變頻器控制電機，可以調到多大的頻率？

在工作中，一道變頻器控制電機的頻率題，難倒眾多電工達人工程干將。

我們都知道，變頻器是從事電氣工作所應該掌握的一種技術(shù)，使用變頻器控制電機是電氣控制中較為常見(jiàn)的方法；有的也要求一定要熟練運用。今天小編就以淺薄的知識整理歸納相關(guān)的知識點(diǎn)，內容或有重復，旨在和大家分享變頻器和電機之間的那些奇妙關(guān)系。

我們先簡(jiǎn)單的了解下這兩個(gè)設備。

電機是一個(gè)感性負載，它阻礙電流的變化，在啟動(dòng)的時(shí)候會(huì )產(chǎn)生電流的較大變化。

變頻器，是利用電力半導體器件的通斷作用將工頻電源變換為另一頻率的電能控制裝置。它主要由兩部分電路構成，一是主電路（整流模塊、電解電容和逆變模塊），二是控制電路（開(kāi)關(guān)電源板、控制電路板）。

為了降低電動(dòng)機的啟動(dòng)電流，尤其是功率較大的電機，功率越大，啟動(dòng)電流越大，過(guò)大的啟動(dòng)電流會(huì )給供配電網(wǎng)絡(luò )帶來(lái)較大的負擔，而變頻器能夠解決這個(gè)啟動(dòng)問(wèn)題，讓電機平滑啟動(dòng)，而不會(huì )引起啟動(dòng)電流過(guò)大。

使用變頻器的另一個(gè)作用就是對電機進(jìn)行調速，很多場(chǎng)合需要控制電機的轉速以獲得更好的生產(chǎn)效率，而變頻器調速一直是它最大的亮點(diǎn)，變頻器通過(guò)改變電源的頻率以達到控制電機轉速的目的。

變頻器控制電機常用的五種方式如下：

低壓通用變頻輸出電壓為380～650V，輸出功率為0.75～400kW，工作頻率為0～400Hz，它的主電路都采用交—直—交電路。其控制方式經(jīng)歷了以下四代。

1U/f=C的正弦脈寬調制(SPWM)控制方式

其特點(diǎn)是控制電路結構簡(jiǎn)單、成本較低，機械特性硬度也較好，能夠滿(mǎn)足一般傳動(dòng)的平滑調速要求，已在產(chǎn)業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應用。

但是，這種控制方式在低頻時(shí)，由于輸出電壓較低，轉矩受定子電阻壓降的影響比較顯著(zhù)，使輸出最大轉矩減小。

另外，其機械特性終究沒(méi)有直流電動(dòng)機硬，動(dòng)態(tài)轉矩能力和靜態(tài)調速性能都還不盡如人意，且系統性能不高、控制曲線(xiàn)會(huì )隨負載的變化而變化，轉矩響應慢、電機轉矩利用率不高，低速時(shí)因定子電阻和逆變器死區效應的存在而性能下降，穩定性變差等。因此人們又研究出矢量控制變頻調速。

電壓空間矢量(SVPWM)控制方式

它是以三相波形整體生成效果為前提，以逼近電機氣隙的理想圓形旋轉磁場(chǎng)軌跡為目的，一次生成三相調制波形，以?xún)惹卸噙呅伪平鼒A的方式進(jìn)行控制的。

經(jīng)實(shí)踐使用后又有所改進(jìn)，即引入頻率補償，能消除速度控制的誤差；通過(guò)反饋估算磁鏈幅值，消除低速時(shí)定子電阻的影響；將輸出電壓、電流閉環(huán)，以提高動(dòng)態(tài)的精度和穩定度。但控制電路環(huán)節較多，且沒(méi)有引入轉矩的調節，所以系統性能沒(méi)有得到改善。

矢量控制(VC)方式

矢量控制變頻調速的做法是將異步電動(dòng)機在三相坐標系下的定子電流Ia、Ib、Ic、通過(guò)三相－二相變換，等效成兩相靜止坐標系下的交流電流Ia1Ib1，再通過(guò)按轉子磁場(chǎng)定向旋轉變換，等效成同步旋轉坐標系下的直流電流Im1、It1(Im1相當于直流電動(dòng)機的勵磁電流；It1相當于與轉矩成正比的電樞電流)，然后模仿直流電動(dòng)機的控制方法，求得直流電動(dòng)機的控制量，經(jīng)過(guò)相應的坐標反變換，實(shí)現對異步電動(dòng)機的控制。

