【文章內容簡介】 控制方式的比較與 選擇 ? V/F 控制 優(yōu)缺點 V/F 控制方式是最早實現(xiàn)的調速方式， 屬于轉速 開環(huán)控制， 其 優(yōu) 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。 缺點是該 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，使輸出最大轉矩減小。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， 不能恰當?shù)卣{整電動機的轉矩補償和適應負載的轉矩變化，無法準確地控制電動機的實際轉速，轉速極低時，由于轉矩不足而無法克服較大的靜 摩擦力 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。 尤其是在低速區(qū)域由于定子電阻的壓降不容忽視而使電壓調整比較困難，不能得到較大的調速范圍和較高的調速精度。異步電動機存在轉差率，轉速隨負荷力矩變化而變動，即使目前有些變頻器具有轉差補償功能及轉矩提升功能，也難以實現(xiàn) 很高的控制 精度，所以采用這種控制的通用變頻器 的 變頻調速 只適用于一般要求不高的場合。所以它的運用將逐漸被矢量控制所取代。 ? 矢量控制 矢量控制的出現(xiàn)，使異步電動機變頻調速后的機械特性及動態(tài)性能達到了足以和直流電動機調壓的調速性能相媲美 的程度，從而使異步電動機變頻調速在電機的調速領域里全方位的處于優(yōu)勢地位。 矢量控制實現(xiàn)的基本 思想：交流電機的轉子能夠產生旋轉的原因，是因為交流電機的定子能產生旋轉磁動勢。而旋轉磁動勢是交流電機三相對稱的靜止繞組通過三相對稱的交流電所產生的。但是旋轉磁動勢一定要三相，在空間位置上相互垂直的，在時間上相位互差 90176。 的兩相通于平衡電流也能產生旋轉磁動勢。 具體是將異步電動機的定子電流矢量分解為產生磁場的電流分量 (勵磁電流 ) 和產生轉矩的電流分量 (轉矩電流 ) 分別加以控制，并同時控制兩分量間河南理工大學畢業(yè)設計 (論文 )說明書 10 的幅值和相位，即控制 定子電流矢量，所以稱這種控制方式稱為矢量控制方式。簡單的說，矢量控制就是將磁鏈與轉矩解耦，有利于分別設計兩者的調節(jié)器，以實現(xiàn)對交流電機的高性能調速。矢量控制方式又有基于轉差頻率控制的矢量控制方式、無速度傳感器矢量控制方式和有速度傳感器的矢量控制方式等。這樣就可以將一臺三相異步電機等效為直流電機來控制，因而獲得與直流調速系統(tǒng)同樣的靜、動態(tài)性能。 將測得變頻器實際輸出電流按空間矢量的方式進行分解，形成轉矩電流分量與磁通電流分量兩個電流閉環(huán)，同時又可借助編碼器或內置觀測器模型來構成速度閉環(huán)，這種雙閉環(huán)控制方式可以 改善變頻器的動態(tài)響應能力，減小滑差，保證系統(tǒng)速度穩(wěn)定，確保低頻時的轉矩輸出 。 采用矢量控制方式的通用變頻器不僅可在調速范圍上與直流電動機相匹配，而且可以控制異步電動機產生的轉矩。由于矢量控制方式所依據(jù)的是準確的被控異步電動機的參數(shù)，有的通用變頻器在使用時需要準確地輸入異步電動機的參數(shù)，有的通用變頻器需要使用速度傳感器和編碼器。鑒于電機參數(shù)有可能發(fā)生變化，會影響變頻器對電機的控制性能，目前新型矢量控制通用變頻器中已經具備異步電動機參數(shù)自動檢測、自動辨識、自適應功能，帶有這種功能的通用變頻器在驅動異步電動機進行 正常運轉之前可以自動地對異步電動機的參數(shù)進行辨識，并根據(jù)辨識結果調整控制算法中的有關參數(shù)，從而對普通的異步電動機進行有效的矢量控制 。 以異步電動機的矢量控制為例： 它首先通過電機的等效電路來得出一些磁鏈方程，包括定子磁鏈，氣隙磁鏈，轉子磁鏈，其中氣息磁鏈是連接定子和轉子的．一般的感應電機轉子電流不易測量，所以通過氣息來中轉，把它變成定子電流．然后，有一些坐標變換，首先通過 3/2 變換，變成靜止的 dq 坐標，然后通過前面的磁鏈方程產生的單位矢量來得到旋轉坐標下的類似于直流機的轉矩電流分量和磁場電流分量，這樣就實 現(xiàn)了解耦控制，加快了系統(tǒng)的響應速度．最后再經過 2/3 變換，產生三相交流電去控制電機，這樣就獲得了良好的性能 。 