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变频调速理论原理

变频调速理论原理

点击数:7870 次   录入时间:03-04 11:54:41   整理:http://www.55dianzi.com   变频器基础

    1.变频调速基本原理

    异步电动机的转速可表示为n= 60f/p1-s)。式中s称为转差率。当电动机刚刚开始起动时,n=0s=1;若电动机处于理想空载,n=n1n1称为同步转速),s=0,此时转子与定子旋转磁场同步,额定负载情况下,s2% - 5%;所以异步电动机的额定转速总是接近于同步转速,如2890r/min1450r/min975 r/min741r/mm等。

    电动机和负载的转速与频率、电动机的极对数、转差率有关。从电动机转速公式很容易看出,改变供电频率就会改变电动机的转速,但变频器通常是通过同时改变供电电压和频率进行速度调节的,这种方法的目的是不管转速如何都要获得恒定的可用电动机转矩;转矩公式为T= KΦIcosΦ=常量,而Φ=常量;在这种条件下,不管频率如何,在额定电流下,都将获得额定的电动机转矩;对于一台异步电动机,定子绕组产生磁通:Φ=LI在某频率f下加电压U在绕组两端,符合欧姆定律,记为U=ZI;如果忽略定子绕组电阻,一个绕组在交流下的电抗可记为Z=ωL,故U=ωLI;ω代表角频率:ω= 2πf;所以,为了获得恒定的磁通,进而获得恒定的辖矩,U/f必须是一个与频率无关的常数。也就是说,电压必须与频率成正比变化。

    2.变频器调速矢量控制原理

    变频器矢量控制的出发点是通过数学的方法,对交流电动机的模型进行解耦,使各物理量分解为励磁分量和转矩分量,然后模仿直流电动机的控制方法进行控制。变频器矢量控制图如图2-2所示,直流调速系统有着优异的动静态调速性能,原因是直流电动机的磁通可通过单独调节励磁电流来实现控制,与电枢电流调节彼此互不影响,容易做到磁通恒定,在磁通恒定的情况下,转矩与电枢电流成正比,而交流电动机的磁通无法单独控制。异步电动机的模型是多输入(电压、电流、频率、相位)、多输出(磁通、转矩),并且多个变量耦合在一起的,调节电压、电流既影响磁通又同时影响转矩。

 

2-2 变频器矢量控制图

    解耦的基本方法以产生同样的旋转磁场为约束条件,产生旋转磁场不一定非用三相绕组、通三相交流电不可,也可采用通两相交流电的两相绕组,再进一步采用以同步转速旋转的坐标系,此时的模型与直流电动机一样。

    以转速、磁链闭环微机控制的电流滞环型PWM变频调速系统为例,矢量控制的原理框图如图2-3所示。

2-3 矢量控制的原理框图

    3.有速度(位置)传感器矢量控制和无速度(位置)传感器矢量控制

    在矢量控制系统开发的初期都要求在电动机轴上装设编码器,测取速度(位置)信号,有些场合安装编码器困难,所以又开发了无速度传感器系统。无速度传感器系统现在是热门话题,方法很多,但真正用于工业产品的都基于同样的原理即电压、电流模型法。

    电压模型使用电动机参数较少,在速度高于5% - 10%(高速)时,计算精度较高,低于5% - 10%(低速)时,由于电压太低,计算误差大。电流模型使用电动机参数多,特别是受转子电阻变化影响大,计算误差略大,但这种误差与转速无关。在有速度传感器的系统中,高速时使用电压模型,控制精度高;低速时使用电流模型,精度虽不如高速时高,但仍能正常运行。在无速度传感器系统中,高速时角速度由比较电压、电流模型计算结果(辨识)得到,因此只能达到有速度传感器系统的低速水平;低速时由于电压模型不准,基准没了,无法辨识,因此系统只能抛弃矢量控制,改为开环工作。现在市场上的无速度传感器矢量控制系统在低速时都是开环系统,性能差。它们只适合用于无长期低速运行,且高速时调速精度要求不高的场合。


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