【文章內(nèi)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(diào)速方式， 屬于轉(zhuǎn)速 開環(huán)控制， 其 優(yōu) 點是控制電路結(jié)構(gòu)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(diào)速要求，已在產(chǎn)業(yè)的各個領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。 缺點是該 控制方式在低頻時，由于輸出電壓較低，轉(zhuǎn)矩受定子電阻壓降的影響比較顯著，使輸出最大轉(zhuǎn)矩減小。另外，其機械特性終究沒有直流電動機硬，動態(tài)轉(zhuǎn)矩能力和靜態(tài)調(diào)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(zhuǎn)矩響應(yīng)慢、電機轉(zhuǎn)矩利用率不高， 不能恰當(dāng)?shù)卣{(diào)整電動機的轉(zhuǎn)矩補償和適應(yīng)負載的轉(zhuǎn)矩變化，無法準(zhǔn)確地控制電動機的實際轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速極低時，由于轉(zhuǎn)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(yīng)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(diào)整比較困難，不能得到較大的調(diào)速范圍和較高的調(diào)速精度。異步電動機存在轉(zhuǎn)差率，轉(zhuǎn)速隨負荷力矩變化而變動，即使目前有些變頻器具有轉(zhuǎn)差補償功能及轉(zhuǎn)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(diào)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(diào)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(diào)壓的調(diào)速性能相媲美 的程度，從而使異步電動機變頻調(diào)速在電機的調(diào)速領(lǐng)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(zhuǎn)子能夠產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的原因，是因為交流電機的定子能產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁動勢。而旋轉(zhuǎn)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(chǎn)生的。但是旋轉(zhuǎn)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(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁動勢。 具體是將異步電動機的定子電流矢量分解為產(chǎn)生磁場的電流分量 (勵磁電流 ) 和產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的電流分量 (轉(zhuǎn)矩電流 ) 分別加以控制，并同時控制兩分量間河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)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(zhuǎn)矩解耦，有利于分別設(shè)計兩者的調(diào)節(jié)器，以實現(xiàn)對交流電機的高性能調(diào)速。矢量控制方式又有基于轉(zhuǎn)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(diào)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(zhuǎn)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(nèi)置觀測器模型來構(gòu)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(yīng)能力，減小滑差，保證系統(tǒng)速度穩(wěn)定，確保低頻時的轉(zhuǎn)矩輸出 。 采用矢量控制方式的通用變頻器不僅可在調(diào)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(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩。由于矢量控制方式所依據(jù)的是準(zhǔn)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(zhǔn)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(jīng)具備異步電動機參數(shù)自動檢測、自動辨識、自適應(yīng)功能，帶有這種功能的通用變頻器在驅(qū)動異步電動機進行 正常運轉(zhuǎn)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(jié)果調(diào)整控制算法中的有關(guān)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(zhuǎn)子磁鏈，其中氣息磁鏈?zhǔn)沁B接定子和轉(zhuǎn)子的．一般的感應(yīng)電機轉(zhuǎn)子電流不易測量，所以通過氣息來中轉(zhuǎn)，把它變成定子電流．然后，有一些坐標(biāo)變換，首先通過 3/2 變換，變成靜止的 dq 坐標(biāo)，然后通過前面的磁鏈方程產(chǎn)生的單位矢量來得到旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)下的類似于直流機的轉(zhuǎn)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(yīng)速度．最后再經(jīng)過 2/3 變換，產(chǎn)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(xué)畢業(yè)設(shè)計 (論文 )說明書 11 矢量控制變頻調(diào)速的做法是將異步電動機在三相坐標(biāo)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(biāo)系下的交流電流 Ia Ib1，再通過按轉(zhuǎn)子磁場定向旋轉(zhuǎn)變換，等效成同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的直流電流 Im It1（ Im1 相當(dāng)于直流電動機的勵磁電流； It1 相當(dāng)于與轉(zhuǎn)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(jīng)過相應(yīng)的坐標(biāo)反變換，實現(xiàn)對異步電動 機的控制。其實質(zhì)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(zhuǎn)子磁鏈，然后分解定子電流而獲得轉(zhuǎn)矩和磁場兩個分量，經(jīng)坐標(biāo)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(chǎn)生任何負面影響的前提下，引入無速度傳感器矢量變頻調(diào)速的概念。