如何為變頻器選擇合適的控制方法

電機(jī)至少占美國(guó)能源消耗的一半。為應(yīng)用選擇正確的控制方法可使電機(jī)最有效地運(yùn)行，同時(shí)最大化扭矩和整體性能。高效運(yùn)行的電機(jī)也可以減少能源消耗，減少停機(jī)時(shí)間，從而節(jié)省更多成本。

對(duì)于由變頻器（VFD）控制的電機(jī)，大部分使用的控制方法決定了電機(jī)在應(yīng)用中的效率和性能。一旦工程師和設(shè)計(jì)人員了解每種控制方法的優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)和特定規(guī)格，為任何應(yīng)用選擇合適的控制方法都變得簡(jiǎn)單。

變頻技術(shù)是應(yīng)交流電機(jī)無(wú)級(jí)調(diào)速的需要而誕生的。20世紀(jì)60年代以后，電力電子器件經(jīng)歷了SCR（晶閘管）、GTO（門(mén)極可關(guān)斷晶閘管）、BJT（雙極型功率晶體管）、MOSFET（金屬氧化物場(chǎng)效應(yīng)管）、SIT（靜電感應(yīng)晶體管）、SITH（靜電感應(yīng)晶閘管）、MGT（MOS控制晶體管）、MCT（MOS控制晶閘管）、IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）、HVIGBT（耐高壓絕緣柵雙極型晶閘管）的發(fā)展過(guò)程，器件的更新促進(jìn)了電力電子變換技術(shù)的不斷發(fā)展。20世紀(jì)70年代開(kāi)始，脈寬調(diào)制變壓變頻（PWM－VVVF）調(diào)速研究引起了人們的高度重視。20世紀(jì)80年代，作為變頻技術(shù)核心的PWM模式優(yōu)化問(wèn)題吸引著人們的濃厚興趣，并得出諸多優(yōu)化模式，其中以鞍形波PWM模式效果最佳。20世紀(jì)80年代后半期開(kāi)始，美、日、德、英等發(fā)達(dá)國(guó)家的VVVF變頻器已投入市場(chǎng)并獲得了廣泛應(yīng)用。?

變頻器控制方式的合理選用?

控制方式是決定變頻器使用性能的關(guān)鍵所在。目前市場(chǎng)上低壓通用變頻器品牌很多，包括歐、美、日及國(guó)產(chǎn)的共約50多種。選用變頻器時(shí)不要認(rèn)為檔次越高越好，而要按負(fù)載的特性，以滿(mǎn)足使用要求為準(zhǔn)，以便做到量才使用、經(jīng)濟(jì)實(shí)惠。

如何為變頻器選擇合適的控制方法

控制方法

業(yè)內(nèi)許多人認(rèn)為控制方法是控制VFD的排序方法，如2線(xiàn)和3線(xiàn)設(shè)置。這種2線(xiàn)和3線(xiàn)設(shè)置確定VFD的輸入控制端子是否與保持的觸點(diǎn)或瞬時(shí)按鈕接口以啟動(dòng)和停止驅(qū)動(dòng)器。本文所關(guān)注的控制方法可能更準(zhǔn)確地稱(chēng)為運(yùn)動(dòng)控制方法。他們確定VFD如何控制電機(jī)。

連接到VFD的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)有四種主要類(lèi)型的電動(dòng)機(jī)控制方法：V / f（伏特/赫茲），帶編碼器的V / f，開(kāi)環(huán)矢量和閉環(huán)矢量。這些方法都使用脈沖寬度調(diào)制（PWM），這種技術(shù)通過(guò)調(diào)制脈沖持續(xù)時(shí)間來(lái)改變固定信號(hào)的寬度，以產(chǎn)生可變模擬信號(hào)。

通過(guò)使用VFD直流母線(xiàn)電容器的固定直流電壓，將PWM應(yīng)用于VFD。輸出側(cè)的一組絕緣柵雙極晶體管（IGBT）快速打開(kāi)和關(guān)閉以產(chǎn)生脈沖。改變輸出電壓波形中的輸出脈沖寬度可以構(gòu)建模擬的AC正弦波。即使驅(qū)動(dòng)器的輸出電壓波形由DC脈沖引起的方波組成，電流波形也是正弦波，因?yàn)殡姍C(jī)是電感式的。所有電機(jī)控制方法都依靠PWM電壓波形來(lái)控制電機(jī)。控制方法之間的區(qū)別在于它們?nèi)绾卧谌魏谓o定時(shí)刻計(jì)算電機(jī)的電壓需求。

