变频器在电机控制中的应用研究

[摘 要]本文根据变频器工作原理，探讨了变频器的应用及效能，分析了变频器在电机控制中应用的特点和功能。

[关键词]变频器；电机控制；应用

中图分类号：TN773 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）34-0246-01

一、变频器工作原理

变频器的核心是电力电子器件及控制方式。电力电子器件就是在电路中起通断作用并实现各种变流的器件，变频器就是这种变流的装置，它随着逆变器件的发展而发展。变频器用不同的控制方式得到的调速性能特性及用途是不同的。控制方式大体分为开环和闭环控制，开环控制有u/f（电压与频率）成正比例的控制方式；闭环有转差频率控制和各种矢量控制。

变频器电路方式有交―交变频和交一直一交变频两种电路。基本工作原理为整流器将交流变为直流，平滑波电路将直流电平滑，逆变器将直流电逆变为频率可调的交流电。

1.交一交变频器是指无直流中间环节，直接将电网频率的电压变换为频率比电网频率低而可变的输出电压的变换器。

2、交一直一交变频器的工作原理。目前应用最广泛的是交一直一交变频器。其工作原理是先将三相或单相不可调工频电源经过整流桥整流成直流电，再经过逆变桥把直流电逆变成频率任意可调的交流电，以实现无级调速。交一直一交变频器的主电路有电压型变频和电流型变频。电压型是将电压源的直流变换为交流的变频器；电流型是指将电流源的直流变换为交流的变频方式。控制方式也分为电压控制和电流控制两种。这两种方式不管主电路方式是电压型还是电流型都可以适用。

二、变频器的应用及效能

目前，变频器适用领域不断扩大，所采用的技术也不断拓宽，主电路采用了栅极一控制极新技术，集电极一射极问的饱和电压Uce（sat）大为降低，从而开发出第四代IGBT，即使普通的通用变频器也进入了矢量控制的新时代。只要用户选用一种备用电路板，就可使通用变频器变成一个带速度传感器PG（脉冲发生黝的矢量控制变频器。传感器装置多采用高分辨率的16位数字编码器，信号的并行传送方式改为串行传送。在智能化方面，新开发的变频器可以事先对变频器的一些部件，如电容的电容量、总运行时问及环境湿度进行测定，综合评估来预告该部件的寿命等，一般通用变频器都装备有带RS- 485的标准功能，通过专用的开放总线方式运行。

采用变频器对机械设备变频调速运转可以达到节能效果，采用多台电动机以比例速度运转可以达到省力自动化的效果，对电动机增速运转可以达到提高产量的效果，采用高频电动机进行高速运转可以达到提高产量的效果，在恶劣的环境中可以取代直流电动机减少维修，选择无级的最佳速度运转可以提高产品的质量，采用空调压缩机调速运转来进行连续温度控制，可以达到提高舒适性的效果。

三、变频器在电机控制中工作原理

一般来说，变频技术应用于电机的控制中，这样可以使系统达到稳定系统速度，电流流量负荷降低。采用变频控制技术不仅有利于电机的稳定运行，更可以得到较好的节能效果。

通常，变频控制系统的硬件组成主要有以下几个部分：智能PID控制器、电源切换柜、变频器和异步电机组成。在变频系统中安装电源切换柜，主要是为了加大系统安全系数。当变频系统出现故障时，仍能保证电机的正常运行；变频器的主要作用就是控制电机的转速，实现变频节能技术；智能PID控制器卞要作用是，通过相关算法保持电机输出的转速恒定。

变频控制系统是通过安装在压缩空气系统总管上的速度传感器检测到电机速度的变化传给PID控制器，PID控制器按照设定电机速度输出一个电流信号送到变频器。当速度传感器检测到的电机速度信号大于电机速度设定值时，PID控制器输出的信号减弱，使变频器输出频率降低，异步电机转速降低；当速度传感器检测到的电机速度信号小于目标速度设定值时，PID控制器输出的信号增强，使变频器输出频率增加，异步电机速度转速上升，从而达到稳定电机输出速度的目的。电机变频控制电动机转速和电源频率的关系为：。其中：为电动机转速；为电动机转差率；为电源频率；为电动机极对数。

