丹佛斯变频器的基本控制模式

第三章　变频器的基本控制模式变频器的控制模式是指变频器在工作时，输出频率和输出电压之间的关系。

控制模式不同，变频器的控制精度和快速性也就不同。

电动机在工频运行时，因为频率和电压是固定的，电动机的参数是按固定的频率电压设计的，当频率变化时，就要考虑电磁参数必须保持在某一确定的值。

变频器常用的三种控制模式为：基本Ｕ／ｆ控制、矢量控制和直接转矩控制。

一、基本Ｕ／ｆ控制基本Ｕ／ｆ控制是根据电动机的电磁特性采取的控制模式，即输出频率变化时，输出电压也成比例的变化，Ｕ／ｆ＝Ｃ（常数）。

恒压频比控制是变频器控制的基础，其他控制也是建立在该控制基础上的。

基本Ｕ／ｆ控制一般用于变频器的开环控制，如图３ １所示。

图３ １　基本Ｕ／ｆ控制（一）Ｕ／ｆ控制理论依据给三相异步电动机的定子绕组加上电源电压Ｕ１后，绕组中便产生感应电动势Ｅ１（见图图３ ２　感应电动势的产生３ ２），根据电动机理论，Ｅ１的表达式为Ｅ１＝４ ４４Ｋ１Ｎ１ｆ１Φｍ式中　Ｅ１———定子绕组的感应电动势有效值；Ｋ１———定子绕组的绕组系数，Ｋ１＜１，为常数；Ｎ１———定子每相绕组的匝数，为常数；ｆ１———定子绕组感应电动势的频率，即电源的频率；Φｍ———旋转磁场的主磁通，大小和定子空载电流成正比，为了保证电动机工作在磁通的最佳值，Φｍ也为常数。

图３ ３所示是电动机的铁心磁饱和曲线，由图３ ３可见，在ａ点为特性线的最佳点，当大于ａ点，进入饱和区，当电动机调频工作时，要保持ａ点不变。

当电动机工作时，Ｉ１增加，Ｉ２增加，产生的磁通大小相等，方向相反，相互抵消，即工作时主磁通是不变的，仍然保持在空载电流的设定值（见图３ ４）。

图３ ３　电动机铁心磁饱和曲线图３ ４　主磁通不变将上述常数带入公式，有Ｅ１＝ｆ１Ｃ，由于ΔＵ很小，当Ｕ１较高时，ΔＵ可忽略，有：Ｕ１≈Ｅ１＝ｆ１Ｃ上式可改写为Ｕ１／ｆ１＝Ｃ（常数）Ｕ１上升，ｆ１上升；Ｕ１下降，ｆ１下降。

即Ｕ１／ｆ１＝常数，这就是变频器的基本Ｕ／ｆ控制模式。

该控制线是任何控制模式都要遵守的。

Ｕ／ｆ控制电路结构简单、成本较低，机械特性硬度也较好，能够满足一般传动的平滑调速要求，已在各产业的各个领域得到广泛应用。

这种控制方式在低频时，由于输出电压较低，转矩受定子电阻压降的影响比较显著，使输出最大转矩减小。

其机械特性终究没有直流电动机机械特性硬度好，动态转矩能力和静态调速性能都还不尽如人意，且系统性能不高，控制曲线会随负载的变化而变化，转矩响应慢，电动机转矩利用率不高，低速时因定子电阻和逆变器死区效应的存在而性能下降，稳定性变差。

应用范围：可以满足大部分对调速响应动态性能要求不高的场合，如风机、水泵负载。

（二）基频以下变频调速基频以下恒磁通变频调速我国电网５０Ｈｚ交流电称为基频，在０～５０Ｈｚ范围调速时，称为基频以下调速。

０～图３ ５　０～５０Ｈｚ范围调速５０Ｈｚ范围调速如图３ ５所示。

特点：１）基频以下调速时转速变化转矩不变，具有恒转矩特性。

２）随着转速的下降，电动机输出功率下降。

３）当转速较低时，具有节能作用。

４）起动转矩小。

当ｆ１较低时，Ｕ１亦较低，电阻Ｒ１上的电压ΔＵ已不可忽略，它使定子电流下降，从而使Φｍ减小，这将引起低速时的输出转矩减小（见图３ ６）。

转矩补偿：为补偿低速时转矩不足，在低频时提升定子电压Ｕ１，补偿曲线如图３ ７中曲线“２”。

所有Ｕ／ｆ变频器都有低频转矩补偿功能。

·２２·丹佛斯变频器控制技术图３ ６　低速时输出转矩减小图３ ７　转矩补偿（三）基频以上变频调速当电动机工作在基频（额定频率）以上时，由于电动机不能超过额定电压运行，所以频率在额定值以上升高时，定子电压不变，保持在额定值。