通常使用脈沖寬度調(diào)制來(lái)控制AC電動(dòng)機(jī)。在此過(guò)程中，載波頻率（以紅色顯示）是VFD輸出晶體管門(mén)控或調(diào)諧的速率。載波頻率通常可以是2至15kHz。頻率參考（藍(lán)色）是發(fā)送到電機(jī)的速度信號(hào)，通常為0到60 Hz。當(dāng)覆蓋兩個(gè)波形時(shí)，工程師可以使用這兩條曲線(xiàn)之間的交點(diǎn)來(lái)調(diào)制輸出直流脈沖（黑色），以提供所需的速度控制。

V / f控制

不同的V / f模式使VFD可以控制多個(gè)不同的應(yīng)用，同時(shí)保持每個(gè)應(yīng)用的最佳性能。恒定扭矩模式是直線(xiàn)，這導(dǎo)致恒定的V / f比，在整個(gè)速度范圍內(nèi)提供恒定的電動(dòng)機(jī)扭矩?？勺冝D(zhuǎn)矩模式在較低速度下具有較低的電壓以防止電動(dòng)機(jī)飽和。

伏特/赫茲，通常稱(chēng)為V / f，是最簡(jiǎn)單的電機(jī)控制方法。它經(jīng)常被使用，因?yàn)樗哂小凹床寮从谩钡暮?jiǎn)單性以及驅(qū)動(dòng)器所需的電機(jī)數(shù)據(jù)量。它不需要編碼器，也不需要將VFD調(diào)諧到電機(jī)（但推薦）。這意味著更低的成本和更少的布線(xiàn)。V / f控制通常在需要運(yùn)行時(shí)使用，可能超過(guò)1，000 Hz，因此通常用于機(jī)床和主軸應(yīng)用。

V / f是唯一允許多個(gè)電機(jī)從單個(gè)VFD運(yùn)行的控制方法。在這種情況下，所有電機(jī)同時(shí)啟動(dòng)和停止，并遵循相同的速度參考。

V / f有一些限制。例如，使用V / f時(shí)，無(wú)法保證電機(jī)軸正在旋轉(zhuǎn)。此外，電機(jī)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩限制在3 Hz輸出的150％。對(duì)于大多數(shù)可變扭矩應(yīng)用而言，有限的啟動(dòng)扭矩綽綽有余。事實(shí)上，現(xiàn)場(chǎng)幾乎所有可變扭矩風(fēng)扇和泵應(yīng)用都使用V / f控制。

V / f方法的相對(duì)簡(jiǎn)單性部分歸因于其“更寬松”的規(guī)范。速度調(diào)節(jié)通常為最大頻率的2％至3％。速度響應(yīng)額定值為3 Hz。速度響應(yīng)定義為VFD響應(yīng)參考頻率變化的程度。當(dāng)參考頻率改變時(shí)，速度響應(yīng)的增加導(dǎo)致更快的電動(dòng)機(jī)響應(yīng)。

控制方法還具有速度控制范圍（表示為比率）。V / f的速度控制范圍是1:40。將此比率乘以最大頻率可確定VFD控制電機(jī)的最小運(yùn)行速度。例如，使用60 Hz最大頻率和1:40速度控制范圍，使用V / f控制的驅(qū)動(dòng)器可以將電機(jī)控制在1.5 Hz。

AV / f模式定義了電機(jī)的電壓與頻率之比，VFD一次只能編程一個(gè)V / f模式。V / f模式或曲線(xiàn)根據(jù)給定的速度參考（頻率）確定輸出到電機(jī)的電壓。

操作員或技術(shù)人員可以使用單個(gè)參數(shù)在VFD編程中選擇預(yù)設(shè)的V / f模式。預(yù)設(shè)模式針對(duì)特定應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化。用戶(hù)可以更進(jìn)一步，編程自定義V / f模式或配置文件，以將VFD調(diào)諧到特定應(yīng)用和正在使用的電機(jī)。

風(fēng)扇和泵等應(yīng)用是可變扭矩負(fù)載。可變扭矩V / f模式可防止故障并提高性能和效率。該模式通過(guò)降低較低頻率的電動(dòng)機(jī)電壓來(lái)降低低頻時(shí)的磁化電流。

