變頻控制的應(yīng)用研究

甘 鵬

（上汽通用五菱汽車股份有限公司 青島分公司，山東 青島266555）

0 概述

在當(dāng)今的工業(yè)生產(chǎn)中很多場(chǎng)合都對(duì)電機(jī)的速度控制提出了很高的要求，在一個(gè)控制流程中會(huì)要求電機(jī)輸出多段不同的轉(zhuǎn)速，因此如何根據(jù)電機(jī)運(yùn)動(dòng)原理來(lái)改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速成為解決電機(jī)調(diào)速的關(guān)鍵。目前對(duì)交流異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速主要是通過(guò)變頻器來(lái)實(shí)現(xiàn)的，即通過(guò)改變電動(dòng)機(jī)的輸入頻率從而達(dá)到改變電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。在使用上變頻器主要分一般常用類變頻器和風(fēng)機(jī)泵類變頻器，其二者的不同點(diǎn)主要是所驅(qū)動(dòng)的負(fù)載的特性不同。

1 變頻控制中變頻調(diào)速的原理

1.1 變頻調(diào)速的控制方式

變頻調(diào)速控制方式一般可分為兩種，開環(huán)控制和閉環(huán)控制，閉環(huán)控制需要加測(cè)速反饋裝置。 開環(huán)控制主要是轉(zhuǎn)速開環(huán)、恒壓頻比控制（V/F 控制）的調(diào)速系統(tǒng)，閉環(huán)控制方式包括轉(zhuǎn)速閉環(huán)、轉(zhuǎn)差頻率控制的調(diào)速系統(tǒng)。

（1）V/F 控制：異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速由電源頻率和電機(jī)級(jí)數(shù)決定，即

其中：n——異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速；P——異步電動(dòng)機(jī)極對(duì)數(shù)；f1——交流電源頻率；S——異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)差頻率。

所以改變頻率可以調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。但是頻率的改變導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)內(nèi)部阻抗也改變，因此單獨(dú)改變頻率將產(chǎn)生由弱勵(lì)磁引起的轉(zhuǎn)矩不足和由過(guò)勵(lì)磁引起的磁飽和等現(xiàn)象， 使電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)和效率下降;V/F 是一種開環(huán)控制方式，變頻器在改變輸出頻率的同時(shí)，必須控制變頻器的輸出電壓，即使V/F 為常值。 要保持磁通量Φm不變，當(dāng)頻率f1從額定值f1N向下調(diào)節(jié)時(shí)，必須同時(shí)降低Eg，即使得電動(dòng)勢(shì)與頻率的比值為恒值。然而，繞組中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)是難以直接控制的，但當(dāng)電動(dòng)勢(shì)值較高時(shí)，可以忽略定子繞組的漏磁阻抗壓降，而認(rèn)為定子相電壓Us≈Eg，從而使得電動(dòng)勢(shì)與頻率的比值為恒值。

這就是恒壓頻比的控制方式即V/F 控制，采用這種控制方式可以保證電機(jī)轉(zhuǎn)矩的較高穩(wěn)定性。

（2）轉(zhuǎn)速閉環(huán)、轉(zhuǎn)差頻率控制：轉(zhuǎn)差頻率控制方式是在V/F 控制方式的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，需要加裝轉(zhuǎn)速檢測(cè)（硬件）和數(shù)字測(cè)速（軟件）來(lái)檢測(cè)出電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速并反饋到變頻器的中央處理單元，然后根據(jù)實(shí)測(cè)轉(zhuǎn)速信號(hào)ω 與轉(zhuǎn)差角頻率ωs相加后得到電機(jī)定子頻率的輸入值ω1，從而得到變頻器的輸出頻率。 由于轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)差頻率的關(guān)系為：

其中：ωs=sω1；Ts——交流異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩；ωs——轉(zhuǎn)差頻率；ω1——異步電動(dòng)機(jī)定子頻率；s——異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)差率。

上式表明在s 值很小的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行范圍內(nèi)，如果能夠保持氣隙磁通Φm不變，異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩就近似與轉(zhuǎn)差角頻率ωs成正比。 這就是說(shuō)，在異步電動(dòng)機(jī)中控制ωs就能控制轉(zhuǎn)矩。 控制轉(zhuǎn)差頻率就代表控制轉(zhuǎn)矩，這就是轉(zhuǎn)差頻率控制的基本概念。

