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0理論基礎(chǔ)

(資料圖片僅供參考)

三相籠型異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速公式為：

n=60f/p（1-s）

p為極對(duì)數(shù)，s為轉(zhuǎn)差率，f為供電電源頻率。 由此可看出三相籠型異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速方法有三種：改變極對(duì)數(shù)p的變極調(diào)速、改變轉(zhuǎn)差率s的降壓調(diào)速和改變電動(dòng)機(jī)供電電源頻率f的變頻調(diào)速。

1變頻器簡(jiǎn)述

變頻技術(shù)誕生背景是交流電機(jī)無級(jí)調(diào)速的廣泛需求，其主要只能為調(diào)速與變頻。

變頻器（Inverter，原意為逆變器）是應(yīng)用變頻技術(shù)與微電子技術(shù)，通過改變電機(jī)工作電源頻率方式（變頻）來控制交流電動(dòng)機(jī)的電力控制設(shè)備。一般逆變器是把直流電源逆變?yōu)橐欢ǖ墓潭l率和一定電壓的逆變電源；對(duì)于逆變?yōu)轭l率可調(diào)、電壓可調(diào)的逆變器則稱為變頻器。除了調(diào)速以外，變頻器還有節(jié)能的特點(diǎn)，主要表現(xiàn)在風(fēng)機(jī)、水泵的應(yīng)用上。

單相電機(jī)不適合以變頻器進(jìn)行變速運(yùn)行，以電容器起動(dòng)方式時(shí)，電容器中將產(chǎn)生高次諧波電流，損壞電容器。對(duì)于分相起動(dòng)方式和反彈起動(dòng)方式的單相電機(jī)，由于其內(nèi)部的離心力開關(guān)不動(dòng)作，會(huì)有燒壞起動(dòng)線圈的危險(xiǎn)。

變頻器常與PLC搭配使用。

在60Hz以下的變頻器效率大約為94%~96%。

1.1變頻器的其它功能

軟啟軟?！? 軟啟動(dòng)指電壓由零慢慢提升到額定電壓，這樣電機(jī)在啟動(dòng)過程中的啟動(dòng)電流，就由過去過載沖擊電流不可控制變成為可控制。 ●軟停止指電壓由額定電壓慢慢降至零，使轉(zhuǎn)速緩慢降低，從而減少動(dòng)力沖擊。無極調(diào)速可以直接通過面板旋鈕（電位器）直接對(duì)電動(dòng)機(jī)速度進(jìn)行控制保護(hù)功能過載保護(hù)、過電流保護(hù)、過電壓保護(hù)、欠電壓保護(hù)…

1.2變頻器的分類

按變換的環(huán)節(jié)分類●交-交型變頻器：工頻交流直接變換成頻率電壓可調(diào) ●交-直-交型變頻器：工頻交流變成直流再逆變成頻率電壓可調(diào)的交流，是目前廣泛應(yīng)用的通用型變頻器。采用交-直-交變化的原因是交流電網(wǎng)電壓和頻率固定，需要借由直流電逆變來得到電壓和頻率都能調(diào)節(jié)的電源，與交-交變頻器相比，輸出頻率不受輸入電源頻率的制約。按直流電源性質(zhì)分類：電壓型變頻器和電流型變頻器按調(diào)壓方法分類：PAM變頻器（較少使用）和PWM變頻器按控制方式分類●U/f控制變頻器f（VVVF控制）：U/f控制就是保證輸出電壓和頻率成正比的控制，常用于低端變頻器 ●SF控制變頻器 ●矢量控制變頻器：基本原理為通過測(cè)量和控制異步電動(dòng)機(jī)定子電流矢量，根據(jù)磁場(chǎng)定向原理分別對(duì)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。用于高精度要求場(chǎng)合。 ●直接轉(zhuǎn)矩控制

2變頻器的變頻原理

2.1交-直-交變換

分為交-直變換工程和直-交變換過程兩個(gè)基本過程。

交-直變換過程：將不可調(diào)的電網(wǎng)的三相/單相交流電經(jīng)整流橋整流成直流電直-交變換過程：把直流電逆變成電壓和頻率都任意可調(diào)的三相交流電

2.2變頻變壓的原理

電動(dòng)機(jī)變頻變壓調(diào)速不僅需要改變電動(dòng)機(jī)的頻率f，同時(shí)也需要改變電動(dòng)機(jī)電壓。這是因?yàn)榻档碗妱?dòng)機(jī)頻率時(shí)，如果電壓不降低，則電動(dòng)機(jī)的每級(jí)氣隙的磁通量勢(shì)必會(huì)增加，因?yàn)樵谠O(shè)計(jì)時(shí)電動(dòng)機(jī)的磁通量已接近飽和，一旦增加將導(dǎo)致繞組線圈的電流急劇上升，從而造成電動(dòng)機(jī)繞組燒毀。 因此電動(dòng)機(jī)變頻變壓調(diào)速不僅需要改變電動(dòng)機(jī)的頻率f，同時(shí)也需要改變電動(dòng)機(jī)電壓，通常把磁通作為一個(gè)恒定數(shù)值，此時(shí)電壓和頻率比值為固定比例。 即 U/f=常數(shù)

