变频调速系统概述.docx

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1、变频调速系统概述 经典摘 要20 世纪 90 年月以来，机电传动掌握领域面貌焕然一。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，沟通电动机矢量掌握系统、鼠笼式 异步电动机直接转矩掌握系统等，在工业生产的各个领域中都得到了广泛的应用，掩盖了机 电传动调速掌握的各个方面。沟通调速技术的应用为工农业生产及节约电能方面带来了巨大 的经济和社会效益。现在，沟通调速系统已在逐步地全面取代直流调速系统。目前在沟通调 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。 现代沟通调速系统由沟通电动机、电力电子功率变换器、掌握器和电

2、量检 测器等四大局部组成。电力电子功率变换器与掌握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整的速度进展旋转的运动系统。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，依据频率掌握方式的不同，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。

3、以下图是由交-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掌握变频装置的逆变器换流，从而转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掌握，故称为自控式变频调速系统。异步电动机调速系统： 1.恒压频比掌握沟通调速系统 对于鼠笼式异步电动机的变压变频调速，必需同时转变供电电源的电压和频率。现有的沟通供电电源都是恒压恒频的，必需通过变频装置即 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

4、。依据电机的磁通：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。假设电压肯定而只是降低频率，那么磁通就会过大，磁路饱和，严峻时将烧毁电机，反之则磁通达不到额定值。因此，频率和电压要成比例的转变，是电动机的磁通保持肯定，避 免弱磁和磁饱和现象的产生。 2.转差频率掌握变频器调速系统 转差频率掌握方式是对 U/f 掌握恒压频比掌握沟通调速系统的改进。在承受这种掌握方式的变频器中，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掌握电路得到，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，从而到达在进展调速掌握的同时掌握电动机输 出转

5、矩的目的。3. 矢量变换掌握沟通变频调速系统矢量掌握Vector Control，简称 VC又称磁场定向掌握Field Oriented Control，是在 20世纪 70 年月初由美国学者和德国学者各自提出的。矢量掌握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沟通电流 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、iT1iM1 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 后仿照直流电动机的掌握方法，球的直流电动机的掌握量，经过相应的坐标反变换，实现对 异

6、步电动机的掌握。其实质是将沟通电动机等效为直流电动机，分别对速度、磁场两个重量 进展独立掌握。通过掌握转子磁链，然后分解定子电流而获得转矩和磁场两个重量，经坐标 变换，实现正交或解耦掌握。 优点是转矩可以连续平滑调整，调速范围宽。 4.直接转矩掌握系统Direct Torque Control，简称 DTC 系统直接转矩掌握Direct Torque ControlDTC，这种“直接自掌握”的思想以转矩为中心来进展综合掌握，不仅掌握转矩，也用于磁链量的控 制和磁链自掌握。直接转矩掌握与矢量掌握的区分是，它不是通过掌握电流、磁链等量间接 掌握转矩，而是把转矩直接作为被控量掌握，其实质是用空间矢量

7、的分析方法，以定子磁场 定向方式，对定子磁链和电磁转矩进展直接掌握的。这种方法不需要简单的坐标变换，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、比照 V/f 恒定、速度开环掌握的通用变频调速系统和滑差频率速度闭环掌握系统，根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 掌握方式有三点缺乏之处： 一、这种掌握方式很难依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缺乏， 当

8、负载过轻时又可能造成过补偿，造成磁路饱和。这都可能引起变频器过电流跳闸。 二、U/f 掌握方式无法准确掌握沟通电机的实际转速。由于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 掌握方式在转速很低时，转矩缺乏。基频向下调速，期望保持磁通不变。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/fU/f的比值不变， 就可以保证磁通不变。基频向上调速时候，由于电压不能再升了，所以可以看成弱磁调速。矢量

9、掌握的根本点是掌握转子磁链，以转子磁通定向，然后分解定子电流，使之成为转矩 和磁场两个重量，经过坐标变换实现正交或解耦掌握。但是，由于转子磁链难以准确观测， 以及矢量变换的简单性，使得实际掌握效果往往难以到达理论分析的效果，这是矢量掌握技 术在实践上的缺乏。此外它必需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 电流解耦掌握，在这种矢量掌握系统中需要配留转子位置或速度传感器，这明显给很多应用 场合带来不便。直接转矩掌握，要依靠于准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

10、，然后依据准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，并由磁链和转矩 的 BandBand 掌握产生 PWM 信号对逆变器的开关状态进展掌握。这种系统可以实现很快的转矩响应速度和很高的速度、转矩掌握精度. 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掌握过程中所用矢量旋转变 换较简单，使得实际的掌握效果难以到达抱负分析的结果。四、变频器的分类及应用范围 变频器的分类 1.依据主电路工作方式分类： 电压型变频器、电流型变频器 2.依据开关方式分类： PAMPluse Amplitude Modulation，脉冲幅值调制掌握变频器

