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如何用变频器控制电机

变频器是从事电气工作必须掌握的一门技术。用变频器控制电动机是电气控制中常用的方法,有些还要求熟练使用。

1.首先为什么要用变频器来控制电机?

电动机为感性负载,对电流的变化有阻碍作用,启动时会产生很大的电流变化。

逆变器是利用电力半导体器件的通断功能,将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。它主要由两部分电路组成,一部分是主电路(整流模块、电解电容和逆变模块),一部分是控制电路(开关电源板、控制电路板)。

为了降低电机的启动电流,特别是较大功率的电机,功率越大,启动电流就越大。过大的启动电流会给供配电网络带来较大的负担。变频器可以解决这个启动问题,让电机平稳启动,不会造成过大的启动电流。

使用变频器的另一个作用是调节电机的转速。很多时候需要控制电机的转速才能获得更好的生产效率,而变频器调速一直是其最大的亮点。变频器通过改变电源的频率来控制电机的转速。

2.逆变器的控制方式有哪些?

变频器控制电机最常用的五种方法如下:

A.正弦脉冲宽度调制(SPWM)控制方法

其特点是控制电路结构简单、成本低、机械硬度好,能满足一般变速器的平滑调速要求,在工业各个领域得到了广泛的应用。

但在低频时,由于输出电压较低,转矩受定子电阻压降的影响较大,从而降低了最大输出转矩。

另外,它的机械特性不如直流电机强,动态转矩能力和静态调速性能不理想。另外,系统性能不高,控制曲线随负载变化,转矩响应慢,电机转矩利用率不高,而且由于定子电阻和变频器死区效应的存在,低速时性能下降,稳定性变差。因此,人们研究了矢量控制变频调速。

B. 电压空间矢量(SVPWM)控制方法

它是基于三相波形整体生成效应,以逼近电机气隙理想的圆形旋转磁场轨迹为目的,每次生成一个三相调制波形,以内接多边形逼近圆的方式进行控制。

经过实际使用,对其进行了改进,即引入频率补偿,消除速度控制的误差;通过反馈估计磁链幅值,消除低速时定子电阻的影响;闭合输出电压、电流环,提高动态精度和稳定性。但控制电路环节较多,且未引入转矩调节,系统性能并未得到根本改善。

C. 媒介控制(VC)方法

其本质是将交流电机等效为直流电机,独立控制转速和磁场。通过控制转子磁链,将定子电流分解得到转矩和磁场分量,利用坐标变换实现正交或解耦控制。矢量控制方法的提出具有划时代的意义。然而在实际应用中,由于转子磁链难以精确观测,系统特性受电机参数影响较大,且等效直流电机控制过程中采用的矢量旋转变换较为复杂,导致实际控制效果难以达到理想的分析结果。

D.直接转矩控制(DTC)方法

1985年,德国鲁尔大学DePenbrock教授首次提出了直接转矩控制变频技术,该技术很大程度上解决了上述矢量控制的不足,并以新颖的控制思想、简洁清晰的系统结构、优异的动静态性能得到了迅速发展。

目前该技术已成功应用于电力机车大功率交流传动牵引。直接转矩控制直接分析定子坐标系下交流电机的数学模型,控制电机的磁通和转矩。它不需要将交流电机等同于直流电机,从而省去了矢量旋转变换等许多复杂的计算;不需要模仿直流电机的控制,也不需要简化交流电机的数学模型进行解耦。

E.矩阵AC-AC控制方法

VVVF变频、矢量控制变频、直接转矩控制变频均属于交-直-交变频类型,它们的共同缺点是输入功率因数低、谐波电流大、直流电路需用较大的储能电容,再生能量不能回馈电网,即不能四象限运行。

为此,矩阵式交-交变频应运而生。由于矩阵式交-交变频省去了中间直流环节,从而省去了体积大且价格昂贵的电解电容。它能够实现功率因数为1,输入电流为正弦波,并可四象限工作,系统功率密度高。虽然该技术尚不成熟,但仍吸引着众多学者进行深入研究。其本质不是间接控制电流、磁通等量,而是直接利用转矩作为被控量来实现。

3.变频器如何控制电机?两者如何连接?