實(shí)現(xiàn)方法

變頻變壓的實(shí)現(xiàn)方法有脈幅調(diào)制（PAM）、脈寬調(diào)制（PWM）和正弦脈寬調(diào)制（SPWM）。 其中正弦脈寬調(diào)制波的實(shí)現(xiàn)方法有單極性正弦脈寬調(diào)制和雙極性脈寬調(diào)制。

3變頻器的常用功能

變頻器調(diào)速系統(tǒng)的控制方式有兩種，一是U/f控制，是基本方式；二是矢量控制，是高級(jí)方式。

3.1 U/f控制功能

u/f控制方式即U/f=常數(shù)，具體請(qǐng)參考上文變頻變壓的原理。 理想u/f控制曲線如下：

轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償功能轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償，或稱轉(zhuǎn)矩提升，指在u/f控制方式下，利用增加輸出電壓來提高電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的方法。 在基頻以下調(diào)速時(shí)，u/f控制方式下磁通量恒定。f較高時(shí)，保持u/f恒定，即可近似地保持主磁通恒定；f較低時(shí)磁通量會(huì)下降，導(dǎo)致輸出轉(zhuǎn)矩下降，提升變頻器的輸出電壓即可補(bǔ)償轉(zhuǎn)矩不足，使磁通量保持恒定。 常用的補(bǔ)償方法有線性補(bǔ)償、分段補(bǔ)償和平方律補(bǔ)償?shù)取?/p>

U/f控制方式是比較簡(jiǎn)單的控制方式，屬于開環(huán)控制，它并沒有實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速環(huán)的構(gòu)建，適用于生產(chǎn)機(jī)械對(duì)調(diào)速系統(tǒng)的靜、動(dòng)態(tài)性能要求不高的場(chǎng)合。

節(jié)能運(yùn)行功能節(jié)能運(yùn)行控制功能是指變頻器將檢測(cè)到的電動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)與變頻器中儲(chǔ)存的標(biāo)準(zhǔn)電動(dòng)機(jī)的參數(shù)進(jìn)行比較從而自動(dòng)給出最佳工作電壓的過程，即節(jié)能運(yùn)行。 節(jié)能運(yùn)行只能用于u/f控制方式下。

3.2矢量控制功能

矢量控制原理

矢量控制方式屬于高性能控制方式，基于異步電動(dòng)機(jī)的按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型，其控制原理類似直流電動(dòng)機(jī)。將測(cè)得的變頻器實(shí)際輸出電流按空間矢量的方式進(jìn)行分解，形成轉(zhuǎn)矩電流分量與勵(lì)磁電流分量?jī)蓚€(gè)電流閉環(huán)，同時(shí)又可借助編碼器或內(nèi)置觀測(cè)器模型來構(gòu)成速度閉環(huán)，這種雙閉環(huán)控制方式（類似直流調(diào)速系統(tǒng)中的雙閉環(huán)控制）可以改善變頻器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力，減小滑差，保證系統(tǒng)速度穩(wěn)定，確保低頻時(shí)的轉(zhuǎn)矩輸出。

當(dāng)系統(tǒng)難以安裝傳感器，或沒有合適的傳感器，導(dǎo)致某些狀態(tài)變量不能測(cè)量時(shí)，狀態(tài)觀測(cè)器可以基于系統(tǒng)模型設(shè)計(jì)成虛擬傳感器，從而實(shí)現(xiàn)一個(gè)完整的狀態(tài)反饋控制。最常用的觀測(cè)器設(shè)計(jì)方法基于卡爾曼濾波器，因其可以定期清除由于測(cè)量噪聲造成的累積預(yù)測(cè)誤差。

使用內(nèi)置觀測(cè)器模型來構(gòu)成速度閉環(huán)時(shí)，稱為無速度傳感器矢量控制 （SVC）/無感矢量控制/開環(huán)矢量控制。 使用編碼器來構(gòu)成速度閉環(huán)時(shí)，稱為速度傳感器矢量控制（VC）/閉環(huán)矢量控制。

轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制的優(yōu)點(diǎn)是可以大幅提高速度控制的精度。測(cè)速元件通常采用光電編碼器。 閉環(huán)矢量控制 VS 開環(huán)矢量控制？ 控制系統(tǒng)中的觀測(cè)器

