淺析變頻器控制電機轉速的原理

變頻器主要由整流（交流變直流）、濾波、再次整流（直流變交流）、制動單元、驅動單元、檢測單元微處理單元等組成的。 
1. 電機的旋轉速度為什么能夠自由地改變？ 
*1: r/min 
電機旋轉速度單位：每分鐘旋轉次數，也可表示為rpm. 
例如：2極電機 50Hz 3000 [r/min] 
4極電機 50Hz 1500 [r/min] 
結論：電機的旋轉速度同頻率成比例 
本文中所指的電機為感應式交流電機，在工業(yè)中所使用的大部分電機均為此類型電機。感應式交流電機（以后簡稱為電機）的旋轉速度近似地確決于電機的極數和頻率。由電機的工作原理決定電機的極數是固定不變的。由于該極數值不是一個連續(xù)的數值（為2的倍數，例如極數為2，4，6），所以一般不適和通過改變該值來調整電機的速度。 
另外，頻率能夠在電機的外面調節(jié)后再供給電機，這樣電機的旋轉速度就可以被自由的控制。 
因此，以控制頻率為目的的變頻器，是做為電機調速設備的優(yōu)選設備。 
n = 60f/p 
n: 同步速度 
f: 電源頻率 
p: 電機極對數 
結論：改變頻率和電壓是*的電機控制方法 
如果僅改變頻率而不改變電壓，頻率降低時會使電機出于過電壓（過勵磁），導致電機可能被燒壞。因此變頻器在改變頻率的同時必須要同時改變電壓。輸出頻率在額定頻率以上時，電壓卻不可以繼續(xù)增加，98%高只能是等于電機的額定電壓。 
例如：為了使電機的旋轉速度減半，把變頻器的輸出頻率從50Hz改變到25Hz，這時變頻器的輸出電壓就需要從400V改變到約200V 
2. 當電機的旋轉速度（頻率）改變時，其輸出轉矩會怎樣？ 
*1: 工頻電源 
由電網提供的動力電源（商用電源） 
*2: 起動電流 
當電機開始運轉時，變頻器的輸出電流 
變頻器驅動時的起動轉矩和98%大轉矩要小于直接用工頻電源驅動 
電機在工頻電源供電時起動和加速沖擊很大，而當使用變頻器供電時，這些沖擊就要弱一些。工頻直接起動會產生一個大的起動起動電流。而當使用變頻器時，變頻器的輸出電壓和頻率是逐漸加到電機上的，所以電機起動電流和沖擊要小些。 
通常，電機產生的轉矩要隨頻率的減小（速度降低）而減小。減小的實際數據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，將改善電機低速時轉矩的不足，甚至在低速區(qū)電機也可輸出足夠的轉矩。 
3. 當變頻器調速到大于50Hz頻率時，電機的輸出轉矩將降低 
通常的電機是按50Hz電壓設計制造的，其額定轉矩也是在這個電壓范圍內給出的。因此在額定頻率之下的調速稱為恒轉矩調速. (T=Te, P<=Pe) 
變頻器輸出頻率大于50Hz頻率時，電機產生的轉矩要以和頻率成反比的線性關系下降。 
當電機以大于50Hz頻率速度運行時，電機負載的大小必須要給予考慮，以防止電機輸出轉矩的不足。 
舉例，電機在100Hz時產生的轉矩大約要降低到50Hz時產生轉矩的1/2。 
因此在額定頻率之上的調速稱為恒功率調速. (P=Ue*Ie) 
4. 變頻器50Hz以上的應用情況 
大家知道, 對一個特定的電機來說, 其額定電壓和額定電流是不變的。 
如變頻器和電機額定值都是: 15kW/380V/30A, 電機可以工作在50Hz以上。 
當轉速為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98%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速. 
這時的轉矩情況怎樣呢? 
因為P=wT (w:角速度, T:轉矩). 因為P不變, w增加了, 所以轉矩會相應減小。 
我們還可以再換一個角度來看: 
電機的定子電壓 U = E + I*R (I為電流, R為電子電阻, E為感應電勢) 
可以看出, U,I不變時, E也不變. 
而E = k*f*X, (k:常數, f: 頻率, X:磁通), 所以當f由50-->60Hz時, X會相應減小 
對于電機來說, T=K*I*X, (K:常數, I:電流, X:磁通), 因此轉矩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. 轉矩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(轉矩)能力. 并稱為恒轉矩調速(額定電流不變-->98%大轉矩不變)  
結論: 當變頻器輸出頻率從50Hz以上增加時, 電機的輸出轉矩會減小. 
5. 其他和輸出轉矩有關的因素 
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矩能力。 
載波頻率: 一般變頻器所標的額定電流都是以98%高載波頻率, 98%高環(huán)境溫度下能保證持續(xù)輸出的數值. 降低載波頻率, 電機的電流不會受到影響。但元器件的發(fā)熱會減小。 
環(huán)境溫度：就象不會因為檢測到周圍溫度比較低時就增大變頻器保護電流值. 
海拔高度: 海拔高度增加, 對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. 
6. 矢量控制是怎樣改善電機的輸出轉矩能力的？ 
*1: 轉矩提升 
此功能增加變頻器的輸出電壓（主要是低頻時），以補償定子電阻上電壓降引起的輸出轉矩損失，從而改善電機的輸出轉矩。 
$ 改善電機低速輸出轉矩不足的技術 
使用矢量控制，可以使電機在低速,如(無速度傳感器時)1Hz（對4極電機，其轉速大約為30r/min）時的輸出轉矩可以達到電機在50Hz供電輸出的轉矩（98%大約為額定轉矩的150％）。 
對于常規(guī)的V/F控制，電機的電壓降隨著電機速度的降低而相對增加，這就導致由于勵磁不足，而使電機不能獲得足夠的旋轉力。為了補償這個不足，變頻器中需要通過提高電壓，來補償電機速度降低而引起的電壓降。變頻器的這個功能叫做轉矩提升（*1）。 
轉矩提升功能是提高變頻器的輸出電壓。然而即使提高很多輸出電壓，電機轉矩并不能和其電流相對應的提高。 因為電機電流包含電機產生的轉矩分量和其它分量（如勵磁分量）。 
