变频器的原理及矢量控制的应用(正式)

变频器的原理及矢量控制的应用

设备部

李国栋

摘要：本文介绍了变频器基本原理。并从实际应用出发，介绍了变频器的各种应用模式。对变频器矢量控制模式的控制特点、电机参数的自学习，实际生产中的应用做了较祥细的论述。

变频器是电力电子技术，微电子技术，电机控制理论及自动控制技术高度发展的产物。如今，交流变频调速逐渐成为电气传动的主流，主要用于控制异步电动机的转速和转矩，不仅扩大了电动机的转速调节范围，使电动机转速能够从零速到高于额定转速的范围内变化，而且具有动态响应，工作效率高，输出特性好，使用方便等其它调速方案所无法比拟的特长。加上交流电动机对环境适应性强，维修简单，价格低，容易实现高速大容量的优势，使得以前直流电动机占主要地位的调速传动领域，正逐渐被交流电动机变频调速所取代。本文通过对变频器原理和变频器矢量控制原理的阐述，使大家从理论上对变频器的矢量控制有一个比较全面的认识。并结合自身的工作实践，描述分析了变频器矢量控制在实际生产中的应用，提高大家对变频器矢量控制特点的认识。

一、

交流电动机的转速表达式n=

n 转速r/min

ƒ1 定子供电频率Hz

P 磁极对数

S 转差率

由上式可以归纳出交流电动机的3种调整方法：改变极对数P调整，改变转差率S调速和改变电源频率调速。改变磁极对数调速是有级的调速，转速不能连续调节。变转差率调速时，不调同步转速（即不改变电源频率）而是通过调节定子电压U1,转子电阻R2或采用电磁离合器来实现，存在着低速时，转差损耗较大，效率低的缺点。变频调速采用调节同步转速（即改变三相异步电动机的电源频率），可以由高速到低速保持有限的转差率，效率高，调速范围宽，精度高，是三相异步电动机比较理想的调速方案。

实际应用中，变频器采用了调压调频技术，即在改变输出频率的同时改变输出电压。因为单纯的改变输出电压的频率，并不能正常调速。三相交流电机的转矩公式

Te =C m φm I 21COS φ

2 Te ：电磁转矩

C m ：转矩常数

φm ：主磁通量(Wb)

I 21:转子电流折算到定子侧的有交值（A ）

COS φ2:转子电路的功率因数

而三相交流电机的主磁通φm ≈

U 1 定子相电压 v

ƒ1 定子相电压频率 Hz

N 1 定子每相绕组串联的匝数

K 绕组系数

由上式可见，如果只改变ƒ1调速，当ƒ1上升，φm 下降，则拖动转矩Te 下降，这样电动机的拖动能力会降低，对于恒转矩负载会因拖不动而堵转。如果调节ƒ1下降，则φm 上升，又会引起主磁通饱和，励磁电流会急剧升高，使定子绕组电流严重增加，大于额定电流。这两种情况，在实际运行中都是不允许的。由此可知，只改变频率，实际上并不能正常调速。

变频器在调节输出电压频率ƒ1的同时，调节输出电压U 1 的大小，通过U 1和ƒ1配合实现不同类型的调频调压调速。

（一） 保持U 1/ƒ1等于常数的，近似恒磁通(即恒转矩）的控制方式

U 1

由于主磁通φm ≈

在调节ƒ1时，比例调节U 1，可以近似实现在频率ƒ1改变时，φm 为常数即基本不变，实现近似恒转矩的控制方式，但电动机的最大拖动转矩

3PU 12n

Tem=

4πƒ1n （R 1/a+ R 1/a +X 21n ）

ƒ1n 额定频率

R1 定子每相电阻

X21n 定子每相—漏感抗

a 调频倍数，a=ƒ1/ƒ1n (实际频率与额定频率的比值)

从上式可知，定子绕级电压频率越低，则调频倍数a越小，所能形成的最大电磁转矩越小；定子绕组电压频率越高，则调频倍数a值越大，产生的电磁转矩也越大。也就是说U1/ƒ1等于常数的调频调压调速，并不是真正的恒转矩（恒磁通调速），低频低速时，由于在定子绕组电阻上产生的压降比例上升，用于形成主磁通的电压不足，造成主磁通φm下降，使最大拖动转矩明显不足，转差率明显增大；在高频调速时，调频倍数a接近1，定子绕组电源电压主要用于形成主磁通，定子绕组电阻上的压降可以忽略不计，最大转矩近似不变。实际应用中，采用变频器的V/ƒ即压频控制方式，在恒转矩负载时如果监视电机在不同频率下的输出转速，会发现频率高时，转差率小，而在低频时，转差率明显增大。

（二）保持P m等于常数的恒功率控制方式和机械特性

近似或严格的恒磁通控制方式，都要在调节频率ƒ1的同时，相应地调节输出电压U1进行调速，当调速达到额定工作点时，ƒ1=ƒ1n,且U1= U1m 。如果在额定工作点以后继续向上调，因为电源电压的限制和电动机允许工作电压的限制，也不能再跟随频率向上调节变频器的输出电压。因此，在额定工作点以后只能向上调频，不能向上调压，电压必须保持额定值不变，主磁通因电压频率ƒ1上升而下降，相应的电磁转矩下降。

电机功率P等于转矩与转速的乘积，随转速上升，转矩下降，出现近似的恒功率的状态。

二、变频调速系统的矢量控制

20世纪70年代初，德国学者Blaschhle等人首先提出了矢量控制变换这种控制思想。矢量控制成功的解决了交流电动机电磁转矩的有效控制，使异步电动机可以像他励直流电机那样控制，实现优良的动、静态调速特性，实现交流电动机高性能控制，因此矢量控制又称为解耦控制或矢量变换控制。发展趋势表明，矢量控制将淘汰标量控制，成为交流电动机传动系统的工业标准控制技术。

（一）矢量控制的概念

从产生同样的旋转磁场为准则，在三相坐标系上的定子交流电流iA iB iC通过三相/

两相变换，可以等效成两相静止坐标系上的交流电流iα iβ，再通过同步旋转变换，可以等效成同步旋转坐标系上的直流电流im 和it。

ω

从整体上看，输入为A、B、C三相电压,输出为转速ω，是一台异步电动机。从内部看，经过3/2变换和同步旋转变换，变成一台由im和it输入，ω输出的直流电动机。既然异步电动机经过坐标变换可以等效成直流电动机，那么模仿直流电动机的控制策略，得到直流电动机的控制量，经过相应的坐标反变换，就能够控制异步电动机了。由于进行坐标变换的是电流（代表磁通）的空间矢量，所以这样通过坐标变换实现的控制系统叫作矢量控制系统。

（二）矢量控制时，异步电动机数学模型参数的获得

矢量控制是基于电动机多项静态和动态参数，经过复杂算法运算得到的高精度动态控制。这些参数在V/ƒ控制即电压频率控制中是涉及不到的，并且大部分的电动机的说明书中都没能提供。三相异步电动机除电动机铭牌上提供的额定参数外，矢量控制所必须的电动机参数有：转子的时间常数或磁化时间，祛磁时间，定子线间电阻，电缆电阻，转子电阻，定子漏感，转子漏感，主电感等。做为一般用户，这些参数是很难得到的，为此矢量控制变频器都设计了变频器自学习电动机参数的功能。不进行自学习，变频器不能获得矢控制所必须的参数，