变频器的基本原理

交流驱动近年来，随着微处理器和半导体技术的发展，交流变频调速理论不断发展，大功率变频器的性能和可靠性的不断提高，岸桥控制上越来越多地使用了交流变频技术。各大电气制造商相继推出了自己的交流控制系统，使这项控制技术日趋成熟。实践证明这种交流控制系统具有许多优点：（1）交流电机无需整流子和调换电刷，减少了维护工作量、防护等级高，节省了大量维修费用和维护时间。（2）变频器加装直流电抗器以后，整体装置的功率因素高干0.9；如采用正弦波滤波器，功率因素接近于1。（3）考虑到维护的费用，交流系统有一定的价格优势，且随大容量主电路元件的开发运用，变频驱动的价格尚有较大的下降空间。1.驱动系统组成B.异步电机C.编码器（也可不用）2.交流驱动的原理交流驱动的执行机构是交流异步电机。交流异步电机在设计制造完成以后，其基本特性已经确定，即其输出转矩只与滑差转速有关，空载时电机转速与同步转速相同，带载时随着负载大小的变化，电机转速较同步转速有一个相应的微小差异。有以下关系式：电机实际转速＝同步转速－滑差转速式中滑差转速与负载有关，所以，只要改变同步转速，就能改变电机转子的实际转速。而同步转速no满足下式:式中P为电机级数，为常数，所以，只要改变电机输入端的频率，就能改变电机的同步转速，进而改变电机转子的实际输出转速。3.交流驱动的控制方式交流驱动的控制方式主要有以下几种：V／F控制、电压矢量控制、速度闭环矢量控制和直接转矩控制等。起升及小车运行机构使用闭环矢量控制，大车运行及俯仰机构使用V／F控制。（1）V／F控制方式。又名VVVF控制。早期变频器多采用V／F控制，逆变器控制输出交流频率，并同时保证输出电压的幅值与频率成一定的比例关系（为了保持电机磁场恒定），转子转速将随负载转矩变化而略有变化。但由于异步电机特性较硬，额定负载时的滑差转速一般只有工频同步转速的4%，所以，这种控制方式适用于速度精度要求不十分严格的场合。它的优点是开环控制，不需要速度传感器，稳定性好。缺点是低频时难以保证电机磁场恒定不变。岸桥的大车行走机构对调速精度的要求不是很高，所以常用这种控制方式，而且让一台变频器带几台电机并联使用，能将多台电机自动拉人同步。（2）电压矢量控制。电压矢量控制基于变频器的拓扑结构，通过控制逆变器输出的电压量，在电机内部产生圆型旋转磁场。采用这种控制方式的电压利用率高。如果进行电压矢量控制时，以恒定的电机旋转磁场为控制目标，就成为磁通矢量控制。采用这种控制方式在计算中需要预先知道电机和布线的参数，所以要进行电机自动调整，以测得这些参数。现在的磁通矢量控制能在开环情况下达到1：10O的转速比。（3）转速闭环矢量控制。对转矩要求高、响应快的控制系统而言，矢量控制方式是较好的选择。矢量控制方式是根据交流电动机的动态数学模型，利用坐标变换，将交流电动机的定子电流分解成磁场电流分量和转矩电流分量，并加以控制，以获得类似于直流调速系统的动态性能。采用磁通矢量控制时，变频器必须很好地与电机配合，所以需要电机参数和来自电机的反馈信号，即速度传感器是必不可少的。变频器和各电机采用一对一的控制方式。岸桥的起升及小车机构对可靠性的要求非常高，要求变频器在零速运行时有较大的转矩输出，所以，在起升机构和小车运行机构中必须使用矢量控制的方式。不同型号的变频器所采用的控制方式是不同的，所以在确定不同机构所选用的变频器时，必须了解该变频器的控制方式及其适用范围。一台性能较全的变频器通常可以选择几种控制方式，在使用时必须加以合理的运用。（4）直接转矩控制。直接转矩控制是转矩控制的另一种控制方式，它采用数字信号处理硬件，对于力矩和速度的控制，是直接基于电动机的电磁状态，首次采用对力矩磁通进行控制的传动技术，大大提高了传动装置对于要求力矩改变时做出响应的速度。这种控制方式的优点是有优越的动态性能，低频时对力矩的响应更好。在岸桥的控制系统中，也采用这种控制方式的变频调速系统，但是一次性投资较大。4.