矢量控制實(shí)現(xiàn)過程

首先檢測(cè)并計(jì)算三相輸出電壓和電流矢量；然后將定子電流人為地分解為兩個(gè)相互垂直的矢量，并解釋為勵(lì)磁電流和轉(zhuǎn)子電流；然后用直流調(diào)速系統(tǒng)（他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)）的控制方式去控制交流異步電動(dòng)機(jī)，通過運(yùn)算調(diào)節(jié)器對(duì)兩個(gè)信號(hào)分別控制，從而控制逆變電路的輸出。

矢量控制方式需要實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和磁鏈的解耦，故控制系統(tǒng)比較復(fù)雜，但其具有同直流電動(dòng)機(jī)電樞電流控制方式同等水平的控制性能。注意使用矢量控制功能時(shí)，只能連接一臺(tái)電動(dòng)機(jī)，且運(yùn)行前需對(duì)變頻器進(jìn)行自整定操作。

簡(jiǎn)介

PID控制器（比例-積分-微分控制器），由比例單元§、積分單元(I)和微分單元(D)組成，通過Kp， Ki和Kd三個(gè)參數(shù)進(jìn)行設(shè)定。 P代表了當(dāng)前的信息，起糾正偏差的作用，使反應(yīng)迅速； D代表了將來的信息，在過程開始時(shí)強(qiáng)迫過程進(jìn)行，過程結(jié)束時(shí)減小超調(diào)，克服振蕩，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，加快系統(tǒng)的過度過程； I代表了過去積累的信息，它能消除靜差，改善系統(tǒng)的靜態(tài)特性。

PID控制器主要適用于基本上線性，且動(dòng)態(tài)特性不隨時(shí)間變化的系統(tǒng)。當(dāng)不完全了解一個(gè)系統(tǒng)和被控對(duì)象或不能通過有效的測(cè)量手段來獲得系統(tǒng)參數(shù)時(shí)，最適合采用PID控制技術(shù)。

1.比例（proportion）控制比例控制器能立即成比例地響應(yīng)輸入的變化量。調(diào)節(jié)器輸出u與其輸入偏差e之間的關(guān)系是比例關(guān)系，誤差值和kp相乘，然后和預(yù)定的值相加。僅有比例控制時(shí)，系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差，這是由比例控制的本質(zhì)決定的，如果偏差為0，比例控制器就會(huì)失去作用，從而導(dǎo)致偏差增大。

u=kp*error

上圖為比例控制。

2.比例積分（PI）控制即比例+積分（PI）控制器。 為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入“積分項(xiàng)”。積分項(xiàng)對(duì)誤差的運(yùn)算取決于時(shí)間的積分，隨著時(shí)間增加，積分項(xiàng)會(huì)增大，所以即便誤差很小，積分項(xiàng)也會(huì)隨時(shí)間增加而加大，它推動(dòng)控制器的輸出增大，使穩(wěn)態(tài)誤差進(jìn)一步減小，直到等于零。但是積分作用的引入，會(huì)使系統(tǒng)穩(wěn)定性變差（見圖）。 比例積分控制對(duì)于時(shí)間滯后的被控對(duì)象使用不夠理想。

u=kp*error+ ki?∫ error

上圖為比例積分控制。

3.比例微分（PD）控制即比例+微分（PD）控制器。 在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的微分（即誤差的變化率）成正比關(guān)系。自動(dòng)控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過程中可能會(huì)出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。其原因是由于存在有較大慣性組件（環(huán)節(jié)）或有滯后(delay)組件，具有抑制誤差的作用，其變化總是落后于誤差的變化。 解決的辦法是使抑制誤差的作用的變化“超前”，即在誤差接近零時(shí)，抑制誤差的作用就應(yīng)該是零。目前需要增加的是“微分項(xiàng)”，它能預(yù)測(cè)誤差變化的趨勢(shì)，這樣，具有比例+微分的控制器，就能夠提前使抑制誤差的控制作用等于零，甚至為負(fù)值，從而避免了被控量的嚴(yán)重超調(diào)。 所以對(duì)有較大慣性或滯后的被控對(duì)象，比例+微分(PD)控制器能改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過程中的動(dòng)態(tài)特性，否則反而會(huì)使系統(tǒng)的控制受到影響。