矢量控制方式 : 河南理工大學畢業(yè)設計 (論文 )說明書 11 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 Ia Ib1，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 Im 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。 針對該自動扶梯系統(tǒng)， 在不對扶梯的正常使用產生任何負面影響的前提下，引入無速度傳感器矢量變頻調速的概念。即變頻器根據(jù)傳感器產生的信號，在有人乘坐時，扶梯以原有速度運行（ 50Hz）；當無人時，扶梯減速到低速 （ 1/5額定速度） 運行。系統(tǒng)要求變頻器啟動運行平穩(wěn)，加速性能好，啟動轉矩大，過載能力強，同時應具備當變頻器調速系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，控制 系統(tǒng)自動切換到工頻運行，保障扶梯輸送功能的正常實施。 其系統(tǒng)框圖如下圖 所示。 上 行 紅 外 傳 器下 行 紅 外 傳 感 器變 頻 器正 轉反 轉P L CF X 2 N電 動機Y 1 6 0M 4上 行下 行 制 動 電 阻 圖 22 自動扶梯系統(tǒng)框圖 河南理工大學畢業(yè)設計 (論文 )說明書 12 電動機的選擇 電動機選擇的基本原則是：在滿足工作機械對于拖到系統(tǒng)要求的前提下，所選電動機應盡可能結構簡單、運行可靠、維護方便、價格低廉。因此，在選擇電動機種類時，若工作機械對拖動系統(tǒng)無過高要求，應優(yōu)先考慮選用交流電動機。在交流電動機中籠型異步電動機結構最簡單，運行最可靠，維護最方便，對起 動性能無過高要求的調速系統(tǒng)應優(yōu)先考慮使用。某些工作機械如橋式起重機、電梯、鍛壓機等，工作中起動、制動比較頻繁，為提高生產率又要求電動機具有較大的起動、制動轉矩以縮短起動、制動時間，同時還有一定的調速要求。對這類工作機械，可考慮選用繞線轉子異步電動機。 交流電動機電壓等級的選擇應考慮運行場所供電電網的電壓等級。中等功率以下的交流電動機額定電壓一般為 380V，大功率交流電動機的額定電壓多為3KV或 6KV。電動機額定轉速的選擇是否恰當，關系到電動機的價格和運行效率，甚至關系到生產機械的生產率。額定功率相同的電動機 ，額定轉速越高，其體積越小，重量越輕，價格也越低。因此工作于長期工作制的工作機械，原則上應選用額定轉速較高的電動機。但額定轉速高必須導致傳動機構的復雜化，實際上選用時應作全面權衡。 選擇電動機容量時應考慮如下幾點：電動機容量、起動轉矩必須大于負載所需要的功率和起動轉矩；電源電壓下降 10%～ 15%的情況下，轉矩仍能夠滿足起動或運行中的需要；從電動機溫升角度考慮，為了不降低電動機的壽命，溫升必須在絕緣所限制的范圍以內；如果電動機每次在最低頻率時連續(xù)工作地時間不長，則可留用原有電動機，反之如果在最低頻率時連續(xù)運行 的時間較長，則電動機的容量應提高一檔。 電機參數(shù)設定 本系統(tǒng)電機選用常用的 4 極 Y225S4 型的三相交流感應電動機，額定功率11KW，額定電壓 380V，額定電流 ，額定轉速 1460r/min，功率因數(shù) ，效率為 91%，同步轉速為 1500r/min。 河南理工大學畢業(yè)設計 (論文 )說明書 13 變頻器的選 擇 變頻器的簡介 變頻器是把工頻電源 (50Hz)變換成各種頻率的交流電源，以實現(xiàn)電機的變速運行的設備，其結構如下圖 所示。 中 間 電 路控 制 電 路 及 指 令逆變電路整流電路電源扶 梯 圖 23變頻器結構圖 其中 整流電路將交流電變換成直流電， 控制電路 對主電進行 控制， 逆變電路將直流電逆變成交流電 ， 中間電路對整流電路的輸出進行平滑濾波 。 選擇變頻器主要包括種類選擇和容量選擇兩大方面。 目前變頻器大致可分 為 三類：通用型變頻器 通常指配備一般 V/F 控制方式的變頻器，也稱簡易變頻器， 該類變頻器成本較低，使用較為廣泛。高性能變頻器 ，通常指配備矢量控制功能的變頻器， 該類變頻器使得自適應功能更加完善，用于對調速性能較高的場合。專用變頻器 專門針對某種類型的機械而設計的變頻器， 如泵、風機 用變頻器，電梯專用變頻器，起重機械專用變頻器，張力控制專用變頻器等。用戶應根據(jù)生產機械的具體情況進行選擇。 