PID控制器由比例单元，积分单元，和微分单元组成，其控制规律为：

其中，为积分时间和微分时间，为比例系数。这三个参数的取值优劣将影响到PID控制系统的控制效果的好坏。比例增益的作用是为了及时的反映控制系统的偏差信号，一旦系统出现了偏差，比例调节作用立即产生调节作用，使系统偏差快速减小；积分环节的引用是为了消除系统稳态误差，提高系统的无差度，以保证实际值对设定值的无静差跟踪；微分环节作用的引入，主要是为了改善控制系统的响应速度和稳定性。微分作用能反映系统偏差的变化规律，预见偏差变化的趋势，因此能产生超前的控制作用。

四、变频器在电机控制中功能特点

变频器功能是在大功率整流元件的基础上发展起来的，将变频、微电子、机电结合起来它先把50HZ的交流电整流成直流电，然后通过可控整流元件把直流电变成可控的交流电，以驱动电机运转，达到控制电机启、停及故障报警输出等目的。

1、变频器的启动频率可调启动时，电机频率从0.02HZ-50HZ缓慢启动，启动电流从0到额定电流时也缓慢变化，大大降低了电机的启动电流通过试验及调整。

2、加速时间任意设定。加速时间指电机启动从转速为0到额定转速所用的时间，可调范围为0-6500s加速时间越长，启动越平稳，但到达额定电流所用时间就越长。通过加速时间设定后，在电机启动时，声音从小到大，转速平稳通过采用变频器这种启动方式，对电机启动非常有好处，大大延长了电机的使用寿命；无变频器，电机自启动时，启动瞬间声音较大，发出尖锐的噪声同时转速也不稳定，这种启动方式将会造成电机损坏并降低电机的使用寿命。

3、基准电压和基准频率可调变频器输出电压可在50-460V之间任意选择；运行频率可在30-120HZ之间任意选择，输出电压和运行频率可以在特定条件和特定要求下运行。

4、运行指令选择共有操作面板控制、外部端子信号操作控制（外部命令）、串行通信（远方命令）控制3种运行指令。

5、频率指令设定方法的选择。有操作面板外部模拟信号（（0―5V）外部模拟信号（0-10V或电位器），外部模拟信号（4-20mA）、步进设定、二进制设定、装置内部设定、串行设定等，特别是外部模拟信号控制非常有用。电机频率可以根据被控制设备的变化而变化，如有些压力要求特别严格的条件下，保持某一特定压力，变频器会在外部模拟信号控制命令下变频运行，常用的外部信号为4-20 mA电流。

五、变频器在电机保护方面的主要功能

应该说，变频器的变频启动和变频运行，本身就是对电机最好的保护，另外，它还有二次保护系统所具有的所有保护，主要包括以下几项。

1、过电流限制（防止失速）。当电流超过设定的电流值时，可改变频率的变化率来限制电流的增加。加速时，当输出电流达到设定值，暂时降低频率的上升或降低频率变化率，防止失速，以限制电流值来进行加速；恒速时，若电机过载，输出电流达到设定值，就进行频率的降低，当过载状态解除以后就返回到设定的频率。

2、过电流保护。当电流过大，超过变频器的容许值范围时，保护电路就发生动作，使变频器停机（变频器自动判断，不需用户设定）。

3、过电压保护。因电机反馈的再生能量过大而使变频器的直流环路电压超过规定值时，保护电路动作，使变频器停机如果电机减速中的再生能量过大，超过制动电阻的消费量，使变频器直流电压进一步上升，此时就会截止频率的下降而让频率上升，以防止过电压跳闸；再生能量开始减少时，率则变缓，并再次开始减速。

另外还有欠压保护、过载保护、进线断相保护、外部热敏器动作保护、CPU异常保护等，这些都能起到保护电机的作用。

六、结语

变频技术随着微电子学、电力电子技术、电子计算机、自动控制理论的发展已经进入一个崭新的时代，特别是在节能领域的应用更是一枝独秀。变频调速技术作为高新技术、基础技术和节能技术，在电机控制的应用，大大延长了电机的使用寿命，提高了设备安全稳定运行的可靠性。

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