矢量控制把電機的電流值進行分配，從而確定產生轉矩的電機電流分量和其它電流分量（如勵磁分量）的數值。  
矢量控制可以通過對電機端的電壓降的響應，進行優(yōu)化補償，在不增加電流的情況下，允許電機產出大的轉矩。此功能對改善電機低速時溫升也有效。   
變頻器制動的情況 
1: 制動的概念 
指電能從電機側流到變頻器側（或供電電源側）,這時電機的轉速高于同步轉速。 
負載的能量分為動能和勢能. 動能(由速度和重量確定其大?。╇S著物體的運動而累積。當動能減為零時，該事物就處在停止狀態(tài)。 
機械抱閘裝置的方法是用制動裝置把物體動能轉換為摩擦和能消耗掉。 
對于變頻器，如果輸出頻率降低，電機轉速將跟隨頻率同樣降低。這時會產生制動過程. 由制動產生的功率將返回到變頻器側。這些功率可以用電阻發(fā)熱消耗。 
在用于提升類負載,在下降時, 能量(勢能)也要返回到變頻器(或電源)側,進行制動。 
這種操作方法被稱作“再生制動”，而該方法可應用于變頻器制動。 
在減速期間，產生的功率如果不通過熱消耗的方法消耗掉，而是把能量返回送到變頻器電源側的方法叫做“功率返回再生方法”。在實際中，這種應用需要“能量回饋單元”選件。 
2：怎樣提高制動能力？
為了用散熱來消耗再生功率，需要在變頻器側安裝制動電阻。 
為了改善制動能力，不能期望靠增加變頻器的容量來解決問題。請選用“制動電阻”、“制動單元”或“功率再生變換器”等選件來改善變頻器的制動容量。 
3. 當電機的旋轉速度改變時，其輸出轉矩會怎樣？ 
變頻器驅動時的起動轉矩和98%大轉矩要小于直接用工頻電源驅動時的起動轉矩和98%大轉矩。 
我們經常聽到下面的說法：“電機在工頻電源供電時，電機的起動和加速沖擊很大，而當使用變頻器供電時，這些沖擊就要弱一些”。如果用大的電壓和頻率起動電機，例如使用工頻電網直接供電，就會產生一個大的起動沖擊（大的起動電流 ）。而當使用變頻器時，變頻器的輸出電壓和頻率是逐漸加到電機上的，所以電機產生的轉矩要小于工頻電網供電的轉矩值。所以變頻器驅動的電機起動電流要小些。 
通常，電機產生的轉矩要隨頻率的減?。ㄋ俣冉档停┒鴾p些 減小的實際數據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，將改善電機低速時轉矩的不足，甚至在低速區(qū)電機也可輸出足夠的轉矩。 
當變頻器調速到大于額定頻率20％時，電機的輸出轉矩將降低 
通常的電機是按照額定頻率電壓設計制造的，其額定轉矩也是在這個電壓范圍內給出的。因此在額定頻率之下的調速稱為恒轉矩調速. (T=Te, P<=Pe) 變頻器輸出頻率大于額定頻率時（如我國的電機大于50Hz），電機產生的轉矩要以和頻率成反比的線性關系下降。 
當電機以大于額定頻率20％速度運行時，電機負載的大小必須要給予考慮，以防止電機輸出轉矩的不足。 
舉例，額定頻率為50Hz的電機在100Hz時產生的轉矩大約要降低到50Hz時產生轉矩的1/2。因此在額定頻率之上的調速稱為恒功率調速. (P=Ue*Ie) 
摘要： 
本文介紹了變頻器的工作原理和控制方式，文中遵循理論和實際相結合的原則，對變頻器的工作原理和控制方式作了詳細的對比和分析。 
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—直—交電路。其控制方式經歷了以下四代。 
2.1U/f=C的正弦脈寬調制（SPWM）控制方式 
其特點是控制電路結構簡單、成本較低，機械特性硬度也較好，能夠滿足一般傳動的平滑調速要求，已在產業(yè)的各個領域得到廣泛應用。但是，這種控制方式在低頻時，由于輸出電壓較低，轉矩受定子電阻壓降的影響比較顯著，使輸出98%大轉矩減小。另外，其機械特性終究沒有直流電動機硬，動態(tài)轉矩能力和靜態(tài)調速性能都還不盡如人意，且系統(tǒng)性能不高、控制曲線會隨負載的變化而變化，轉矩響應慢、電機轉矩利用率不高，低速時因定子電阻和逆變器死區(qū)效應的存在而性能下降，穩(wěn)定性變差等。因此人們又研究出矢量控制變頻調速。 
2.2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，以逼近電機氣隙的理想圓形旋轉磁場軌跡為目的，一次生成三相調制波形，以內切多邊形逼近圓的方式進行控制的。經實踐使用后又有所改進，即引入頻率補償，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，且沒有引入轉矩的調節(jié)，所以系統(tǒng)性能沒有得到*。 
2.3矢量控制（VC）方式 
矢量控制變頻調速的做法是將異步電動機在三相坐標系下的定子電流Ia、Ib、Ic、通過三相－二相變換，等效成兩相靜止坐標系下的交流電流Ia1Ib1，再通過按轉子磁場定向旋轉變換，等效成同步旋轉坐標系下的直流電流Im1、It1（Im1相當于直流電動機的勵磁電流；It1相當于與轉矩成正比的電樞電流），然后模仿直流電動機的控制方法，求得直流電動機的控制量，經過相應的坐標反變換，實現(xiàn)對異步電動機的控制。其實質是將交流電動機等效為直流電動機，分別對速度，磁場兩個分量進行獨立控制。通過控制轉子磁鏈，然后分解定子電流而獲得轉矩和磁場兩個分量，經坐標變換，實現(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。然而在實際應用中，由于轉子磁鏈難以準確觀測，系統(tǒng)特性受電動機參數的影響較大，且在等效直流電動機控制過程中所用矢量旋轉變換較復雜，使得實際的控制效果難以達到理想分析的結果。 
2.4直接轉矩控制（DTC）方式 
1985年，德國魯爾大學的DePenbrock教授提出了直接轉矩控制變頻技術。該技術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)結構、優(yōu)良的動靜態(tài)性能得到了迅速發(fā)展。目前，該技術已成功地應用在電力機車牽引的大功率交流傳動上。 

