变频器对变频电机的驱动控制

摘 要 本文主要解决风扇驱动控制系统中的变频器对变频电机的驱动控制的问题。风扇驱动系统为液压驱动的冷却系统，风扇驱动系统的工作原理是主控系统通过RS485下达命令给变频器（如风扇转速），变频器控制变频电机，由变频电机带动液压泵，由液压泵带动液压马达驱动冷却风扇。风扇转速通过转速传感器发出脉冲信号转换后传给变频器，变频器通过读取风扇实际转速，对风扇转速进行闭环控制，使风扇转速始终稳定在规定的转速范围内。同时，变频器与变频电机之间也要实现闭环控制。

关键词 变频器；闭环控制；转速

中图分类号TM4 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2013）84-0130-02

变频电机驱动控制系统由两套相同的变频柜、变频电机、电机控制系统、变频控制系统、主控通讯系统、连接电缆及其附件等组成。

1 系统的已知条件

风扇的最高转速：5 500r/min；

风扇功率：115kW（5 500r/min时）；

液压泵的理论最高额定转速：2 214 r/min；

液压泵的理论最大输入扭矩：765N·m。

2 变频电机驱动控制系统的工作原理

变频器通过RS485接口接收主控系统的命令，如风扇转速信号，主控计算机可以通过RS485接口远程启动和停止变频器（同时变频器要有急停接口分别放到控制间和试验间），变频器通过RS485接口将转速等信号反馈传输给主控计算机系统。变频器通过电缆与变频电机连接，电机驱动液压泵，液压泵驱动液压马达，液压马达驱动风扇旋转，风扇转速通过转速传感器发出脉冲信号变换后传给变频器，变频器通过读取风扇实际转速，对风扇的转速进行闭环控制。风扇转速在0r/min～5500r/min时，控制精度为±5r/min，风扇的最高转速为5 500r/min，同时，风扇的控制精度可以根据实际情况做相应的调整。变频器和变频电机之间的闭环控制，来辅助风扇转速与变频器之间的闭环控制。

1）在闭环运行模式下， 可以设定并调节被控制量的期望值，变频器将根据被控量的实际值，自动调节变频器的输出频率，控制电动机的转速，使被控量的实际值自动逼近期望值；

2）在开环运行模式下，变频器的运行频率由PLC或主界面给定；

3）变频器的频率输出信号为4mA～20mA. 变频器的指令接受信号也为4mA～20mA。变频器的状态信号、故障信号等都可以上传到PLC；

4）可以直接利用变频器柜门上的主界面起动、停机和调速。也可以在控制室进行起动、停机、急停、加速、减速、远方-就地转换、故障报警、故障消除、频率表（数字表）及引风机运行电流显示。

3 变频器工作原理

变频器主要由整流（交流变直流）、滤波、逆变（直流变交流）、制动单元、驱动单元、检测单元、微处理单元等组成的。PS7000系列变频器的整流器件采用六单元整流桥，通过电容滤波，逆变器件为绝缘栅双极性晶体管（IGBT），驱动、检测、微处理单元都集成在电源板和主控板上。

通常的电机是按50Hz电压设计制造的，其额定转矩也是在这个电压范围内给出的。因此在额定频率之下的调速称为恒转矩调速. （T=Te， P

电机的转速可以自由改变，n = 60f/p（1-s） 。其中n：电机的转速；f：电源频率；p：电机磁极对数；s：电机的转差率。电机的转速 = 60（s）＊频率（Hz）/电机的磁极对数 - 电机的转差率。电机的旋转速度同频率成比例。

4 变频柜主要参数

变频柜型号为PS7000 200G3，额定功率200kW，变频范围可以从0HZ到400Hz，额定电压为三相交流380V，额定电流380A，

采用闭环控制方式，与主控通讯接口是RS485接口。与主控传输协议为ModBus。

变频柜的原理如下：

图1

图1为变频器驱动变频电机的主回路原理图，L1、L2、L3为三相380V电源，SB为万能转换开关，通过旋转手柄可以使电压表分别显示AB、AC、BC之间的电压。QF11、QF12为电动断路器，可以通过柜门上的按钮（SB2）操作使断路器的接通，按钮使断路器断开。L11、L22、L33分别为输入电抗器、输出电抗器、直流电抗器。变频器和调速器在使用过程中，经常会受到来自浪涌电流和浪涌电压的冲击，会严重损坏变频器和调速器的性能和使用寿命，所以要在其前面加装输入电抗器，用以抑制浪涌电压和浪涌电流，保护变频器和调速器，延长其使用寿命和防止谐波干扰，同时由于变频器和调速器是采用变频的方式调速的，所以在调速的时候经常会产生高次谐波和产生波形畸变，会影响设备正常使用，为此，须在输出端加装一个输出电抗器，用于滤出谐波电压和谐波电流，改善电网质量。

M1为变频电机，M2是变频电机的冷却风扇，M3为变频柜的柜内风机，用于冷却柜内的发热器件，如IGBT、整流器等。

图1右侧为变频器控制回路的接线，FWD、RST、COM端子，通过设定相应的参数和继电器的控制，可以实现对变频器启动、停止、复位等操作，SS1、SS2、SS3组合可以切换频率设定模式。

V1/DA1、V1/DA2分别输出4-20mA信号给PLC，用于显示运行频率和运行电流。IF、V3是变频器的反馈信号输入端子，用于实现PID控制，比例控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差。

在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的 或简称有差系统。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。这样，即便误差很小，积 分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。因此，比例+积分（PI）控制器，可以使系统在进入稳态后无稳 态误差。

图2

在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。 自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。其原因是由于存在有较大惯性组件（环节）或有滞后组件，具有抑制误差的作用， 其变化总是落后于误差的变化。解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。这就是说，在控制器中仅引入 “比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项”，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例+微分的控制器，就能 够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例+微分（PD）控制器能改善系统在 调节过程中的动态特性。

图2为控制回路原理图，SB1是三位转换开关，当选择‘本地’时，中间继电器KA11线圈得电，KA11的常开点闭合，常闭点断开，通过柜门上的启动按钮SB5对变频柜进行启动操作，停止按钮SB4。当选择‘手动’时，SS1、SS2、SS3的组合为OFF、ON、ON，频率设定模式为键盘或RS485给定。当选择‘自动’时，SS1、SS2、SS3的组合为ON、ON、OFF，此时为PID调节方式。TA1/TC1和TA2/TC2为变频器的继电器输出点，通过参数设置，变频器运行时TA1/TC1闭合，变频器故障时TA2/TC2闭合。

5 电机主要参数

电机型号为YTSP315L-4（IC416），额定功率200kW，电机转速范围可从0r/min 到3 000 r/min之间调节，四级电机，额定电压为三相380V交流电压，额定电流360A，变频范围3Hz～100Hz，额定转速1 500 r/min（50Hz），最高转速可达到3 000 r/min（100Hz），最高扭矩大于1 200N·m，电机控制方式采用变频器闭环控制。

参考文献

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