11、、PWMPluse Width Modulation，脉冲宽度调制掌握变频器、高载频 PWM 掌握变频器 3.按工作原理分类： V/f 掌握变频器、转差频率掌握变频器、矢量掌握变频器等 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 沟通电动机调速掌握时，除了应选择适宜的变频器类型，使其调速范围、调速精度等主要技术性能指标必需满足要求外，变频器的容量选择及与使用有关的 一些事项的合理运用，也是电动机调速掌握装置安全牢靠运行的重要前提。 选择变频器容量的根本依据： 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： P

12、CNkPNcosI CNkIN 变频器容量通常以适用电动机容量kW、输出容量kVA、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：依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

13、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，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，应考虑到这种状况，适当留有余量，以防止温升过高，影响电动机的使用寿命。变频器假设要长电缆运行时，此时应当实行措施抑制长电缆对地耦合电容的影响，避开变频 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。 当变频器用于掌握并联的几台电机时，肯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。假设超过规定值，要放大一档或两档来选择变频器。另外在此种状况下，变频器的掌握方式只能为 V/F 掌握方式，并

14、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。 对于一些特别的应用场合，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状况下，假设依据电动机的额定 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 解工频运行状况，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，由于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。 当变频器掌握罗茨风机或特种风机时，由

15、于其起动电流很大，所以选择变频器时肯定要留意变频器的容量是否足够大。 选择变频器时，肯定要留意其防护等级是否与现场的状况相匹配。否则现场的灰尘、水汽会影响变频 器的长期运行。六、变频器争论现状 全数字化掌握系统 随着计算机技术的进展，无论是生产还是生活当中，人民对数字化信息的依靠程度越来越高。为了使沟通调速系统与信息系统严密 结合，同时也为了提高沟通调速系统自身的性能，必需使沟通调速系统实现全数字化掌握。由于沟通电机掌握理论不断进展，掌握策略和掌握算法也日益简单。扩展卡尔曼滤波、FFT、 状态观测器、自适应掌握、人工神经网络等等均应用到了各种沟通电机的矢量掌握或直接转 矩掌握当中。因此，DSP

16、芯片在全数字化的高性能沟通调速系统中找到施展身手的舞台。如 TI公司的MCS320F240等DSP芯片，以其较高的性能价格比成为了全数字化沟通调速系统的首 选。在沟通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总线等在沟通调速系统的自动化应用领域起到了重要的作用。 PWM 技术 PWM掌握是沟通调速系统的掌握核心，任何掌握算法的最终实现几乎都是以各种PWM掌握方式完成的。目前已经提出并得到实际应用的PWM掌握方案就不下十几种。尤其是微处理器应用于PWM技术并使之数字化以后，把戏是不断翻，从最初追求电压波形的正弦，到电流波形的正弦，再到磁

17、通的正弦；从效率最优， 转矩脉动最少，再到消退噪音等，PWM掌握技术的进展经受了一个不断创和不断完善的 过程。到目前为止，还有的方案不断提出，进一步证明这项技术的争论方兴未艾。 其中，空间矢量 PWM 技术以其电压利用率高、掌握算法简洁、电流谐波小等特点在沟通调速系统中得到了越来越多的应用高压大容量沟通调速系统 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，高压大功率沟通调速系统无法进展大规模的批量生产。 目前，争论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 双馈沟通变频调速系统。 高性能沟通调速系统 V/f恒定、速

18、度开环掌握的通用变频调速系统和滑差频率速度闭环掌握系统，根本上解决了异步电机平滑调速的问题。然而，系 统在稳定性、起动及低速时转矩动态响应等方面的性能尚不能令人满足。 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掌握电磁转矩， 但假设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重量与转矩电流重量变成标量独立开来，进展分别掌握。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 样进展快速的转矩和磁通掌握即矢量掌握。 和矢量掌握不同，直接转矩掌握屏弃了解耦的思想，取

19、消了旋转坐标变换，简洁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，并依据与给定值比较所得差值，实现磁链和转矩的直接掌握。 尽管矢量掌握与直接转矩掌握使沟通调速系统的性能有了较大的提高，但是还有很多领域有待 争论：磁通的准确估量或观测 无速度传感器的掌握方法 电机参数的在线辨识 极低转速包括零速下的电机掌握 电压重构与死区补偿策略 多电平逆变器的高性能掌握策略随着电力电子器件制造技术的进展和型电路变换器的不断消灭，现代掌握理论向沟通调速 领域的渗透，特别是微型计算机及大规模集成电路的进展，沟通电动机调速技术正向高频化、数字化和智能化方向进展。尤其是智能掌握方式，在变频器的掌握中承受智能掌握方式在具 体的应用中已经有了一些成功的范例，为变频器的掌握方式又增加了的亮点。如：神经网 络掌握、模糊掌握、专家系统、学习掌握等。参考文献： 1邓星钟. 机电传动掌握第四版.武汉：华中科技大学出版社，2023. 2李练兵，岳大为，申莉莉. 变频器应用实践，北京：化学工业出版社，2023. 3 刘玉敏，王菁华. 变频器应用问答，北京：化学工业出版社，2023.