直接轉矩控制直接在定子坐標系下分析交流電動機的數學模型，控制電動機的磁鏈和轉矩。它不需要將交流電動機等效為直流電動機，因而省去了矢量旋轉變換中的許多復雜計算；它不需要模仿直流電動機的控制，也不需要為解耦而簡化交流電動機的數學模型。 
2.5矩陣式交—交控制方式 
VVVF變頻、矢量控制變頻、直接轉矩控制變頻都是交—直—交變頻中的一種。其共同缺點是輸入功率因數低，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，即不能進行四象限運行。為此，矩陣式交—交變頻應運而生。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。它能實現(xiàn)功率因數為l，輸入電流為正弦且能四象限運行，系統(tǒng)的功率密度大。該技術目前雖尚未成熟，但仍吸引著眾多的學者深入研究。其實質不是間接的控制電流、磁鏈等量，而是把轉矩直接作為被控制量來實現(xiàn)的。具體方法是： 

——控制定子磁鏈引入定子磁鏈觀測器，實現(xiàn)無速度傳感器方式； 

——自動識別（ID）依靠的電機數學模型，對電機參數自動識別； 

——算出實際值對應定子阻抗、互感、磁飽和因素、慣量等算出實際的轉矩、定子磁鏈、轉子速度進行實時控制； 

——實現(xiàn)Band—Band控制按磁鏈和轉矩的Band—Band控制產生PWM信號，對逆變器開關狀態(tài)進行控制。 

矩陣式交—交變頻具有快速的轉矩響應（<2ms），很高的速度精度（±2％，無PG反饋），高轉矩精度（<＋3％）；同時還具有較高的起動轉矩及高轉矩精度，尤其在低速時（包括0速度時），可輸出150％～200％轉矩。