即變頻器根據(jù)傳感器產(chǎn)生的信號，在有人乘坐時，扶梯以原有速度運行（ 50Hz）；當(dāng)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(zhuǎn)矩大，過載能力強，同時應(yīng)具備當(dāng)變頻器調(diào)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(zhuǎn)反 轉(zhuǎn)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(xué)畢業(yè)設(shè)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(yīng)盡可能結(jié)構(gòu)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(yīng)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(jié)構(gòu)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(diào)速系統(tǒng)應(yīng)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(chǎn)率又要求電動機具有較大的起動、制動轉(zhuǎn)矩以縮短起動、制動時間，同時還有一定的調(diào)速要求。對這類工作機械，可考慮選用繞線轉(zhuǎn)子異步電動機。 交流電動機電壓等級的選擇應(yīng)考慮運行場所供電電網(wǎng)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(zhuǎn)速的選擇是否恰當(dāng)，關(guān)系到電動機的價格和運行效率，甚至關(guān)系到生產(chǎn)機械的生產(chǎn)率。額定功率相同的電動機 ，額定轉(zhuǎn)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(yīng)選用額定轉(zhuǎn)速較高的電動機。但額定轉(zhuǎn)速高必須導(dǎo)致傳動機構(gòu)的復(fù)雜化，實際上選用時應(yīng)作全面權(quán)衡。 選擇電動機容量時應(yīng)考慮如下幾點：電動機容量、起動轉(zhuǎn)矩必須大于負載所需要的功率和起動轉(zhuǎn)矩；電源電壓下降 10%～ 15%的情況下，轉(zhuǎn)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(nèi)；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(yīng)提高一檔。 電機參數(shù)設(shè)定 本系統(tǒng)電機選用常用的 4 極 Y225S4 型的三相交流感應(yīng)電動機，額定功率11KW，額定電壓 380V，額定電流 ，額定轉(zhuǎn)速 1460r/min，功率因數(shù) ，效率為 91%，同步轉(zhuǎn)速為 1500r/min。 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)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(shè)備，其結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(yīng)功能更加完善，用于對調(diào)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(shè)計的變頻器， 如泵、風(fēng)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(yīng)根據(jù)生產(chǎn)機械的具體情況進行選擇。 變頻器的選用應(yīng)該滿足以下原則：變頻器的容量應(yīng)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(xué)畢業(yè)設(shè)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(yīng)用高性能的矢量控制技術(shù)，采用微處理器控制，并采用具有現(xiàn)代先進技術(shù)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(zhuǎn)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(shè)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(qū)動裝置。由于 MM440 具有全面而完善的控制功能，在設(shè)置相關(guān)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(jīng)過三相熔斷器，再經(jīng)過開關(guān)。開關(guān)一般為空氣開關(guān)。經(jīng)開關(guān)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(dāng)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(gòu)成系統(tǒng)的弱電回路。接線端子如圖 所示?？梢苑譃橐韵聨最悺? 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)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(shè)置參數(shù)和調(diào)試。②牢固的 EMC（電磁兼容性）設(shè)計。③可由 IT（中性點不接地）電源供電。④對控制信號的響應(yīng)是快速和可重復(fù)的。⑤參數(shù)設(shè)置的范圍很廣，確保它可對廣泛的應(yīng)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(shè)計，配置非常靈活，開關(guān)頻率高 (傳動變頻器可到 16kHz)，因而電動機運行的噪音低，內(nèi)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(xué)畢業(yè)設(shè)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(yīng)有的跳閘。④內(nèi)置的直流注入制動。 ⑤復(fù)合制動功能改善了制動特性。⑥內(nèi)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(jié)束段帶平滑圓??；起始段和結(jié)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(shè)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(shè)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(shè)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(guān)資料。 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 (論文 )說明書 17 變頻器參數(shù)設(shè)定 系統(tǒng)應(yīng)用先進的 MM440 變頻器，其參數(shù)的設(shè)定直接關(guān)系到自動扶梯調(diào)速節(jié)能系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。 根據(jù)上述要求，組