体系的功率密度大。该技能现在虽尚未成熟,但仍吸引着浩繁的学者深化研讨。实在质不是直接的控制电流、磁链等量,而是把转矩间接作为被控制量来完成的。详细办法是:

    ——控订定子磁链引入定子磁链观察器,完成无速率传感器方法;

    ——主动辨认(ID)依托准确的电机数学模子,对电机参数主动辨认;

    ——算出实践值对应定子阻抗、互感、磁饱和要素、惯量等算出实践的转矩、定子磁链、转子速率举行及时控制;

    ——完成Band—Band控制按磁链和转矩的Band—Band控制发生PWM信号,对逆变器开关形态举行控制。

    矩阵式交—交变频具有疾速的转矩呼应(<2ms),很高的速率精度(±2%,无PG反应),高转矩精度(<+3%);同时还具有较高的起动转矩及高转矩精度,尤其在低速时(包罗0速率时),可输入150%~200%转矩

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