【文章內(nèi)容簡介】 變頻器基本持平。因此，可以相信，隨著電力電子技術(shù)和計算機技術(shù)的發(fā)展，今后變頻器的性能價格比將會不斷提高。 ②高性能專用變頻器。隨著控制理論，交流調(diào)速理論和電力電子技術(shù)的發(fā)展，異步電動機的矢量控制方式得到了充分地重視和發(fā)展，采用矢量控制方式控制高性能變頻器和變頻器專用電動機所組成的調(diào)速系統(tǒng)在性能上已經(jīng)大達到和超過了直流伺服系統(tǒng)。此外，由于異步電動機還具有對環(huán)境適應(yīng)性強、維護簡單等許多直流伺服電動機對不具備的優(yōu)點，在許多需要進行高速高精度的應(yīng)用中這種高性能交流調(diào)速系統(tǒng)正在逐步替代直流伺服系統(tǒng)。 與通用變頻器相比，高性能專用變頻器基本上采用了矢量控制方式，而驅(qū)動對象通常是變頻器廠家指定的專用電動機，并且主要應(yīng) 用于對電動機的控制性能要求較高的系統(tǒng)。此外，高性能專用變頻器往往是為了滿足某些特定產(chǎn)業(yè)或區(qū)域的需要，使變頻器在該區(qū)域中具有最好的性能價格比而設(shè)計生產(chǎn)的。例如，在機床主軸驅(qū)動專用的高性能變頻器中，為了便于和數(shù)控裝置配合完成各種工作，變頻器的主電路、回饋制動電路和各種接口電路等被做成一體，從而達到了縮小體積和降低成本的要求。而在纖維機械驅(qū)動方面，為了便于大系統(tǒng)的維修保養(yǎng)，變頻器則采用了可以簡單地進行拆裝的盒式結(jié)構(gòu)。 ③高頻變頻器。在超精密加工和高性能機械區(qū)域中常常要用到高速電動機。為了滿足這些高速電動機 驅(qū)動的需要，出現(xiàn)了采用 PAM 控制方式的高速電動機驅(qū)動用變頻器。這類變頻器的輸出頻率可以達到 3kHz,所以在驅(qū)動兩級異步電動機時電動機的最高轉(zhuǎn)速可以達到 180000r/min。 ④單相變頻器和三相變頻器。交流電動機可以分為單相交流電動機和三相交流電動機兩種類型，與此相對應(yīng)，變頻器也分為單相變頻器和三相變頻器。二者的工作原理相同，但電路的結(jié)構(gòu)不同。 由于單相電動機和三相電動機的有功功率 P與電壓的有效值 E，電流的有效值無錫科技職業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 12 I以及功率系數(shù) cosφ之間有如下關(guān)系 單相 P = EIcosφ 三相 P = √ 3EIcosφ 為了的得到相同的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩（即有功功率），采用三相變頻器時的驅(qū)動電流只是單相變頻器驅(qū)動電流的 1/3。由于在使用單相變頻器時需要給出更大的驅(qū)動電流，所以在選擇變頻器時也應(yīng)加以注意。 V/f 控制 對于異步電動機，只要改變其他供電電源的頻率，既可以改變電動機的轉(zhuǎn)速，達到進行調(diào)速運轉(zhuǎn)的目的。但是，對于一個實際的交流調(diào)速控制系統(tǒng)來說，事情遠遠不是那么簡單。這是因為當(dāng)電動機電源的頻率被改變時，電動機的內(nèi)部阻抗也將隨之改變，從而引起 勵磁電流的變化，使電動機出現(xiàn)勵磁不足或勵磁過強的情況。在勵磁不足的情況下電動機將難以給出足夠的轉(zhuǎn)矩，而在勵磁過強時電動機又將出現(xiàn)磁飽和，造成電動機功率因數(shù)和效率的下降。因此，為了得到理想的轉(zhuǎn)矩 速度特性，在改變電源頻率進行調(diào)速的同時，必須采取必要的措施來保證電動機的氣隙磁通處于高效狀態(tài)（即保持磁通不變）。這就是 V/f 控制的出發(fā)點。 在異步電動機等效電路中，設(shè)電動機的氣隙磁通用φ表示，則可以看出，勵磁電流 IM， 感應(yīng)電勢 E 和氣隙磁通φ之間有如下關(guān)系 Φ =MIM () E=j2π fMIM=j2π fφ () 因此，為了改變使氣隙磁通φ在整個調(diào)速過程中保持不變，只需在改變電源頻率 f的同時改變感應(yīng)電動勢 E，使其滿足 E/f = 常值 () 即可。 但是，在電動機的實際調(diào)速控制過程中，由于 E 為電動機的感應(yīng)電動勢，無法直接進行檢測和控制，必須采用其他方法才能使式 () 得到滿足。 另一方面，從異步電 動機的等效電路還可以得知。 