Φｍ随着ｆ１的升高而下降，电动机的转矩亦随着频率的升高而下降。

因为电动机输出功率为Ｐ＝ｎＴ转速升高，转矩下降，乘积不变，即基频以上的变频调速属于“恒功率”调速。

恒功率调速曲线如图３ ８所示。

图３ ８　恒功率调速曲线（四）基频以上调速应用１ 满足高速设备的需要如内圆磨床的磨头电动机，转速在每分钟上万转，可采用变频高速电动机驱动，简化传动环节。

２ 满足恒功率设备的需要即设备需要调速，又需要电动机输出恒功率。

超频恒功率工作原理是：电动机采用超频调速工作，输出恒功率；通过降速器，使负载得到应有的可调转速，从而不加大电动机和变频器的功率。

（五）低频时临界转矩减小的原因与对策１ 变频运行时的数据举例低频时临界转矩减频运行时小的原因如图３ ９所示。

Ｕ１＋ΔＵ图３ ９　低频时临界转矩减频运行时小的原因ａ）运行频率为５０Ｈｚ　ｂ）运行频率为２５Ｈｚ　ｃ）运行频率为１０Ｈｚ图３ １０　电压补偿的原理ａ）电压补偿的含义　ｂ）２５Ｈｚ时的补偿量　ｃ）１０Ｈｚ时的补偿量（六）负载变化的影响负载变化时，电动机的电流及其阻抗压降也随之变化，所以当负载变化时所需要的电压补偿量也应该跟着改变。

但变频器的Ｕ／ｆ线是一次选定的，就是说当Ｕ／ｆ线选定后，在某一频率下的电压补偿量Δｕ就确定了。

如在满载时得到恰好的补偿（如图３ １１ｂ），在轻载时就会发生磁通相对值增大，磁化曲线进入深度饱和段（如图３ １１ｃ），励磁电流产生巨大的尖峰波。

图３ １１　负载变化（减轻）对磁通的影响ａ）负载率减轻至２０％　ｂ）正常时的励磁电流　ｃ）饱和时的励磁电流·４２·丹佛斯变频器控制技术（七）Ｕ／ｆ线的选择与调整１ 调整Ｕ／ｆ线的实质基本频率基本频率的大小是和变频器的输出电压相对应的。

有两种定义方法：１）和变频器的最大输出电压对应的频率（见图３ １２）。

２）当变频器的输出电压等于额定电压时的最小输出频率。

基本频率用ｆＢＡ表示，在绝大多数情况下，基本频率都和电动机的额定频率相等。

图３ １２　基本频率的定义ａ）基本Ｕ／ｆ线　ｂ）变频器的对应关系　ｃ）电动机的对应关系２ 基本频率的调整实例一台２２０Ｖ的电动机配３８０Ｖ变频器，进口电动机的额定电压常常是三相２２０Ｖ，而我国低压电网的电压都是三相３８０Ｖ，两者之间能否配用呢？可以通过提高基本频率的方法来解决。

如图３ １３所示，当把基本频率预置为８７Ｈｚ时，则与８７Ｈｚ对应的电压是３８０Ｖ，而５０Ｈｚ对应的电压是２２０Ｖ，应用此方法时，电动机的工作频率可以上升至８７Ｈｚ，从而增大了电动机的输出功率，但应注意由于变频器输出电压的脉动幅度仍高达５１３Ｖ左右，因此所用电动机的槽绝缘必须和３８０Ｖ电动机一样才行。

图３ １３　２２０Ｖ电动机配３８０Ｖ变频器ａ）对基本频率的设定　ｂ）变频器与电动机的对应关系（八）２７０Ｖ、７０Ｈｚ电动机配３８０Ｖ变频器一台电动机的额定数据是７０Ｈｚ、２７０Ｖ。

首先在Ｕ／ｆ坐标内找到与（７０Ｈｚ、２７０Ｖ）对应的点（见图３ １４ａ），找出３８０Ｖ对应的频率为９８Ｈｚ，将基本频率预置为９８Ｈｚ即可。

·５２·第三章　变频器的基本控制模式图３ １４　２７０Ｖ、７０Ｈｚ电动机配３８０Ｖ变频器ａ）对基本频率的设定　ｂ）变频器与电动机的对应关系（九）转矩提升的预置要点实际调试时，Ｕ／ｆ比例由小逐渐加大，每加大一档，首先看能否带得动负载，即使能带动负载，还应观察空载时会不会跳闸，一直到低频运行时，即能带动重负载，又不会空载跳闸为止。