2 變頻控制中常用參數(shù)的設(shè)置

2.1 多段調(diào)速的參數(shù)設(shè)置

在現(xiàn)代化的工業(yè)生產(chǎn)中變頻控制已得到了廣泛的應(yīng)用，其中恒壓頻比控制的調(diào)速方式不但可以很好的調(diào)整電機(jī)的轉(zhuǎn)速同時(shí)可以保證電機(jī)轉(zhuǎn)矩的穩(wěn)定性，因而得到了較多的使用。 多段調(diào)速作為恒壓頻比控制的一種主要形式在變頻調(diào)速中使用較多。

采用多段調(diào)速的方式來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)速以臺(tái)達(dá)VHD_A 系列的變頻器為例，首先要進(jìn)行主頻率輸入來(lái)源地選擇，將Pr.00 中參數(shù)的值設(shè)定為d0000,表示主頻率輸入由數(shù)字操作器控制,而后設(shè)定運(yùn)轉(zhuǎn)信號(hào)的來(lái)源，將Pr.01 中的參數(shù)值設(shè)定為d0001,即代表運(yùn)轉(zhuǎn)指令由外部端子控制。 同時(shí)將Pr.39、Pr.40、Pr.41 分別設(shè)定為多段速指令一、二、三。即分別將Pr.39、Pr.40、Pr.41 中參數(shù)的值設(shè)定為d0000、d0001、d0002。而后要在Pr.16、Pr.17、Pr.18、Pr.19、Pr.20、Pr.21、Pr.22 中設(shè)定不同的頻率值， 從而通過(guò)Pr.39、Pr.40、Pr.41 所組成的不同的二進(jìn)制位來(lái)選擇Pr.16 到Pr.22 中的頻率值。 其中Pr.39、Pr.40、Pr.41 的內(nèi)部二進(jìn)制所對(duì)應(yīng)的高低電平的狀態(tài)對(duì)應(yīng)變頻器的外部輸入端口Mx1、Mx2、Mx3 的狀態(tài)，具體的對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖1 所示。

圖1 多段調(diào)速時(shí)各端口的對(duì)應(yīng)關(guān)系

3 變頻控制中的通訊方式

常用通訊方式簡(jiǎn)介：

變頻控制中經(jīng)常使用PLC 來(lái)控制變頻器進(jìn)行調(diào)速以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的多段速運(yùn)行， 其中PLC 與變頻器之間的信號(hào)傳輸常見(jiàn)的有數(shù)字指令式、現(xiàn)場(chǎng)總線式等多種通訊方式。

3.1 數(shù)字指令式

該種通訊方式常見(jiàn)于較簡(jiǎn)單的調(diào)速設(shè)備中，例如汽車行業(yè)中的清洗機(jī)， 當(dāng)電機(jī)帶動(dòng)輸送帶運(yùn)動(dòng)一段距離即將到達(dá)設(shè)定位置前PLC 便會(huì)發(fā)送減速信號(hào)，通過(guò)輸出一個(gè)高電平的數(shù)字量信號(hào)改變當(dāng)前變頻器的運(yùn)行頻率從而使電機(jī)減速。

3.2 現(xiàn)場(chǎng)總線式

隨著現(xiàn)代工業(yè)設(shè)備的不斷發(fā)展，變頻控制的使用也越來(lái)越廣泛越來(lái)越復(fù)雜，僅僅依靠數(shù)字指令的方式來(lái)控制變頻器進(jìn)行變頻已不能滿足設(shè)備的要求， 因此通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線來(lái)實(shí)現(xiàn)PLC 與變頻器之間的通訊越來(lái)越多應(yīng)用在現(xiàn)代化的復(fù)雜設(shè)備中。在變頻控制中采用現(xiàn)場(chǎng)總線的方式進(jìn)行通訊不但可以實(shí)現(xiàn)大量信號(hào)的快速傳輸，同時(shí)可以將變頻器作為整個(gè)控制系統(tǒng)中的一個(gè)子站從而對(duì)站點(diǎn)的狀態(tài)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控。

近年來(lái)變頻控制不斷融合許多新的技術(shù)，在通訊方式、變頻裝置內(nèi)部監(jiān)控以及對(duì)各類控制系統(tǒng)的兼容性等方面都有較大的發(fā)展，隨著變頻控制技術(shù)的不斷發(fā)展必將在更為廣泛的領(lǐng)域得到使用。

［1］彭增良.PLC 與變頻器連接時(shí)應(yīng)注意的問(wèn)題[J].電氣時(shí)代,2003(8)：15-18.

［2］李傳偉,王燕妮.變頻器與PLC 的連接與配合使用[J]. 電氣傳動(dòng)自動(dòng)化，2005(2)：21-26.