1、變頻調(diào)速系統(tǒng)概述 （經(jīng)典）摘要20 世紀(jì)90 年代以來(lái)，機(jī)電傳動(dòng)控制領(lǐng)域面貌煥然一新。各種類型的鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)壓頻 比恒定的變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)、同步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)，交流電動(dòng)機(jī)矢量控制系統(tǒng)、鼠籠式 異步電動(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)等，在工業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域中都得到了廣泛的應(yīng)用，覆蓋了機(jī) 電傳動(dòng)調(diào)速控制的各個(gè)方面。交流調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用為工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及節(jié)省電能方面帶來(lái)了巨大 的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益?，F(xiàn)在，交流調(diào)速系統(tǒng)已在逐步地全面取代直流調(diào)速系統(tǒng)。目前在交流調(diào) 速系統(tǒng)中，變頻調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)用最多、最廣泛，變頻調(diào)速技術(shù)及其裝置仍是21 世紀(jì)的主流技 術(shù)和主流產(chǎn)品。 現(xiàn)代交流調(diào)速系統(tǒng)由交流電動(dòng)機(jī)、電力電子功率變換器、控制

2、器和電量檢 測(cè)器等四大部分組成。電力電子功率變換器與控制器及電量檢測(cè)器集于一體，稱為變頻器。關(guān)鍵詞：變頻調(diào)速系統(tǒng) 領(lǐng)域 應(yīng)用實(shí)例 變頻器 選擇一、定義 變頻調(diào)速系統(tǒng)主要是由變頻器、電動(dòng)機(jī)和工作機(jī)械等裝置組成的機(jī)電系統(tǒng)。電 力拖動(dòng)的任務(wù)是使電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)由電能向機(jī)械能的轉(zhuǎn)換，完成工作機(jī)械啟動(dòng)、運(yùn)轉(zhuǎn)、調(diào)速、制 動(dòng)作業(yè)的要求。 變頻調(diào)速系統(tǒng)也就是由電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)機(jī)械設(shè)備以可以自由調(diào)節(jié)的速度進(jìn)行旋 轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)。二、變頻調(diào)速系統(tǒng) 變頻系統(tǒng)有以下及幾種： 同步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng) ，根據(jù)頻率控制方式的不同，分為： 1.他控式變頻調(diào)速系統(tǒng) 與異步電動(dòng)機(jī)變壓變頻調(diào)速一樣，用獨(dú)立的變 壓變頻裝置給同步電動(dòng)機(jī)供電的系統(tǒng)稱作他

3、控變頻調(diào)速系統(tǒng)。下圖是由交-直-交電流型負(fù)載 換流變壓變頻器供電的同步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)旁路晶閘管pH-iMSe系統(tǒng)控制器電流9_ Zd 電流 1 控制器7MSUI3BQ等效直流電機(jī)2.自控式變頻調(diào)速系統(tǒng)用電動(dòng)機(jī)軸上所帶的轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)器來(lái)控制變頻裝置的逆變器換流，從而改變同步電動(dòng)機(jī)的 供電頻率，因調(diào)速時(shí)定子繞組供電頻率受電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的自動(dòng)控制，故稱為自控式變頻調(diào)速系 統(tǒng)控制器 異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)： 1.恒壓頻比控制交流調(diào)速系統(tǒng) 對(duì)于鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)的變壓變頻 調(diào)速，必須同時(shí)改變供電電源的電壓和頻率?，F(xiàn)有的交流供電電源都是恒壓恒頻的，必須通 過(guò)變頻裝置（即Variable Voltage Freque

4、ncy簡(jiǎn)稱VVVF裝置），才能獲得變壓變頻的電源。異電源側(cè)變換器|嚴(yán) MSe系統(tǒng)控制器電流9_ Zd 電流 1 控制器7MSUI3BQ等效直流電機(jī)2.自控式變頻調(diào)速系統(tǒng)用電動(dòng)機(jī)軸上所帶的轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)器來(lái)控制變頻裝置的逆變器換流，從而改變同步電動(dòng)機(jī)的 供電頻率，因調(diào)速時(shí)定子繞組供電頻率受電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的自動(dòng)控制，故稱為自控式變頻調(diào)速系 統(tǒng)控制器 kIN變頻器容量通常以適用電動(dòng)機(jī)容量（kW）、輸出容量（kVA）、額定 輸出電流（A）來(lái)表示。其中額定電流為變頻器允許的最大連續(xù)輸出的電流有效值，無(wú)論什 么用途都不能連續(xù)輸出超過(guò)此值的電流。 變頻器的選擇參考如下：五、變頻器的選擇根據(jù)負(fù)載特性選擇變頻器。如負(fù)

