淺談變頻器如何控制電機(jī)運行

鐘盛龍

一、發(fā)展前景

隨著人們的生活水平逐漸提高，節(jié)能環(huán)保的觀念越來越深入人心。回望過去30年在變頻器上的研發(fā)，總結(jié)我們投入變頻器運用于各行業(yè)的實際運用中，變頻器的性能價錢比越來越高，體積越來越小，很多技術(shù)先進(jìn)的公司一直以進(jìn)步牢靠性為追求完成變頻器，為使其更小型輕量化、高性能化和多功能化以及無公害化而做著新的挑戰(zhàn)。變頻器性能的優(yōu)劣，一要看其輸出交換電壓的諧波對電機(jī)的影響，二要看對電網(wǎng)的諧波凈化和輸出功率因數(shù)，三要看自身的能量損耗（即效力）如何。變頻器是靜止掌握體系中的功率變換器。當(dāng)今的靜止掌握體系是蘊(yùn)含多種學(xué)科的技巧范疇，總的開展趨向是：驅(qū)動的交換化，功率變換器的高頻化，掌握的數(shù)字化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化。因而，變頻器作為體系的主要功率變換部件，供給可控的高性能變壓變頻的交換電源而得到迅猛開展。

二、變頻器控制電機(jī)

（一）變頻器的工作原理

近年來，隨著電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)及大規(guī)模集成電路的發(fā)展，生產(chǎn)工藝的改進(jìn)及功率半導(dǎo)體器件價格的降低，變頻調(diào)速越來越被工業(yè)上所采用。如何選擇性能好的變頻其應(yīng)用到工業(yè)控制中。

1.變頻器的工作原理

交流電動機(jī)的同步轉(zhuǎn)速表達(dá)式位：n=60f（1-s）/p（1）式中n——異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速;f——異步電動機(jī)的頻率;s——電動機(jī)轉(zhuǎn)差率;p——電動機(jī)極對數(shù)。由此可知，轉(zhuǎn)速n與頻率f成正比，只要改變頻率f即可改變電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，當(dāng)頻率f在0～50Hz的范圍內(nèi)變化時，電動機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍非常寬。變頻器就是通過改變電動機(jī)電源頻率實現(xiàn)速度調(diào)節(jié)的，是一種理想的高效率、高性能的調(diào)速手段。

2.變頻器控制方式

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一直一交電路。其控制方式經(jīng)歷了以下幾代：

（1）U/f=C的正弦脈寬調(diào)制（SPWM）控制方式。其特點是控制電路結(jié)構(gòu)簡單、成本較低，機(jī)械特性硬度也較好，能夠滿足一般傳動的平滑調(diào)速要求，已在產(chǎn)業(yè)的各個領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。但是，這種控制方式在低頻時，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。

（2）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;通過反饋估算磁鏈幅值，消除低速時定子電阻的影響;將輸出電壓、電流閉環(huán)，以提高動態(tài)的精度和穩(wěn)定度。

（3）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機(jī)在三相坐標(biāo)系下的定子電流1a、1b、1c、通過三相一二相變換，等效成兩相靜止坐標(biāo)系下的交流電流Ia1Ib1，再通過按轉(zhuǎn)子磁場定向旋轉(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)于直流電動機(jī)的勵磁電流It1相當(dāng)于與轉(zhuǎn)矩成正比的電樞電流），然后模仿直流電動機(jī)的控制方法，求得直流電動機(jī)的控制量，經(jīng)過相應(yīng)的坐標(biāo)反變換，實現(xiàn)對異步電動機(jī)的控制。

（4）直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC）方式。直接轉(zhuǎn)矩控制直接在定子坐標(biāo)系下分析交流電動機(jī)的數(shù)學(xué)模型，控制電動機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩。它不需要將交流電動機(jī)等效為直流電動機(jī)，因而省去了矢量旋轉(zhuǎn)變換中的許多復(fù)雜計算;它不需要模仿直流電動機(jī)的控制，也不需要為解藕而簡化交流電動機(jī)的數(shù)學(xué)模型。

（二）變頻器控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)

1.控制要求

本次目的是了解變頻器外部控制端子的功能，掌握外部運行模式下變頻器的操作方法。要求如下：①正確設(shè)置變頻器輸出的額定頻率、額定電壓、額定電流、額定功率、額定轉(zhuǎn)速。②通過外部端子控制電機(jī)啟動/停止、正轉(zhuǎn)/反轉(zhuǎn)，打開“K1”“K3”電機(jī)正轉(zhuǎn)，打開“K2”電機(jī)反轉(zhuǎn)，關(guān)閉“K2”電機(jī)正轉(zhuǎn);在正轉(zhuǎn)/反轉(zhuǎn)的同時，關(guān)閉“K3”，電機(jī)停止。（亙隨用操作面板改變電機(jī)啟動的點動運行頻率和加減速時間。

2.電路的設(shè)計

變頻器的外部接線如圖2-1所示。

操作步驟：

（1）檢查實訓(xùn)設(shè)備中器材是否齊全。

（2）按照變頻器外部接線圖完成變頻器的接線，認(rèn)真檢查，確保正確無誤。

（3）打開電源開關(guān)，按照參數(shù)功能表正確設(shè)置變頻器參數(shù)

（4）打開開關(guān)“K1”，電機(jī)正轉(zhuǎn)。

（5）關(guān)閉開關(guān)“K1”，打開開關(guān)“K2”，電機(jī)反轉(zhuǎn)。

（6）打開開關(guān)“K3”，電機(jī)停止。

三、設(shè)計總結(jié)

通過此次親身設(shè)計我發(fā)現(xiàn)自己的很多不足，首先就是自己的知識量有限，有很多想設(shè)計的東西卻力不從心，發(fā)現(xiàn)有很多事情遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有開始想象的那么簡單。但整個設(shè)計做下來，還是有很多成就感的。我深深地體會到了遇到困難而一步一步地克服所給我?guī)淼臍g悅。

在設(shè)計過程中，通過查閱各種資料使我對變頻器有了更進(jìn)一步的了解。并且能夠通過變頻器來控制電機(jī)來實現(xiàn)很多種動作，而且它與PLC相結(jié)合起來使用能給電機(jī)帶來更多便利，雖然這是我第一次運用變頻器結(jié)合CPU來控制電機(jī)，但我以為它驚訝，希望在它將來的發(fā)展道路上能為人們該來更多的貢獻(xiàn)！