V = I1Z1+ E () 其中， Z1 = j2π L1 +r1為定子阻抗。 因此，當(dāng)定子阻抗上的壓降與定子電壓相比很小時，由于 V≈ E，所以，只要控制電源電壓和頻率，使得 V/f = 常值 () 無錫科技職業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 13 即可使式 ()近似得到滿足。 基于式 ()的變頻器被稱為采用了 V/f 控制方式的變頻器，簡稱為 V/f 控制變頻器。而與此相對應(yīng)，基于式 ()的變頻器則被稱為 E/f 控制變頻器。很明顯，E/f 控制變頻器的特性要優(yōu)于 V/f 控制變頻器。 初期的通用型變頻器基本上采用的是 V/f 控制方式。但是，由于在實際的電路中存在著定子阻抗上的壓降，尤其是電動機進行低速運轉(zhuǎn)時感應(yīng)電動勢較小，定子阻抗上的壓降更不能忽略。因此，為了得到與 E/f 控制相近的特性，必須對這部分壓降進行補償。為了改善 V/f 變頻器在低頻時的轉(zhuǎn)矩特性，使之得到與 E/f控制變頻器相近 的特性，各個廠家都在自己的產(chǎn)品中采取了不同的補償措施，以保證當(dāng)電動機在低速區(qū)域運行是仍然能夠得到較大的輸出轉(zhuǎn)矩。這種補償也稱為變頻器的轉(zhuǎn)矩增強功能或轉(zhuǎn)矩提升功能。 變頻器的轉(zhuǎn)矩增強功能可以分為起始轉(zhuǎn)矩增強功能和全范圍轉(zhuǎn)矩自動增強功能。所謂起始轉(zhuǎn)矩增強功能指的是在變頻器的低頻輸出區(qū)域按照某一規(guī)則在變頻器的輸出電壓上加上一定的補償，從而達到提高輸出轉(zhuǎn)矩的目的。而在具有全范圍轉(zhuǎn)矩自動增強功能的變頻器中，電壓補償是在電動機的整個運行范圍中進行的。 在具有全范圍轉(zhuǎn)矩自動增強功能的變頻器中，檢測電路對電 動機的電流和電壓進行實時檢測，而 CPU 則按照 E/f 一定的要求進行計算后求出所需的壓降補償。這種控制方式更接近真正的 E/f 控制，并且在性能方面優(yōu)于只采用了簡單的起始轉(zhuǎn)矩增強補償額變頻器。 由于 E/f 控制和 V/f 控制在控制原理上并無不同，這兩種控制方式通常統(tǒng)稱為 V/f 控制。 V/f 控制變頻器雖然結(jié)構(gòu)簡單，但是，由于這種變頻器采用的是開環(huán)控制方式，其精度和動態(tài)特性并不是十分理想，尤其是在低速區(qū)電壓調(diào)整比較困難，難以的得到較大的調(diào)整范圍。所以采用這種控制方式的變頻器一般是對控制性能要求不太高的通用變 頻器。 轉(zhuǎn)差頻率控制 在對交流調(diào)速系統(tǒng)進行研究的過程中人們發(fā)現(xiàn)，如果在對異步電動機進行控制過程中能夠像控制直流電動機那樣，用直接控制電樞電流的方法控制轉(zhuǎn)矩，那么就可以用異步電動機來得到與直流電動機同樣的靜、動態(tài)特性。而轉(zhuǎn)差頻率就是這樣一種直接控制轉(zhuǎn)矩的方法。 從異步電動機等效電路可以求得 I2 = E/√〔 (r2/s)2 +（ 2π fL2） 2〕 （ ） 定義轉(zhuǎn)差頻率 f 為 無錫科技職業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 14 Fs = sf （ ） 則可以得到 I2 = E/f｛ 1/√〔（ r2/fs） 2 +（ 2π L2） 2〕｝ （ ） 而轉(zhuǎn)矩則由下式給出 T = mp/4π (E/f)2{fsr2/〔 r22+（ 2π fsL2） 2〕 } （ ） 從式 ()可知，當(dāng)轉(zhuǎn)矩頻率 fs較小時，如果 E/f =常數(shù) ,則電動機的轉(zhuǎn)矩基本上與轉(zhuǎn)差 fs成正比。異步電動機的這個特征意味著，在進行 E/f 控制的基礎(chǔ)上，只要對電動機的轉(zhuǎn)差頻率 fs 進行控制，就可以達到控制電動機輸出轉(zhuǎn)矩的目的。這就是轉(zhuǎn)差頻率控制方式的基本出發(fā)點。 另一方面，對于異步電動機來說，其定子電壓頻率 fs以電動機的實際頻率 nn作為同步轉(zhuǎn)速時的電源頻率 fn，以及轉(zhuǎn)差頻率 fs三者的關(guān)系可以由 f = fn + fs （ ） 輸出。