其實(shí)質(zhì)是將交流電動(dòng)機等效為直流電動(dòng)機，分別對速度，磁場(chǎng)兩個(gè)分量進(jìn)行獨立控制。通過(guò)控制轉子磁鏈，然后分解定子電流而獲得轉矩和磁場(chǎng)兩個(gè)分量，經(jīng)坐標變換，實(shí)現正交或解耦控制。矢量控制方法的提出具有劃時(shí)代的意義。然而在實(shí)際應用中，由于轉子磁鏈難以準確觀(guān)測，系統特性受電動(dòng)機參數的影響較大，且在等效直流電動(dòng)機控制過(guò)程中所用矢量旋轉變換較復雜，使得實(shí)際的控制效果難以達到理想分析的結果。

直接轉矩控制(DTC)方式

1985年，德國魯爾大學(xué)的DePenbrock教授提出了直接轉矩控制變頻技術(shù)。該技術(shù)在很大程度上解決了上述矢量控制的不足，并以新穎的控制思想、簡(jiǎn)潔明了的系統結構、優(yōu)良的動(dòng)靜態(tài)性能得到了迅速發(fā)展。

目前，該技術(shù)已成功地應用在電力機車(chē)牽引的大功率交流傳動(dòng)上。直接轉矩控制直接在定子坐標系下分析交流電動(dòng)機的數學(xué)模型，控制電動(dòng)機的磁鏈和轉矩。它不需要將交流電動(dòng)機等效為直流電動(dòng)機，因而省去了矢量旋轉變換中的許多復雜計算；它不需要模仿直流電動(dòng)機的控制，也不需要為解耦而簡(jiǎn)化交流電動(dòng)機的數學(xué)模型。

矩陣式交—交控制方式

VVVF變頻、矢量控制變頻、直接轉矩控制變頻都是交—直—交變頻中的一種。其共同缺點(diǎn)是輸入功率因數低，諧波電流大，直流電路需要大的儲能電容，再生能量又不能反饋回電網(wǎng)，即不能進(jìn)行四象限運行。

為此，矩陣式交—交變頻應運而生。由于矩陣式交—交變頻省去了中間直流環(huán)節，從而省去了體積大、價(jià)格貴的電解電容。它能實(shí)現功率因數為l，輸入電流為正弦且能四象限運行，系統的功率密度大。該技術(shù)目前雖尚未成熟，但仍吸引著(zhù)眾多的學(xué)者深入研究。其實(shí)質(zhì)不是間接的控制電流、磁鏈等量，而是把轉矩直接作為被控制量來(lái)實(shí)現的。

方法：

控制定子磁鏈引入定子磁鏈觀(guān)測器，實(shí)現無(wú)速度傳感器方式；

自動(dòng)識別(ID)依靠精確的電機數學(xué)模型，對電機參數自動(dòng)識別；

算出實(shí)際值對應定子阻抗、互感、磁飽和因素、慣量等算出實(shí)際的轉矩、定子磁鏈、轉子速度進(jìn)行實(shí)時(shí)控制；

實(shí)現Band—Band控制按磁鏈和轉矩的Band—Band控制產(chǎn)生PWM信號，對逆變器開(kāi)關(guān)狀態(tài)進(jìn)行控制。

變頻器控制電機的接線(xiàn)較為簡(jiǎn)單，跟接觸器的接線(xiàn)差不多，三根主電源進(jìn)線(xiàn)，然后出線(xiàn)給電機，但是其中的設置就有說(shuō)道了，控制變頻器的方式也多為不同。

首先我們來(lái)看一下變頻器的接線(xiàn)端子，雖然說(shuō)品牌較多，接線(xiàn)方式也有不同，但是大部分的變頻器的接線(xiàn)端子也都差不太多。一般分為正反轉的開(kāi)關(guān)量輸入，用來(lái)控制電機多的啟動(dòng)正反轉。反饋端子，用來(lái)反饋電機的運行狀態(tài)，包括運行的頻率，轉速，故障狀態(tài)等等。速度給定控制，有些變頻器是用電位器，有的直接使用按鍵，都為不通。