5、載為恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載可選擇西門(mén)子MMV/MDV,MM420/MM440 變頻器，ABB公司ACS400系列變頻器等；如負(fù)載為風(fēng)機(jī)、泵類負(fù)載可選擇西門(mén)子ECO、 MM430變頻器，ABB公司ACS800系列變頻器等。 選擇變頻器時(shí)應(yīng)以實(shí)際電機(jī)電流值作 為變頻器選擇的依據(jù)，電機(jī)的額定功率只能作為參考。另外，應(yīng)充分考慮變頻器的輸出含有 豐富的高次諧波，會(huì)使電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)和效率變壞。因此，用變頻器給電動(dòng)機(jī)供電與用工 頻電網(wǎng)供電相比較，電動(dòng)機(jī)的電流會(huì)增加10而溫升會(huì)增加20左右。所以在選擇電動(dòng)機(jī) 和變頻器時(shí)，應(yīng)考慮到這種情況，適當(dāng)留有余量，以防止溫升過(guò)高，影響電動(dòng)機(jī)的使用壽命。 變頻器若要長(zhǎng)電纜運(yùn)行時(shí)，此時(shí)

6、應(yīng)該采取措施抑制長(zhǎng)電纜對(duì)地耦合電容的影響，避免變頻 器出力不夠。所以變頻器應(yīng)放大一、兩檔選擇或在變頻器的輸出端安裝輸出電抗器。 當(dāng) 變頻器用于控制并聯(lián)的幾臺(tái)電機(jī)時(shí)，一定要考慮變頻器到電動(dòng)機(jī)的電纜的長(zhǎng)度總和在變頻器 的容許范圍內(nèi)。如果超過(guò)規(guī)定值，要放大一檔或兩檔來(lái)選擇變頻器。另外在此種情況下，變 頻器的控制方式只能為 V/F 控制方式，并且變頻器無(wú)法實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的過(guò)流、過(guò)載保護(hù)，此 時(shí)需在每臺(tái)電動(dòng)機(jī)側(cè)加熔斷器來(lái)實(shí)現(xiàn)保護(hù)。對(duì)于一些特殊的應(yīng)用場(chǎng)合，如高環(huán)境溫度、 高開(kāi)關(guān)頻率、高海拔高度等，此時(shí)會(huì)引起變頻器的降容，變頻器需放大一檔選擇。 對(duì)于 壓縮機(jī)、振動(dòng)機(jī)等轉(zhuǎn)矩波動(dòng)大的負(fù)載和油壓泵等有峰值負(fù)載情況下，

7、如果按照電動(dòng)機(jī)的額定 電流或功率值選擇變頻器的話，有可能發(fā)生因峰值電流使過(guò)電流保護(hù)動(dòng)作現(xiàn)象。因此，應(yīng)了 解工頻運(yùn)行情況，選擇比其最大電流更大的額定輸出電流的變頻器。 變頻器驅(qū)動(dòng)潛水泵 電動(dòng)機(jī)時(shí)，因?yàn)闈撍秒妱?dòng)機(jī)的額定電流比通常電動(dòng)機(jī)的額定電流大，所以選擇變頻器時(shí)， 其額定電流要大于潛水泵電動(dòng)機(jī)的額定電流。當(dāng)變頻器控制羅茨風(fēng)機(jī)或特種風(fēng)機(jī)時(shí)，由 于其起動(dòng)電流很大，所以選擇變頻器時(shí)一定要注意變頻器的容量是否足夠大。 選擇變頻 器時(shí)，一定要注意其防護(hù)等級(jí)是否與現(xiàn)場(chǎng)的情況相匹配。否則現(xiàn)場(chǎng)的灰塵、水汽會(huì)影響變頻 器的長(zhǎng)久運(yùn)行。六、變頻器研究現(xiàn)狀 全數(shù)字化控制系統(tǒng) 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，無(wú)論是生產(chǎn)還 是生活

8、當(dāng)中，人民對(duì)數(shù)字化信息的依賴程度越來(lái)越高。為了使交流調(diào)速系統(tǒng)與信息系統(tǒng)緊密 結(jié)合，同時(shí)也為了提高交流調(diào)速系統(tǒng)自身的性能，必須使交流調(diào)速系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)全數(shù)字化控制。 由于交流電機(jī)控制理論不斷發(fā)展，控制策略和控制算法也日益復(fù)雜。擴(kuò)展卡爾曼濾波、 FFT、 狀態(tài)觀測(cè)器、自適應(yīng)控制、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等等均應(yīng)用到了各種交流電機(jī)的矢量控制或直接轉(zhuǎn) 矩控制當(dāng)中。因此，DSP芯片在全數(shù)字化的高性能交流調(diào)速系統(tǒng)中找到施展身手的舞臺(tái)。如 TI公司的MCS320F240等DSP芯片，以其較高的性能價(jià)格比成為了全數(shù)字化交流調(diào)速系統(tǒng)的首 選。在交流調(diào)速的全數(shù)字化的過(guò)程當(dāng)中，各種總線也扮演了相當(dāng)重要的角色。STD總 線、工業(yè)PC總

