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技術(shù)資訊

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變頻器控制電機(jī),可以調(diào)到多大的頻率?
發(fā)布時間:2022-10-17      來源:本站原創(chuàng)

   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整理歸納相關(guān)的知識點(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)?

  我們先簡單的了解下這兩個設(shè)備。

  電機(jī)是一個感性負(fù)載,它阻礙電流的變化,在啟動的時候會產(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(開關(guān)電源板、控制電路板)。

  為了降低電動機(jī)的啟動電流,尤其是功率較大的電機(jī),功率越大,啟動電流越大,過大的啟動電流會給供配電網(wǎng)絡(luò)帶來較大的負(fù)擔(dān),而變頻器能夠解決這個啟動問題,讓電機(jī)平滑啟動,而不會引起啟動電流過大。

  使用變頻器的另一個作用就是對電機(jī)進(jìn)行調(diào)速,很多場合需要控制電機(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。

  另外,其機(jī)械特性終究沒有直流電動機(jī)硬,動態(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。但控制電路環(huán)節(jié)較多,且沒有引入轉(zhuǎn)矩的調(diào)節(jié),所以系統(tǒng)性能沒有得到根本改善。

  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機(jī)在三相坐標(biāo)系下的定子電流Ia、Ib、Ic、通過三相-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(shí)現(xiàn)對異步電動機(jī)的控制。

  其實(shí)質(zhì)是將交流電動機(jī)等效為直流電動機(jī),分別對速度,磁場兩個分量進(jìn)行獨(dú)立控制。通過控制轉(zhuǎn)子磁鏈,然后分解定子電流而獲得轉(zhuǎn)矩和磁場兩個分量,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,系統(tǒng)特性受電動機(jī)參數(shù)的影響較大,且在等效直流電動機(jī)控制過程中所用矢量旋轉(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、簡潔明了的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、優(yōu)良的動靜態(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上。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,也不需要為解耦而簡化交流電動機(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實(shí)現(xiàn)的。

  具體方法是:

  控制定子磁鏈引入定子磁鏈觀測器,實(shí)現(xiàn)無速度傳感器方式;

  自動識別(ID)依靠精確的電機(jī)數(shù)學(xué)模型,對電機(jī)參數(shù)自動識別;

  算出實(shí)際值對應(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,對逆變器開關(guān)狀態(tài)進(jìn)行控制。

  變頻器如何控制電機(jī)?兩者如何接線?

  變頻器控制電機(jī)的接線較為簡單,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)置就有說道了,控制變頻器的方式也多為不同。

  首先我們來看一下變頻器的接線端子,雖然說品牌較多,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)的開關(guān)量輸入,用來控制電機(jī)多的啟動正反轉(zhuǎn)。反饋端子,用來反饋電機(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。

  通過物理接線方式來控制的,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,可以通過這個通訊線就控制電機(jī)的啟動停止,正反轉(zhuǎn),調(diào)節(jié)速度等,同時反饋信息也通過通訊進(jìn)行傳送。

  當(dāng)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度(頻率)改變時,其輸出轉(zhuǎn)矩會怎樣?

  變頻器驅(qū)動時的起動轉(zhuǎn)矩和最大轉(zhuǎn)矩要小于直接用工頻電源驅(qū)動。

  電機(jī)在工頻電源供電時起動和加速沖擊很大,而當(dāng)使用變頻器供電時,這些沖擊就要弱一些。工頻直接起動會產(chǎn)生一個大的起動起動電流。而當(dāng)使用變頻器時,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)矩要隨頻率的減小(速度降低)而減小。減小的實(shí)際數(shù)據(jù)在有的變頻器手冊中會給出說明。

  通過使用磁通矢量控制的變頻器,將改善電機(jī)低速時轉(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,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)計制造的,其額定轉(zhuǎn)矩也是在這個電壓范圍內(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,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,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時產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩大約要降低到50Hz時產(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,對一個特定的電機(jī)來說,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,變頻器的輸出電壓為380V,電流為30A。這時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)矩會相應(yīng)減小。

  我們還可以再換一個角度來看:

  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)

  可以看出,U,I不變時,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,X會相應(yīng)減小

  對于電機(jī)來說T=K*I*X(K:常數(shù);I:電流;X:磁通),因此轉(zhuǎn)矩T會跟著磁通X減小而減小

  同時,小于50Hz時,由于I*R很小,所以U/f=E/f不變時,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流能力來描述其過載(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,電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩會減小

  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。

  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)起來無外乎這兩點(diǎn):一是變頻器控制電機(jī)的啟動電壓,頻率;達(dá)到平滑啟動平滑停止;二是利用變頻器調(diào)節(jié)電機(jī)的速度,通過改變頻率進(jìn)行電機(jī)的調(diào)速。

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