三相异步电动机变频调速控制及其节能

三相异步电动机变频调速控制及其节能

提要：本文分析了变频调速技术的控制方式原理，重点介绍了变频器控制风机、水泵的节能运行，首先分析风机、水泵的负载特性讲述其节能原理和运行方式，然后通过详细实例来分析变频器在恒压供水的应用方案极其产生的效益，特别是其显著的节能效果。

关键词：磁通量；矢量控制；PID

一、研究背景和目的

随着现代电力电子技术和控制技术的发展，变频调速技术已成为现实工业自动化的主要手段之一，在各种生产机械和生产线中得到了非常广泛的应用。三相异步电动机运行性能好，结构简单、运行可靠、重量轻、价格便宜，得到了广泛的应用，但其主要缺点是调速困难，所以变频器调速技术的发展使得三相异步电动机在电气传动界广泛应用。变频器是运动控制系统中的功率变换器。总的发展趋势是驱动的交流化，功率变换器的高频化，控制的数字化、智能化和网络化。

[1]为此，掌握变频调速技术特性是将变频技术应用到工程实践中的理论基础，同时也是保证构成的变频调速系统具有高性能比、最佳的性能指标的技术基础。

二、变频器对异步电动机的V/F控制

1.V/f原理：

三相异步的旋转速度近似地确决于电机的极数和频率。由电机的工作原理决定电机的极数是固定不变的。由于该极数值不是一个连续的数值（为2的倍数，例如极数为2，4，6），所以一般不适和通过改变该值来调整电机的速度。另外，频率能够在电机的外面调节后再供给电机，这样电机的旋转速度就可以被自由的控制。因此，以控制频率为目的的变频器，是做为电机调速设备的优选设备。变频器运转时可调范围内输出电压和输出频率之比为固定不变的控制方式为V/F 控制方式。

2.V/F控制方式的应用

一般情况下，感应电机三额定当中，220V(380V)50Hz 时为最大磁通。若超过此磁通量运转，很多场合励磁电流增加，使得电机过热而不能运转。避免弱磁和磁饱和现象的产生。V与f的比例关系是考虑了电机特性而预先决定的。那么V/F控制时，频率下降时完全成比例地降低电压，那么由于交流阻抗变小而直流电阻不变，将造成在低速下产生地转矩有减小的倾向。因此，在低频时给定V/f 要使输出电压提高一些以便获得一定地起动转矩这种补偿称增强起动。适当提高U/f比，使KU＞Kf，从而使转矩得到补偿，提高电动机在低速时的带负载能力。如图中之曲线②所示(曲线①是KU＝Kf的U/f线)。[2]

三、变频器对异步电动机的矢量控制

1.变频器的矢量控制原理

电机电流包含电机产生的转矩分量和其它分量（如励磁分量）。对于调节频率的给定信号，分解成磁场电流i*M和转矩电流i*T，并且假想地看作是两个旋转着的直流磁场的信号。当给定信号改变时，也和直流电动机一样，只改变其中一个信号，从而使异步电动机的调速控制具有和直流电动机类似的特点，从而得到与直流电动机类似的硬机械特性。

2.矢量控制的分类及优点

矢量控制分为频率控制和转速控制，频率控制相当于是不带编码器的矢量控制，而转速控制是带编码器的矢量控制。频率控制：根据测量到的电流、电压和磁通等数据，计算出当前的转速，并进行必要的修正，从而在不同频率下运行时，得到较硬机械特性的控制模式。由于计算量较大，故动态响应能力比转速控制稍差。转速控制：在电动机输出轴上增加转速反馈环节。由于转速大小直接由速度传感器测量得到，既准确、又迅速。与频率控制相比，具有机械特性更硬、频率调节范围更大、动态响应能力强等优点。

3.矢量控制的应用

河北钢铁集团承德钢铁公司150吨炼钢厂的转炉倾动和氧枪设备就是采用西门子的6SE70系列变频器进行矢量控制，从而达到生产的要求。转炉倾动系统是4台变频器各控制一台132KW电机实行一主三从的同步控制。可以任意选择一台为主电机，主电机给从电机发出转矩控制量。150吨炼钢厂刚投产时转炉倾动系统使用的是无PG的矢量控制，发现转炉在旋转时有“磕头”现象，一是给定输出精度低，动态响应差。二是制动抱闸的时间不配备。经过改进把P100=4有PG的矢量控制，P130=12有测速码盘回馈，再经过PI微调满足了快节奏的生产需要。氧枪系统正常运行时也是用有PG的矢量控制，但如果测速码盘有故障的话可以迅速切换到无PG的矢量控制方式。实际是切换变频器参数组的方法实现其功能：BDS数据组切换是通过P590（控制字2第30位）FDS数据组切换是通过P567和P577（控制字2第16,17位）MDS数据组切换是通过P578和P579（控制字2第18,19位）。

四、变频控制风机、水泵的节能运行

1.风机、水泵的负载特性：

电力拖动系统的稳定工作情况，取决于电动机和负载的机械特性。常见的负载有恒转矩负载、恒功率负载、二次方根负载以及负负载、冲击负载等等。不同的负载，不同的工作方式，变频器带负载的能力是不同的,变频器最典型的应用就是节能运行，其中以风机、水泵类机械的转速控制为中心，实践表明节能可达70％以上。

2.节能原理和运行分析

风机、水泵的最大特点是轴功率与转速的立方成正比，因此，将过去的电动机以定速运转，用挡板阀门调节风水量的方法，改用根据所需的风水量调节转速就可以获得节能效果。例如电动机以定速运转，调节风机风量的典型方法是采用挡板控制，挡板是一个圆板状盖子，与圆筒状的风道轴方向成直角安装，改变其开度则风阻变化，从而调节风量。当出口挡板控制时，当挡板关则增加风阻，因而不能广泛调节风量。与挡板控制相比，转速控制的节电效果非常明显。

采用U/F控制方式的变频器在输出某一频率，负载一定时，存在着一个最佳工作点。负载变化时，最佳工作点也转移。针对这一特点，大部分变频器设置了节能运行的功能。选择此功能，变频器能够自动搜索最佳工作点，使电动机总是在最佳工作点上运行，从而实现节能的目的。[3]

3.节能运行实例

变频器的节能运行是从泵、风机等大容量机械开始的，而且不断推广目前，家用空调压缩机也已采用该技术。（1）在泵类机械中的应用

由于使用泵的目的不同，所以对泵的控制方式也不一样，主要有流量控制、压力控制、水平控制等。流量控制和压力控制的主要应用是自来水、工业用水等取水导入泵，各种工艺过程用泵。水平控制主要是给水和配水的应用。