１ 低频重载时如带式输送机，如图３ １５所示，是运送煤炭或石料的传输带，其工作特点是：１）其负载轻重与转速无关，属于恒转矩负载，机械特性如图３ １５ｂ所示。

２）在运行过程中，因为传输带上的物料多少是不恒定的，所以其负载轻重常有变化。

对于这类负载，必须考虑在物料最多的情况下，低频时也能带动负载。

因此，应该选择具有一定补偿量的Ｕ／ｆ曲线，如图３ １５ｃ所示。

当工作频率为ｆｘ１时，在不进行补偿时，变频器的输出电压为ＵＸ１。

这时电动机在负载较重时，有可能带不动。

如Ｕ／ｆ曲线选择了曲线②，则当工作频率为ｆｘ１时，变频器的输出电压增加为ＵＸ２，使电动机的有效转矩足以克服负载的阻转矩。

图３ １５　带式输送机的Ｕ／ｆ曲线ａ）负载示意图　ｂ）负载机械特性　ｃ）Ｕ／ｆ曲线的选择２ 低频轻载时风机属于二次方律负载，其机械特性如图３ １６ａ所示，在低转速运行时，负载的阻转矩·６２·丹佛斯变频器控制技术很小。

如Ｑ１点，在这种情况下，即使不进行电压补偿，电动机的有效转矩也比负载转矩大得多。

为此，变频器专门设置了若干根“负补偿线”。

就是说，在低频时，电压非但不加大，相反地还应该适当减小，如图３ １６ｂ中曲线②。

当工作频率为ｆｘ１时，变频器的输出电压减小为Ｕｘ１，使电动机的有效转矩接近于负载转矩。

图３ １６　风机的Ｕ／ｆ曲线ａ）风机的机械特性　ｂ）Ｕ／ｆ曲线的选择二、矢量控制矢量控制就是用模拟直流电动机的方法对交流电动机进行控制的一种控制模式。

矢量控制实现的基本原理是通过测量和控制异步电动机定子电流矢量，根据磁场定向原理分别对异步电动机的励磁电流和转矩电流进行控制，从而达到控制异步电动机转矩的目的。

具体是将异步电动机的定子电流矢量分解为产生磁场的电流分量（励磁电流）和产生转矩的电流分量（转矩电流）分别加以控制，并同时控制两分量间的幅值和相位，即控制定子电流矢量，所以称这种控制方式为矢量控制方式。

矢量控制方式又有基于转差频率控制的矢量控制方式、无速度传感器矢量控制方式和有速度传感器的矢量控制方式等。

交直流电动机转矩特性的比较（１）直流电动机Ｔｅ＝ＣＴΦＩ（２）交流电动机Ｔｅ＝ＣＴΦＩｃｏｓα式中　Ｔｅ———电磁转矩；ＣＴ———转矩系数；Ｉ———电枢电流；Φ———磁通；α———功率因数角。

ｃｏｓα是转子电流的功率因数，只要它为常数，交流电动机的控制就和直流电动机的控制特性相同。

因为控制ｃｏｓα为常数，实际上就是：控制转子（定子）电流的大小，还要控制电流的方向，即矢量控制，如图３ １７所示。

依照直流电动机的特点，当变频器得到给定信号后，首先由控制电路把给定信号分解为·７２·第三章　变频器的基本控制模式两个互相垂直的磁场信号，励磁分量ΦＭ和转矩分量ΦＴ，与之对应的控制信号分别为ｉＭ和ｉＴ。

并假设这两个互相垂直的磁场信号在空间是旋转的，转速等于给定频率相对的同步转速。

在运行过程中，当负载发生变化导致转速变化时，可通过转速反馈到控制电路，以调制控制信号。

调整时令磁场信号ｉＭ不变，而只调整转矩信号ｉＴ，从而使异步电动机得到和直流电动机十分相似的机械特性。

图３ １７　矢量控制（一）矢量控制需要的参数１）电动机的铭牌数据———电压、电流、转速、磁极对数、效率等。

２）电动机的绕组数据———定子电阻、定子漏磁电抗、转子等效电阻、转子等效漏磁电抗、空载电流等。

（二）反馈矢量控制接法有反馈矢量控制是各方面性能都比较优越的一种控制方式。