通過(guò)物理接線(xiàn)方式來(lái)控制的，還有一種方式是走的通訊網(wǎng)絡(luò )，很多的變頻器現在都支持通訊控制，可以通過(guò)這個(gè)通訊線(xiàn)就控制電機的啟動(dòng)停止，正反轉，調節速度等，同時(shí)反饋信息也通過(guò)通訊進(jìn)行傳送。

變頻器驅動(dòng)時(shí)的起動(dòng)轉矩和最大轉矩要小于直接用工頻電源驅動(dòng)。

電機在工頻電源供電時(shí)起動(dòng)和加速沖擊很大，而當使用變頻器供電時(shí)，這些沖擊就要弱一些。工頻直接起動(dòng)會(huì )產(chǎn)生一個(gè)大的起動(dòng)起動(dòng)電流。而當使用變頻器時(shí)，變頻器的輸出電壓和頻率是逐漸加到電機上的，所以電機起動(dòng)電流和沖擊要小些。

通常，電機產(chǎn)生的轉矩要隨頻率的減?。ㄋ俣冉档停┒鴾p小。減小的實(shí)際數據在有的變頻器手冊中會(huì )給出說(shuō)明。

通過(guò)使用磁通矢量控制的變頻器，將改善電機低速時(shí)轉矩的不足，甚至在低速區電機也可輸出足夠的轉矩。

當變頻器調速到大于50Hz頻率時(shí)，電機的輸出轉矩將降低

通常的電機是按50Hz電壓設計制造的，其額定轉矩也是在這個(gè)電壓范圍內給出的。因此在額定頻率之下的調速稱(chēng)為恒轉矩調速。(T=Te，P<=Pe)

變頻器輸出頻率大于50Hz頻率時(shí)，電機產(chǎn)生的轉矩要以和頻率成反比的線(xiàn)性關(guān)系下降。

當電機以大于50Hz頻率速度運行時(shí)，電機負載的大小必須要給予考慮，以防止電機輸出轉矩的不足。

舉例，電機在100Hz時(shí)產(chǎn)生的轉矩大約要降低到50Hz時(shí)產(chǎn)生轉矩的1/2。

因此在額定頻率之上的調速稱(chēng)為恒功率調速.(P=Ue*Ie)

大家知道，對一個(gè)特定的電機來(lái)說(shuō)，其額定電壓和額定電流是不變的。

如變頻器和電機額定值都是：15kW/380V/30A,電機可以工作在50Hz以上。

當轉速為50Hz時(shí)，變頻器的輸出電壓為380V，電流為30A。這時(shí)如果增大輸出頻率到60Hz，變頻器的最大輸出電壓電流還只能為380V/30A，很顯然輸出功率不變，所以我們稱(chēng)之為恒功率調速。

這時(shí)的轉矩情況怎樣呢？

因為P=wT(w；角速度，T：轉矩），因為P不變，w增加了，所以轉矩會(huì )相應減小。

我們還可以再換一個(gè)角度來(lái)看：

電機的定子電壓U=E+I*R(I為電流，R為電子電阻，E為感應電勢)

可以看出，U，I不變時(shí)，E也不變.

而E=k*f*X（k：常數；f：頻率；X：磁通），所以當f由50-->60Hz時(shí)，X會(huì )相應減小

對于電機來(lái)說(shuō)T=K*I*X（K：常數；I：電流；X：磁通），因此轉矩T會(huì )跟著(zhù)磁通X減小而減小

同時(shí)，小于50Hz時(shí)，由于I*R很小，所以U/f=E/f不變時(shí)，磁通(X)為常數。轉矩T和電流成正比。這也就是為什么通常用變頻器的過(guò)流能力來(lái)描述其過(guò)載(轉矩)能力，并稱(chēng)為恒轉矩調速(額定電流不變-->最大轉矩不變)

結論：當變頻器輸出頻率從50Hz以上增加時(shí)，電機的輸出轉矩會(huì )減小

其他和輸出轉矩有關(guān)的因素

發(fā)熱和散熱能力決定變頻器的輸出電流能力，從而影響變頻器的輸出轉矩能力。

在上面的整理中，我們已經(jīng)了解到為什么要用變頻器控制電機，也清楚了變頻器是如何控制電機的。變頻器控制電機，總結起來(lái)無(wú)外乎這兩點(diǎn)：一是變頻器控制電機的啟動(dòng)電壓，頻率；達到平滑啟動(dòng)平滑停止；二是利用變頻器調節電機的速度，通過(guò)改變頻率進(jìn)行電機的調速。