同樣，恒轉(zhuǎn)矩應(yīng)用，如輸送機(jī)，擠出機(jī)和提升機(jī)，應(yīng)使用恒轉(zhuǎn)矩V / f模式。恒轉(zhuǎn)矩應(yīng)用在所有速度下都需要全磁化電流。因此，在整個(gè)速度范圍內(nèi)構(gòu)建并遵循直線(xiàn)斜坡。

通常，VFD將根據(jù)電機(jī)設(shè)置的任何速度輸出電壓，同時(shí)參考V / f模式。

帶編碼器的V / f

如果應(yīng)用需要更精確的速度調(diào)節(jié)，并且能夠以更高的參考頻率運(yùn)行，則可以將編碼器添加到V / f控制。編碼器反饋將速度調(diào)節(jié)降至最大頻率的0.03％。輸出電壓仍由技術(shù)人員在VFD中編程的所選V / f模式?jīng)Q定。這允許高速控制而沒(méi)有高動(dòng)態(tài)響應(yīng)，因?yàn)殡妷汉皖l率是預(yù)定的。

這種控制方法并不常見(jiàn)，因?yàn)樗枰幋a器和反饋卡的成本，并且其優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)V / f控制的優(yōu)點(diǎn)是最小的。啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，速度響應(yīng)和速度控制范圍都與V / f控制相同。此外，較高的工作頻率受編碼器產(chǎn)生的每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)的限制。

開(kāi)環(huán)矢量控制

開(kāi)環(huán)矢量（OLV）控制用于更大和更動(dòng)態(tài)的電機(jī)控制。它獨(dú)立控制電機(jī)速度和扭矩，就像控制直流電機(jī)一樣。

根據(jù)電機(jī)方向（正向或反向）以及電機(jī)是電動(dòng)還是再生，轉(zhuǎn)矩極限可分為四個(gè)象限。例如，瓶蓋將需要為象限1設(shè)置扭矩限制。或者，展開(kāi)應(yīng)用將需要正向電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)來(lái)供給線(xiàn)，但是由于線(xiàn)被拉動(dòng)以產(chǎn)生張力而由于再生而產(chǎn)生負(fù)扭矩極限。因此扭矩限制將在象限4中設(shè)定。

運(yùn)行OLV時(shí)，電機(jī)可以0.3 Hz的頻率產(chǎn)生200％的額定扭矩。較低速度下較高的啟動(dòng)扭矩為各種應(yīng)用打開(kāi)了大門(mén)。該控制方法還允許四象限扭矩限制。

扭矩限制主要限制電機(jī)扭矩，以防止損壞設(shè)備，機(jī)器或產(chǎn)品。它們分為四個(gè)不同的象限，取決于電機(jī)方向（正向或反向），以及電機(jī)是電動(dòng)還是再生?？梢詾槊總€(gè)象限單獨(dú)設(shè)置限制，或者用戶(hù)可以將整體扭矩限制編程到VFD中。

電動(dòng)機(jī)狀態(tài)是指電動(dòng)機(jī)的速度和轉(zhuǎn)矩都在同一方向。例如，前進(jìn)速度和前進(jìn)扭矩將使輸送機(jī)向前運(yùn)動(dòng)。再生是指負(fù)載對(duì)電機(jī)進(jìn)行大修。在AC電動(dòng)機(jī)上，當(dāng)轉(zhuǎn)子比定子中的磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)得更快時(shí)，它起到發(fā)電機(jī)的作用。這導(dǎo)致再生能量流回VFD。

例如，瓶蓋可以使用象限1中的扭矩限制（正向旋轉(zhuǎn)和正向扭矩）以防止瓶蓋過(guò)度扭矩。它向前移動(dòng)并使用正扭矩將蓋子放在瓶子上。涉及具有比空車(chē)重的配重的電梯的應(yīng)用在象限2中具有限制（反向電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)和正扭矩）。如果將空車(chē)調(diào)到較高樓層，則扭矩與速度方向相反，以保持對(duì)配重的控制以及電梯在重力作用下的速度和位置。

從木塊中取出螺釘?shù)臋C(jī)器鉆（反向電機(jī)方向和負(fù)扭矩）可以使用象限3中的限制。退繞應(yīng)用可以使用象限4限制（正向電機(jī)旋轉(zhuǎn)和負(fù)扭矩）。電動(dòng)機(jī)將旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)以供給線(xiàn)路，但是由于線(xiàn)路被拉動(dòng)以產(chǎn)生張力而導(dǎo)致再生，因此還需要負(fù)的扭矩限制。

