變頻器輸出電壓與輸出頻率之間的

1、變頻器輸出電壓與輸出頻率之間的關(guān)系及其實(shí)現(xiàn)安徽機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院工業(yè)機(jī)器人3161苗同浩【摘要】為了能更好的理解變頻器輸出電壓和輸出頻率之間的關(guān)系，詳細(xì)地介紹了變頻對電動(dòng)機(jī)定子繞組反電動(dòng)勢的影響，變頻變壓的實(shí)驗(yàn)方法:u/f二C的正弦脈寬調(diào)制(SPWM)控制方式與矢量控制(VC)方式。指出它們的測量原理和注意要點(diǎn)，分析適用范圍和局限性。加深理解變頻器工作原理，掌握方法和要領(lǐng)。【關(guān)鍵詞】變頻器正弦脈寬調(diào)制(SPWM)矢量控制(VC)一、引言變頻器因其調(diào)速范圍寬、調(diào)速精度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、控制功能強(qiáng)大且操作方便等諸多優(yōu)點(diǎn)，使其在生產(chǎn)實(shí)踐中應(yīng)用越來越廣泛。V/F控制是經(jīng)典的控制方式。矢量控制是將三相交流異

2、步電動(dòng)機(jī)等效成直流電動(dòng)機(jī)進(jìn)行控制。二、變頻器輸出電壓與輸出頻率之間的關(guān)系1. 磁通量與轉(zhuǎn)矩的關(guān)系異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩是電機(jī)的磁通與轉(zhuǎn)子內(nèi)流過電流之間相互作用而產(chǎn)生的。盡量保持電機(jī)主磁通為額定值不變。2. 變頻對電動(dòng)機(jī)定子繞組反電動(dòng)勢的影響(1) 根據(jù)電機(jī)原理可知，三相異步電機(jī)定子每相電動(dòng)勢的有效值：El=4.44flNiem式中：E1-定子每相由氣隙磁通感應(yīng)的電動(dòng)勢的有效值V；fl-定子頻率Hz；N1定子每相繞組有效匝數(shù)；0m-每極磁通量由式中可以看出，0m的值由El/fl決定，但由于E1難以直接控制，所以在電動(dòng)勢較高時(shí)，可忽略定子漏阻抗壓降，而用定子相電壓U1代替。那么要保證0m不變，只要Ul/

3、fl始終為一定值即可。這是額定頻率以下調(diào)速的基本情況，為恒壓頻比(恒磁通)控制方式，屬于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速。額定頻率為恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速區(qū)的最高頻率，額定頻率所對應(yīng)的電壓為即為額定電壓，是恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速區(qū)的最高電壓，在額定頻率以下調(diào)速時(shí)，電壓會(huì)隨頻率而變化，但兩者的比值不變。(2) 在額定頻以上調(diào)速時(shí)，頻率從額定頻率向上可以調(diào)至上限頻率值，但是由于電機(jī)定子不能超過電機(jī)額定電壓，因此電壓不再隨頻率變化，而保持電壓值不變，這時(shí)電機(jī)主磁通必須隨頻率升高而減弱，轉(zhuǎn)矩相應(yīng)減小，功率基本保持不變，屬于恒功率調(diào)速。三、變頻變壓的實(shí)驗(yàn)方法1. 正弦脈寬調(diào)制(SPWM)SPWM法是為克服直流脈寬調(diào)制(PWM)的缺點(diǎn)(其輸出電壓中含

4、較大的諧波分量)而發(fā)展起來的。它從電動(dòng)機(jī)的供電電源的角度出發(fā)，著眼于如何產(chǎn)生一個(gè)可調(diào)頻、調(diào)壓的三相正弦波電源，具體方法如圖所示。上圖（a）所示的正弦波，如將每半周期劃分為N等分（圖中N=6）,每等分的正弦電壓與橫軸所包圍的面積都用一個(gè)與此面積相等的等高矩形脈沖所代替，且使矩形脈沖的中點(diǎn)與相應(yīng)的正弦等分的中點(diǎn)重合，則各脈沖的寬度將是按正弦規(guī)律變化的。按照采樣控制理論中沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性環(huán)節(jié)上，其效果基本相同的結(jié)論，圖（b）所示，由N個(gè)等幅而不等寬的矩形脈沖所組成的波形便與正弦波等效。在用模擬電路產(chǎn)生等幅不等寬脈沖的方法中，通常采用期望的正弦波（稱調(diào)制波）與三角波（稱載波）相交