所以，在進行 E/f 控制的基礎(chǔ)上，只要知道了異步電動機的實際 轉(zhuǎn)速 nn對應(yīng)的電源頻率 fn，并根據(jù)希望得到的轉(zhuǎn)矩（對應(yīng)于某一轉(zhuǎn)差頻率 fs0）按照式 ()調(diào)節(jié)變頻器的輸出頻率 f，就可以使電動機具有某一所需的轉(zhuǎn)差頻率 fs0，即使電動機給出所需的輸出轉(zhuǎn)矩。而采用轉(zhuǎn)差頻率控制方式的變頻器正是按照上述原理進行控制的。 此外，從式 ()還可以看出，當(dāng) E/f 為一定時，控制電動機的轉(zhuǎn)差頻率還可以達到控制電動機轉(zhuǎn)子電流的目的。在采用了轉(zhuǎn)差頻率控制方式的變頻器中，上述特性被用于對象電動機的保護。這是因為，只要能夠控制電動機的轉(zhuǎn)差頻率。使之不超過電動機最大過載能力時的轉(zhuǎn)差頻 率，就可以限制電動機轉(zhuǎn)子的最大電流，從而起到保護電動機的作用。 因為在采用轉(zhuǎn)差頻率控制方式時需要檢測電動機的實際轉(zhuǎn)速，所以需要在異步電動機軸上安裝速度傳感器。而電動機的轉(zhuǎn)速檢測由速度傳感器和變頻器控制電路中的運算電路完成。控制電路還將通過適當(dāng)?shù)乃惴ǜ鶕?jù)檢測到的電動機速度產(chǎn)生轉(zhuǎn)差頻率和其他的控制信號。此外，在采用了轉(zhuǎn)差頻率控制方式的變頻器中往往還加有電流負反饋，對頻率和電流進行控制，所以這種變頻器具有良好的穩(wěn)定性，并對急速的加減速和負載變動有良好的響應(yīng)特性。 矢量控制 矢量控制的基本思想是認 為異步電動機和直流電動機具有相同的轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生機理，即電動機的轉(zhuǎn)矩為磁場和與其相垂直的電流的積，而異步電動機的定子電流則可以分為產(chǎn)生磁場的電流分量（磁場電流）和產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的電流分量 (轉(zhuǎn)矩電流 )。因此，通過控制電動機定子電流的大小和相位（即定子電流矢量），即可以分別對無錫科技職業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 15 電動機的勵磁電流和轉(zhuǎn)矩電流進行控制，從而達到控制電動機轉(zhuǎn)矩的目的。 目前在變頻器中得到實際應(yīng)用的矢量控制方式主要有基于轉(zhuǎn)差頻率控制的矢量控制方式和無速度檢測器的矢量控制方式兩種。 基于轉(zhuǎn)差頻率控制的矢量控制方式 前面我們已 經(jīng)提到，矢量控制的基本原理是通過控制電動機定子電流的幅值和相位（即電流矢量），來分別對電動機的勵磁電流和轉(zhuǎn)矩電流進行控制，從而達到控制電動機轉(zhuǎn)矩電流特性的目的 . 從電流矢量圖可以看出，當(dāng)需要將電動機的轉(zhuǎn)矩電流從 I2變?yōu)?I2＇時，在改變電動機定子電流的幅值，使得 I1變?yōu)?I1＇的同時，還必須改變 I1 的相位θ，使得θ變?yōu)棣龋В幢仨殞Χㄗ与娏魇噶窟M行控制，才能保證轉(zhuǎn)矩電流的平穩(wěn)變化，而在轉(zhuǎn)差頻率控制方式中，雖然通過對轉(zhuǎn)差頻率的控制達到了控制轉(zhuǎn)矩電流 I2幅值的目的，但是，由于在這種控制方式中并沒有對電動機定 子電流的相位進行控制，在轉(zhuǎn)矩電流從 I2變?yōu)?I2＇的過渡過程中將存在一定的波動，并造成電動機輸出轉(zhuǎn)矩的波動 . 根據(jù)等效電路圖得知，定子電流 I轉(zhuǎn)矩電流 I勵磁電流 IM三者之間有如下的關(guān)系 I1 = √ (I22 + IM2) （ ） 2π fMIM = I2r2/s （ ） 由于轉(zhuǎn)差頻率定義為 fs = sf 所以從式（ ）可得 fs = I2/2π T2IM （ ） 其中， T2 = M/r2為電動機轉(zhuǎn)子電路時間常數(shù)。 與轉(zhuǎn) 差頻率控制方式相同，基于轉(zhuǎn)差頻率控制的矢量控制方式同樣是在進行E/f 控制的基礎(chǔ)上，通過檢測電動機的實際速度得到與實際轉(zhuǎn)矩 nn對應(yīng)的電源頻率fn，并根據(jù)希望得到的轉(zhuǎn)矩按照式（ ）對變頻器的輸出頻率 f 進行控制的，因此，二者的定常特性相同。 但是，在基于轉(zhuǎn)差頻率控制的矢量控制方式中，除了按照上述方式對異步電動機進行定常狀態(tài)時的控制外，還要根據(jù) θ = arc tan(I2/Im) （ ） 的條件對電動機定子 電流