岸桥对交流驱动的特殊要求对起升机构而言，恒功率控制是一个特殊的问题。即在额定负载时，电机转速为额定转速；当负载减小时，电机速度相应提高。适合起升专用的变频器能自动检测负载的转矩，并根据测得的负载转矩变化情况，保持恒功率输出。轻载时电机运转速度成倍提高，以提高工作效率。起升及俯仰机构的另一个特殊要求，是当电机处于发电机运行状态时的能量处理。常规的处理方法是采用制动电阻将能量消耗掉，但这样会浪费宝贵的能源；较先进的方法是使用能量反馈单元，将能量直接送回电网。现在已有将整流桥和能量反馈单元整合在一起，能实现能量的双向流动；同时保证电流波形与电网电压波形同相的正弦波。总之，随着技术的进一步发展，交流变频技术将会越来越多的被运用到岸桥的控制中去。一.变频器的基本原理1.异步电动机的调速原理异步电动机的同步转速,也即旋转磁场的转速为:异步电动机的轴转速为:s称为异步电动机转差率:可见,改变电动机定子侧供电电源频率f1,即可以改变其同步转速,实现无级调速的目的。异步电机调速时，希望尽量保持主磁通Φm不变：1〕磁通太弱，铁芯利用不充分，同样的转子电流下，电磁转矩小，电机负载能力下降。2〕磁通太强，则铁芯处于过励磁状态，励磁电流过大，限制了定子电流的负载分量，电机负载能力下降。主磁通也即气隙磁通是由定子、转子合成磁势产生的，保持磁通恒定的方法：三相异步电动机定子每相电动势的有效值为：N1～定子相绕组有效砸数Φm～每极磁通量(Wb).可见,是由E1和f1共同决定的,对E1和f1进行适当的控制,就可以使保持最佳额定值不变。2.交流电动机弱磁调速的概念1)基频以下的恒磁通变频调速由上节分析可知,基频(电机额定频率)以下调速时,为保证电机负载能力,应尽量保持主磁通Φm不变,这就要求在降低供电电源频率f1的同时,也应降低感应电动势E1,使E1/f1等于常数,这种恒磁通控制属于恒转矩控制方式。由于感应电动势E1难于检测和直接控制，且当E1和f1值较高时，定子漏阻抗压降相对较小，可近似认为E1/f1≈v1/f1。因此，按恒定比例控制v1/f1，即可以达到恒磁通目的。2〕基频以上的弱磁调速由于V1受电机额定电压限制不能继续升高，只能通过减小来获得基频以上的调速特性，这种定子电压不变，而减小调速区段称为pfn1160磁极对数定子频率同步转速__________min/_____11PHZfrn)1(60)1(11spfsnn11/)(nnnsmNfE11144.4＝弱磁调速，也叫恒功率调速。此时随着速度的不断升高，电机输出转矩是在逐渐减小的。3.v/f、矢量控制调速原理以上分析的调压又调频的方法称为VVVF(VariableVoltageVariableFrequency).1)v/f控制基本实现方法PWM脉冲宽度调制方式(PulseWidthModuiation)利用参考电压UR与载频三角波UC互相比较，来决定主功率器件的导通时间，实现调压。脉冲宽度调制是利用相当于基波分量的信号波对三角载波进行调制，达到调节输出脉冲度的一种方法。2〕v/f控制方式的缺点v1v1Φmv1N0f1f1Nf1①在低频时，由于V较小，定子阻抗压降的分量比较显著，不在能忽略。②当转矩增大到最大值以后，特性就向下弯了。③最大转矩随着f1的降低而减少。尽管可以采取低频补偿措施，但通常认为v/f控制的下限频率应不小于0.3HZ。3〕矢量控制由于v/f控制是基于异步电动机的静态数学模型，因此，其动态指标不高，对于轧钢、造纸等行业，还需要高品质动态指标的控制方式。矢量控制是根据交流电动机的动态数学模型，利用坐标变换手段，将电机的定子电流分解成磁场分量电流和转矩分量电流，通过对一次定子电流的大小、频率及相位进行适当的控制，可实现矢量分解及控制。4〕IGBT功率器件的迅速发展，使得变频器的诸优越性能得以实现。①IGBT电于其开关损耗低，可使载波频率大幅度提高到20K左右。②使电机电流更趋于正弦波，大大减小转矩脉动和电机内部因脉动而造成的损耗。