5、的辦法來確定各段矩形脈沖的寬度。因?yàn)榈妊遣ㄊ巧舷聦挾扰c高度成線性關(guān)系且對稱，當(dāng)它與一個(gè)光滑的曲線相交時(shí)，即可得到一組等幅而脈沖寬度正比與該曲線函數(shù)值的矩形脈沖。如圖所示，用正弦波和三角波相交（圖b）得到一組矩形脈沖（圖a），其寬度按正弦規(guī)律變化。再用這組矩形脈沖作為逆變器各開關(guān)器件的控制信號(hào)，則在逆變器輸出端就可得到一組類似圖（a）的矩形脈沖，其幅值為逆變器直流側(cè)電壓，其脈沖寬度是它在周期中所在相位的正弦函數(shù)。該矩形脈沖可用正弦波等效【圖（b）中虛線所示】。得出：（1）在每個(gè)區(qū)間的電動(dòng)機(jī)上的平均電壓相同。（2）在每個(gè)子區(qū)間內(nèi)的電動(dòng)機(jī)上的磁通量相同。（3）在每個(gè)子區(qū)間寬度遠(yuǎn)小于電動(dòng)機(jī)時(shí)間常數(shù)

6、。（4）可以通過傅里葉級數(shù)分解表示。2. 矢量控制（VC）思路：矢量調(diào)速的目標(biāo)直流調(diào)速；努力實(shí)現(xiàn)勵(lì)磁電流與電樞電流的獨(dú)立控制；勵(lì)磁電流與電樞電流互差90度角。原理：矢量控制的基本原理是通過測量和控制異步電動(dòng)機(jī)定子電流矢量，根據(jù)磁場定向原理分別對異步電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流和轉(zhuǎn)矩電流進(jìn)行控制，從而達(dá)到控制異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的目的。具體是將異步電動(dòng)機(jī)的定子電流矢量分解為產(chǎn)生磁場的電流分量（勵(lì)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(shí)控制兩分量間的幅值和相位，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。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

7、傳感器的矢量控制方式等。實(shí)現(xiàn):矢量控制基本理念旋轉(zhuǎn)地只留繞組磁場無論是在繞組的結(jié)構(gòu)上，還是在控制的方式上，都和直流電動(dòng)機(jī)最相似。設(shè)想，有兩個(gè)相互垂直的支流繞組同處于一個(gè)旋轉(zhuǎn)體中，通入的是直流電流，它們都由變頻器給定信號(hào)分解而來的。經(jīng)過直交變換將兩個(gè)直流信號(hào)變?yōu)閮上嘟涣餍盘?hào)；在經(jīng)二相、三相變換得到三相交流控制信號(hào)；結(jié)論只要控制直流信號(hào)中的任意一個(gè)，就可以控制三相交流控制信號(hào)，也就控制了交流變頻器的交流輸出。通過上述變換，將交流電機(jī)控制近似為直流電機(jī)控制。要求:(1)一臺(tái)變頻器只能帶一臺(tái)電動(dòng)機(jī)；(2)電動(dòng)機(jī)的極數(shù)要按說明書的要求，一般以4極為佳；(3)電動(dòng)機(jī)容量與變頻器的容量相當(dāng)，最多差一個(gè)等級；

8、(4)變頻器與電動(dòng)機(jī)件的連線不能過長，一般應(yīng)在30m以內(nèi)，如果超過30m,則需要在連接好電纜后，進(jìn)行離線自動(dòng)調(diào)整，以重新測定電動(dòng)機(jī)的相關(guān)參數(shù)。四、V/F控制與矢量控制的比較V/F控制是一種粗略的簡單的控制方式，即V/F=定值控制模式，它忽略了定子繞組電阻壓降IoR對磁場的影響，V/F=定值控制模式，雖然阻止了頻率下降、磁場增大的主要問題，但是磁場不是恒定的，而是隨著頻率在下降，造成低頻時(shí)磁場弱、電機(jī)轉(zhuǎn)矩不足。多用于風(fēng)機(jī)、泵類節(jié)能型變頻器。相比于V/F控制，矢量控制動(dòng)態(tài)性能更完善；控制更精確；系統(tǒng)響應(yīng)快；調(diào)速范圍廣；加減速性能好等特點(diǎn)。應(yīng)用場合一般是要求比較高的傳動(dòng)場合。V/F控制矢量控制調(diào)速范圍1:101:100以上響應(yīng)性動(dòng)態(tài)響應(yīng)較差高達(dá)1000R/S過渡過程特性加減速有限制，過電流控制能力小加減速無限制，過電流控制能力高通用性通用性好與電動(dòng)機(jī)特性有關(guān)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單復(fù)雜V/F控制、矢量控制特性比較表五、結(jié)束語變頻器的V/F控制是變頻器經(jīng)典的控制方式，矢量控制是與時(shí)俱進(jìn)的新型控制方式。作為一名