矢量控制通過(guò)將轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生電流（Iq）和磁化電流（Id）保持在90°來(lái)最大化每轉(zhuǎn)矩。I1表示總電動(dòng)機(jī)電流（Iq + Id）。如果¨》 90°，那么sin¨》 1; 如果¨《90°，那么罪¨》 1; 但如果¨= 90°，則sin¨= 1且扭矩達(dá)到最大值。VFD試圖將¨保持在90°以模擬直流電機(jī)。在直流電機(jī)中，電刷與換向器機(jī)械定位成90°，以不斷產(chǎn)生最大扭矩。

這些VFD中的電流反饋回路允許用戶(hù)設(shè)置扭矩限制并在所有四個(gè)象限中運(yùn)行。隨著電動(dòng)機(jī)電流的增加，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩也隨之增 如果應(yīng)用需要更大的扭矩，則可以增加輸入到電機(jī)的輸出電壓;當(dāng)達(dá)到扭矩限制時(shí)，可以減小輸出電壓。與V / f控制不同，這使得開(kāi)環(huán)控制動(dòng)態(tài)化。

除扭矩限制外，開(kāi)環(huán)控制還具有10 Hz的更快速度響應(yīng)，使其能夠處理對(duì)沖擊負(fù)載的更多動(dòng)態(tài)響應(yīng)。例如，巖石破碎機(jī)的負(fù)荷會(huì)不斷變化，這取決于正在處理的巖石的大小和數(shù)量。

OLV控制使用矢量算法來(lái)找到運(yùn)行電機(jī)的最佳輸出電壓，而不是固定的V / f模式。矢量控制通過(guò)使用來(lái)自電機(jī)的電流反饋來(lái)實(shí)現(xiàn)此目的。通過(guò)VFD內(nèi)部的電流互感器測(cè)量電流反饋。在VFD中執(zhí)行的恒定電流讀數(shù)和快速計(jì)算確定當(dāng)前的扭矩需求和通量。基本矢量數(shù)學(xué)將電機(jī)的磁化電流和產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的電流分解為矢量。OLV控制在很大程度上取決于電機(jī)動(dòng)態(tài)，因此必須執(zhí)行某種類(lèi)型的電機(jī)自整定，以確保VFD具有盡可能多的電機(jī)數(shù)據(jù)。

借助可靠的電機(jī)數(shù)據(jù)/參數(shù)，VFD可以將磁化電流（I d）和轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生電流（I q）計(jì)算為矢量。為了獲得最大效率和扭矩，VFD必須將這兩個(gè)矢量分開(kāi)90°。90°是重要的，因?yàn)閟in（90）= 1，值1表示最大電動(dòng)機(jī)扭矩。

整體OLV控制導(dǎo)致更嚴(yán)格的控制。速度調(diào)節(jié)是最大頻率的+/- 0.2％，速度控制范圍跳至1：200，允許低速運(yùn)行而不會(huì)犧牲扭矩。

閉環(huán)矢量控制

閉環(huán)矢量控制使用矢量算法來(lái)確定輸出電壓，非常類(lèi)似于開(kāi)環(huán)控制。關(guān)鍵的區(qū)別在于閉環(huán)矢量使用編碼器。編碼器反饋與矢量控制配合使用，意味著在0 rpm時(shí)可獲得200％的電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩。這是需要在不移動(dòng)的情況下保持負(fù)載的應(yīng)用程序的賣(mài)點(diǎn)，例如電梯，起重機(jī)和升降機(jī)。

編碼器反饋允許速度響應(yīng)超過(guò)50 Hz，速度控制范圍為1：1500，是所有控制方法中最高的。閉環(huán)控制還可以在轉(zhuǎn)矩控制模式下運(yùn)行電機(jī)。轉(zhuǎn)矩控制使VFD控制電機(jī)轉(zhuǎn)矩而不是電機(jī)轉(zhuǎn)速。在扭矩比速度更重要的任何應(yīng)用中都需要這樣做。卷繞機(jī)，復(fù)卷機(jī)，封蓋機(jī)和卷筒紙應(yīng)用程序是使用扭矩控制的好例子。