变频器控制电机的接线比较简单,和接触器的接线类似,都是三根主电源线进出电机,但是设置比较复杂,控制变频器的方式也不同。

首先,对于变频器的接线端子,虽然品牌众多,接线方式也各有不同,但大多数变频器的接线端子区别不大。一般分为正反转开关量输入,用于控制电机的正反转启动。反馈端子用于反馈电机的运行状态,包括运行频率、转速、故障状态等。

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对于速度设定控制,有的变频器使用电位器,有的直接使用按钮,这些都通过物理接线控制。另一种方式是使用通讯网络。现在很多变频器都支持通讯控制,可以通过通讯线控制电机的启停、正反转、调速等。同时,反馈信息也通过通讯进行传输。

4.当电机的转速(频率)变化时,其输出扭矩会发生什么变化?

采用变频器驱动时的启动转矩和最大转矩比直接采用电源驱动时要小。

电机采用电源供电时,启动和加速冲击较大,而采用变频器供电时,这些冲击较小。直接采用电源启动会产生较大的启动电流。采用变频器供电时,变频器的输出电压和频率会逐渐加到电机上,因此电机的启动电流和冲击较小。通常,电机产生的转矩会随着频率的降低(转速的降低)而减小。具体减小的数据在某些变频器手册中有说明。

通常的电机是针对50Hz电压设计和制造的,其额定转矩也在此电压范围内给定。因此,在额定频率以下的调速称为恒转矩调速。(T=Te,P<=Pe)

当变频器输出频率大于50Hz时,电机产生的转矩与频率成反比的线性关系下降。

当电机运转频率大于50Hz时,必须考虑电机负载的大小,防止电机输出转矩不足。

例如,电机在100Hz时产生的转矩减小到50Hz时产生的转矩的约1/2。

因此额定频率以上调速称为恒功率调速。(P=Ue*Ie)。

5.50Hz以上变频器的应用

对于特定的电机来说,它的额定电压和额定电流是恒定的。

例如变频器与电机的额定值均为:15kW/380V/30A,则电机可以运行在50Hz以上。

当调速为50Hz时,变频器的输出电压为380V,电流为30A。此时,如果将输出频率提高到60Hz,变频器的最大输出电压和电流只能为380V/30A。显然,输出功率保持不变,所以我们称之为恒功率调速。

此时扭矩是多少?

因为P=wT(w;角速度,T:扭矩),由于P不变,w增大,扭矩也会相应减小。

我们还可以从另一个角度来看:

电机定子电压为U=E+I*R(I为电流,R为电阻,E为感应电势)。

可以看出,当U和I不变时,E也不变化。

且E=k*f*X(k:常数;f:频率;X:磁通量),因此当f从50–>60Hz变化时,X也会相应减小。

对于电机来说,T=K*I*X(K:常数;I:电流;X:磁通量),因此转矩T会随着磁通量X的减小而减小。

同时,在低于50Hz时,由于I*R很小,当U/f=E/f不变时,磁通(X)为常数。转矩T与电流成正比。这就是为什么通常用变频器的过流能力来描述其过载(转矩)能力,并称之为恒转矩调速(额定电流不变-->最大转矩不变)。

结论:当变频器的输出频率从50Hz以上增加时,电机的输出转矩会减小。

6.与输出扭矩相关的其他因素

发热量和散热能力决定了变频器的输出电流能力,从而影响变频器的输出转矩能力。

1、载波频率:变频器上标注的额定电流一般是在最高载波频率和最高环境温度下能够保证持续输出的值。降低载波频率不会影响电机的电流,但会减少元器件的发热量。

2、环境温度:就像检测到环境温度相对较低时,逆变器保护电流值不会增加。

3、海拔:海拔高度的升高对散热及绝缘性能有影响,一般1000m以下可忽略,高于1000m时,每升高1000m,容量降低5%。

7.变频器控制电机的合适频率是多少?

在上面的总结中,我们了解了为什么要用变频器来控制电机,也了解了变频器是如何控制电机的。变频器对电机的控制,可以概括为以下几点:

首先,变频器控制电机的启动电压和频率,实现平滑启动和平滑停止;

二、采用变频器来调节电机的转速,通过改变频率来调节电机的转速。

 

安徽明腾永磁电机产品采用变频器控制,在25%-120%的负载范围内,比同规格异步电动机效率更高、运行范围更宽,节能效果显著。

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发布时间:2024年9月9日