u=kd*（error（t）-error（t-1））

4.PID控制PID的離散化公式（便于計(jì)算機(jī)處理）為 上圖為比例積分微分控制（理想情況）。

變頻器的閉環(huán)運(yùn)行就是在變頻器控制的拖動(dòng)系統(tǒng)中引入負(fù)反饋，進(jìn)行反饋控制，以提高反饋精度。

PID控制器的參數(shù)整定

一般采用的是臨界比例法（屬于工程整定法）。

利用該方法進(jìn)行PID控制器參數(shù)的整定步驟如下： (1)首先預(yù)選擇一個(gè)足夠短的采樣周期讓系統(tǒng)工作； (2)僅加入比例控制環(huán)節(jié)。初調(diào)時(shí)，選小一些，然后慢慢調(diào)大，直到系統(tǒng)對(duì)輸入的階躍響應(yīng)出現(xiàn)臨界振蕩，記下這時(shí)的比例放大系數(shù)和臨界振蕩周期； (3)在一定的控制度下通過公式計(jì)算得到PID控制器的參數(shù)。 積分系數(shù)初調(diào)時(shí)要把積分時(shí)間設(shè)置長(zhǎng)些，然后慢慢調(diào)小直到系統(tǒng)穩(wěn)定為止。 如果通過比例、積分參數(shù)的調(diào)節(jié)還是收不到理想的控制要求，就可以調(diào)節(jié)微分時(shí)間。初調(diào)時(shí)把這個(gè)系數(shù)設(shè)小，然后慢慢調(diào)大，直到系統(tǒng)穩(wěn)定。

3.4過載保護(hù)功能

變頻器的過載保護(hù)功能的保護(hù)對(duì)象為電動(dòng)機(jī)和變頻器本身。

對(duì)電動(dòng)機(jī)的過熱保護(hù)功能 變頻器內(nèi)置的電子熱繼電器可監(jiān)視變頻器的輸出電流。注意，只能對(duì)一臺(tái)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行電子熱保護(hù)，拖動(dòng)多臺(tái)電動(dòng)機(jī)時(shí)，需要在每臺(tái)電動(dòng)機(jī)上接熱繼電器。對(duì)變頻器自身的保護(hù)功能 變頻器對(duì)過流、過壓、過功率、斷電、其他故障等均可進(jìn)行自動(dòng)保護(hù)，并發(fā)出報(bào)警信號(hào)，甚至跳閘斷電。

4補(bǔ)充：變頻器技術(shù)在節(jié)能中的作用

變頻調(diào)速的節(jié)能體現(xiàn)在變頻節(jié)能、功率因數(shù)補(bǔ)償節(jié)能與軟啟動(dòng)節(jié)能3個(gè)主要方面。

4.1變頻節(jié)能

根據(jù)流體力學(xué)可知，風(fēng)機(jī)水泵的軸功率與轉(zhuǎn)速的三次方成正比。這表明當(dāng)設(shè)備效率一定時(shí)，流量變小會(huì)引起設(shè)備的轉(zhuǎn)速成比例的降低，這將使軸功率以立方關(guān)系大幅降低。而風(fēng)機(jī)水泵的傳統(tǒng)調(diào)速方式是通過調(diào)節(jié)出入口擋板、閥門開度來調(diào)節(jié)流量，這一過程將耗費(fèi)大量的能源。應(yīng)用變頻器的變頻功能，根據(jù)當(dāng)前要求的流量，動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)變頻器輸出頻率，進(jìn)而改變風(fēng)機(jī)水泵的轉(zhuǎn)速，可以使其在低速小流量的狀態(tài)下仍可保持高效率運(yùn)行，并降低設(shè)備的功耗。

4.2功率因數(shù)補(bǔ)償節(jié)能

功率因數(shù)（Power Factor）在數(shù)值上是指交流電路有功功率（P）對(duì)視在功率（S）的比值，與電路的負(fù)荷性質(zhì)有關(guān)，用cosΦ表示 。功率因數(shù)與電器設(shè)備的效率成正比，與無功功率成反比，因此通過功率因數(shù)補(bǔ)償可以在提高設(shè)備利用率的同時(shí)降低無功功率造成的線路電壓損失和電能損耗。變頻器內(nèi)部的濾波電容可以提高功率因數(shù)，減少無功功率的損耗，并增加電網(wǎng)的有功功率，從而削減用戶的用電成本。

4.3軟啟動(dòng)節(jié)能

軟啟動(dòng)（Soft Start）指電機(jī)啟動(dòng)時(shí)，晶閘管的輸出電壓由0緩慢提升，此時(shí)電動(dòng)機(jī)將逐漸加速；當(dāng)晶閘管全部導(dǎo)通時(shí)，輸出電壓為額定電壓，電動(dòng)機(jī)達(dá)到額定轉(zhuǎn)速，啟動(dòng)過程結(jié)束。通過軟啟動(dòng)使得設(shè)備的啟動(dòng)電流可控，實(shí)現(xiàn)平滑啟動(dòng)，避免啟動(dòng)過流跳閘，并延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命。變頻器具有軟啟動(dòng)功能，其節(jié)能性體現(xiàn)在電機(jī)的啟動(dòng)過程中，通過軟啟動(dòng)來啟動(dòng)電機(jī)，可以降低啟動(dòng)能耗，達(dá)到節(jié)能的目的。