9、線、現(xiàn)場(chǎng)總線以及CAN總線等在交流調(diào)速系統(tǒng)的自動(dòng)化應(yīng)用領(lǐng)域起 到了重要的作用。PWM技術(shù)PWM控制是交流調(diào)速系統(tǒng)的控制核心，任何控 制算法的最終實(shí)現(xiàn)幾乎都是以各種PWM控制方式完成的。目前已經(jīng)提出并得到實(shí)際應(yīng)用的 PWM控制方案就不下十幾種。尤其是微處理器應(yīng)用于PWM技術(shù)并使之?dāng)?shù)字化以后，花樣是 不斷翻新，從最初追求電壓波形的正弦，到電流波形的正弦，再到磁通的正弦；從效率最優(yōu)， 轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)最少，再到消除噪音等，PWM控制技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了一個(gè)不斷創(chuàng)新和不斷完善的 過(guò)程。到目前為止，還有新的方案不斷提 出，進(jìn)一步證明這項(xiàng)技術(shù)的研究方興未艾。其中，空間矢量PWM技術(shù)以其電壓利用率高、 控制算法簡(jiǎn)單、電

10、流諧波小等特點(diǎn)在交流調(diào)速系統(tǒng)中得到了越來(lái)越多的應(yīng)用高壓大容量交流調(diào)速系統(tǒng)國(guó)外的電網(wǎng)電壓等級(jí)一般為3000V,而我國(guó)的電網(wǎng)電壓等級(jí)為 6000V和10000V，高壓大功率交流調(diào)速系統(tǒng)無(wú)法進(jìn)行大規(guī)模的批量生產(chǎn)。目前，研究較多 的大功率逆變電路有： 多電平電壓型逆變器 變壓器耦合的多脈沖逆變器 交交變頻 器雙饋交流變頻調(diào)速系統(tǒng)。高性能交流調(diào)速系統(tǒng)V/f恒定、速度開(kāi)環(huán)控制的通用變頻 調(diào)速系統(tǒng)和滑差頻率速度閉環(huán)控制系統(tǒng)，基本上解決了異步電機(jī)平滑調(diào)速的問(wèn)題。然而，系 統(tǒng)在穩(wěn)定性、起動(dòng)及低速時(shí)轉(zhuǎn)矩動(dòng)態(tài)響應(yīng)等方面的性能尚不能令人滿意。 考慮到異步電機(jī) 是一個(gè)多變量、強(qiáng)耦合、非線性的時(shí)變參數(shù)系統(tǒng)，很難直接通過(guò)外

11、加信號(hào)準(zhǔn)確控制電磁轉(zhuǎn)矩， 但若以轉(zhuǎn)子磁通這一旋轉(zhuǎn)的空間矢量為參考坐標(biāo)，利用從靜止坐標(biāo)系到旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系之間的變 換，則可以把定子電流中勵(lì)磁電流分量與轉(zhuǎn)矩電流分量變成標(biāo)量獨(dú)立開(kāi)來(lái)，進(jìn)行分別控制。 這樣，通過(guò)坐標(biāo)變換重建的電動(dòng)機(jī)模型就可等效為一臺(tái)直流電動(dòng)機(jī)，從而可象直流電動(dòng)機(jī)那 樣進(jìn)行快速的轉(zhuǎn)矩和磁通控制即矢量控制。 和矢量控制不同，直接轉(zhuǎn)矩控制屏棄了解耦的 思想，取消了旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換，簡(jiǎn)單地通過(guò)檢測(cè)電機(jī)定子電壓和電流，借助瞬時(shí)空間矢量理論 計(jì)算電機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩，并根據(jù)與給定值比較所得差值，實(shí)現(xiàn)磁鏈和轉(zhuǎn)矩的直接控制。 盡 管矢量控制與直接轉(zhuǎn)矩控制使交流調(diào)速系統(tǒng)的性能有了較大的提高，但是還有許多領(lǐng)域有待 研究：磁通的準(zhǔn)確估計(jì)或觀測(cè)無(wú)速度傳感器的控制方法電機(jī)參數(shù)的在線辨識(shí)極 低轉(zhuǎn)速包括零速下的電機(jī)控制 電壓重構(gòu)與死區(qū)補(bǔ)償策略 多電平逆變器的高性能控制 策略 隨著電力電子器件制造技術(shù)的發(fā)展和新型電路變換器的不斷出現(xiàn)，現(xiàn)代控制理論向交流調(diào)速 領(lǐng)域的滲透，特別是微型計(jì)算機(jī)及大規(guī)模集成電路的發(fā)展，交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速技術(shù)正向高頻化、 數(shù)字化和智能化方向發(fā)展。尤其是智能控制方式，在變頻器的控制中采用智能控制方式在