變頻器的選用應該滿足以下原則：變頻器的容量應大于負載所需的輸出；變頻器的電流大于電機的電流。因電機的計算功率小于所選用功率，根據(jù)變頻器的容量的選擇方法進行計算。 河南理工大學畢業(yè)設計 (論文 )說明書 14 變頻器的型號很多，選擇合適的變頻器對系統(tǒng)的穩(wěn)定運行有很大的幫助。 MM440 應用高性能的矢量控制技術，采用微處理器控制，并采用具有現(xiàn)代先進技術的絕緣雙極型晶體管（ IGBT）作為功率輸出器件，具有很高的運行可靠性和功能的多樣性，且 MM440 是適用于三相電動機速度控制和轉矩控制的變頻器系列，所以本系統(tǒng)選用 MM440 變頻器。 MM440 具有缺省的工廠設置參數(shù)，它是給數(shù)量眾多的簡單的電動機控制系統(tǒng)供電的理想變頻器驅動裝置。由于 MM440 具有全面而完善的控制功能，在設置相關參數(shù)以后，它是可用于更高級的電動機控制系統(tǒng)。 ② MM440 的接線： (1)強電回路 強電回路的接線如圖 。三相交流電源先經過三相熔斷器，再經過開關。開關一般為空氣開關。經開關控制后，三相交流電可以進入輸入濾波器，也可以與變頻器直接連接（輸入濾波器是可選件）。變頻器的輸出為 PWM 波，而負載希望得到的是正弦波，因此可以在變頻器的輸出端接入輸出濾波器，當然輸出濾波器也可以省略。 輸入濾波器MM440變頻器輸出濾波器異步電動機電源 圖 24 變頻器強電回路的接線 (2)弱電回路 MM440 變頻器為用戶提供了很多用于控制和檢測的輸入、輸出接線端子。用戶可以根據(jù)需要選擇這些端子構成系統(tǒng)的弱電回路。接線端子如圖 所示?？梢苑譃橐韵聨最?。 河南理工大學畢業(yè)設計 (論文 )說明書 15 圖 25 變頻器 MM440 的安裝與接線 (3)MM440 變頻器的主要特性：①易于安裝、設置參數(shù)和調試。②牢固的 EMC（電磁兼容性）設計。③可由 IT（中性點不接地）電源供電。④對控制信號的響應是快速和可重復的。⑤參數(shù)設置的范圍很廣，確保它可對廣泛的應用對象進行配置。⑥具有多個繼電器輸出。⑦具有多個模擬量輸出 0～ 20mA。⑧ 6個帶隔離的數(shù)字輸入，并可切換可 NPN/PNP 接線。⑨ 2個模擬輸入： IN1： 0～ 10V， 0～20mA 和 10～ +10V。 IN2： 0～ 10V， 0～ 20mA。⑩另外還有的特性： 2個模擬輸入，2 個模擬輸入可以作為第 7和第 8個數(shù)字輸入，模塊化設計，配置非常靈活，開關頻率高 (傳動變頻器可到 16kHz)，因而電動機運行的噪音低，內部 RS485 接口(端口 )，詳細的變頻器狀態(tài)信息和完整的信息功能。 河南理工大學畢業(yè)設計 (論文 )說明書 16 (4)MM440 變頻器的性能特征： ①具有矢量控制性能。②多點 V/f 特性。③快速電流限制功能，避免運行中不應有的跳閘。④內置的直流注入制動。 ⑤復合制動功能改善了制動特性。⑥內置制動單元⑦加速 /減速斜坡特性 具有可編程的平滑功能，它包括兩種情況：起始段和結束段帶平滑圓??；起始段和結束段不帶圓弧。⑧具有比例、積分和微分（ PID）控制功能的閉環(huán)控。 (9)自由功能塊。另外還有的特征：具有動力制動的緩沖功能；具有定位控制的斜坡下降曲線。 (5)MM440 變頻器的保護特性：過電壓 /欠電壓保護 。變頻器過熱保護 。接地故障保護 。短路保護 。電動機過熱保護 ； (6) MM440 的參數(shù)及 BOP 板的操作： 變頻器的運行是通過一系列用戶設定的參數(shù)和輸入端子的狀態(tài)來實現(xiàn)的。而參數(shù)的設定是通過 BOP 板來完成的。 BOP 板的外型如圖 所示。 上端為一塊液晶顯示器，下端為一組按鍵。各按鍵的功能如 圖 。 圖 26 BOP 板的外型 MM440 變頻器具有缺省的工廠設置參數(shù)，它是給數(shù)量眾多的可變速控制系統(tǒng)供電的理想變頻傳動裝置。 MM440 的參數(shù)數(shù)量及多（有 1000 多個），各有其含義。詳細情況可以查有關資料。 河南理工大學畢業(yè)設計 (論文 )說明書 17 變頻器參數(shù)設定 系統(tǒng)應用先進的 MM440 變頻器，其參數(shù)的設定直接關系到自動扶梯調速節(jié)能系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。 根據(jù)上述要求，組成調速