③IGBT为压控器件，门极触发功率很小，使驱动回路简单及体积小。④由于开关频率高，di/dt、dv/dt、通态电阻、阻断电流（漏电流）等内部参数差异小，容易实现并联扩容。4〕四种控制模式的特点控制模式V/f控制带PGv/f控制开环矢量控制闭环矢量控制控制模式电压/频率控制(Openloop)电压/频率控制带速度补偿电流矢量不带PG控制电流矢量带PG控制速度检出器不要要(PG)不要要(PG)速度检出器Option不要PG-A2,PG-D2不要PG-B2,PG-X2速度控制范围1:401:401:1001:100启动转矩150%/3HZ150%/3HZ150%/1HZ150%0r/min速度控制精度±2%～±3%±0.03%±0.2%±0.02%转矩控制不可不可不可可以适用用途同时驱动多台电机,电机参数不知道,不能做Autotuning机械侧已安装PG需多种调速的场合简易伺服驱动,高精度控制,转矩控制二.安川变频器的结构形式1.一般变频器的基本构成与功能1)主回路给异步电动机提供调频调压电源的电力变换部分,称为主回路.a.整流器把工频电源变换为直流电源,电功率的传送不可逆b.滤波器在整流器整流后的直流电压中,含有脉动电压,此外,逆变器回路产生的脉动电流也使直流电压波动。为了抑制这些电压波动采用直流电阻器和电容器吸收脉动电压（电流）。①②③④⑤⑥⑦⑧⑨constantNo.NameSettingRangeSettingunitRemarksNormalSettingA1-04passward1(forinput)0000--9999*forfutureuse.0000=0686b1-01speedreferenceselection0--30:digitaloperator3:optioncard0b1-02operationmethodselection0--3*0:digitaloperator3:optioncard0c1-01accelectiontime1*secc1-02decelerationtime2*secc8-01ratedspeedadjustment0.5000--1.30000onlyformotor11d1-01speedreference10.00--110.00%0d1-09jogspeedreference0.00--110.00%10e3-06motormax.r/min0-3600r/mine3-07motorbase.r/min0-3600r/mine3-09motorarmatureresistance(r1)0.00--65.00欧0.012e3-10motord-axisinductance(Ld)e3-11motorq-axisinductance(Lq)e3-12motorinducedvoltage(Ke)e3-17y-axisvoltaveoffset0%notinitalized-2.5e3-18PGzeropointpulsecompensationamount.-180--180degnotinitalized-158.3e3-23Energy-savingcontrolconstant(Ki)e3-24Energy-savingcontrolconstant(Kt)e3-27votagelimitcontrolsettingvoltage.0.0--460.0V*400=200,=400e3-56initialmagneticpoleestimatedcurrent(Si)e3-57initialmagneticpoleestimatedjudgment(Sd)f1-01PGconstant0-60000*1f1-02PGrotation0,2*0:motorforwardrunwithphaseAleading1:motorreverserunwithphaseAleading1024h1-01multi-functioninput