世界快訊:【技術】變頻器與步進/伺服驅動技術完全精通教程

參考文獻 [1] 向曉漢, 宋昕. 變頻器與步進/伺服驅動技術完全精通教程[M]. 第1版. 北京:化學工業出版社, 2015. [2] 王永華. 現代電氣控制及PLC應用技術[M]. 第5版. 北京:北京航空航天大學出版社, 2018. [3] 王兆安, 劉進軍. 電力電子技術[M]. 第5版. 北京:機械工業出版社, 2019 :216-218. [4] 陳國強, Putra A S. 工業自動化中的驅動與控制[M]. 第1版. 北京:機械工業出版社, 2016 :86-105.

0理論基礎

(資料圖片僅供參考)

三相籠型異步電動機的轉速公式為：

n=60f/p（1-s）

p為極對數，s為轉差率，f為供電電源頻率。 由此可看出三相籠型異步電動機調速方法有三種：改變極對數p的變極調速、改變轉差率s的降壓調速和改變電動機供電電源頻率f的變頻調速。

1變頻器簡述

變頻技術誕生背景是交流電機無級調速的廣泛需求，其主要只能為調速與變頻。

變頻器（Inverter，原意為逆變器）是應用變頻技術與微電子技術，通過改變電機工作電源頻率方式（變頻）來控制交流電動機的電力控制設備。一般逆變器是把直流電源逆變為一定的固定頻率和一定電壓的逆變電源；對于逆變為頻率可調、電壓可調的逆變器則稱為變頻器。除了調速以外，變頻器還有節能的特點，主要表現在風機、水泵的應用上。

單相電機不適合以變頻器進行變速運行，以電容器起動方式時，電容器中將產生高次諧波電流，損壞電容器。對于分相起動方式和反彈起動方式的單相電機，由于其內部的離心力開關不動作，會有燒壞起動線圈的危險。

變頻器常與PLC搭配使用。

在60Hz以下的變頻器效率大約為94%~96%。

1.1變頻器的其它功能

軟啟軟?！? 軟啟動指電壓由零慢慢提升到額定電壓，這樣電機在啟動過程中的啟動電流，就由過去過載沖擊電流不可控制變成為可控制。 ●軟停止指電壓由額定電壓慢慢降至零，使轉速緩慢降低，從而減少動力沖擊。無極調速可以直接通過面板旋鈕（電位器）直接對電動機速度進行控制保護功能過載保護、過電流保護、過電壓保護、欠電壓保護…

1.2變頻器的分類

按變換的環節分類●交-交型變頻器：工頻交流直接變換成頻率電壓可調 ●交-直-交型變頻器：工頻交流變成直流再逆變成頻率電壓可調的交流，是目前廣泛應用的通用型變頻器。采用交-直-交變化的原因是交流電網電壓和頻率固定，需要借由直流電逆變來得到電壓和頻率都能調節的電源，與交-交變頻器相比，輸出頻率不受輸入電源頻率的制約。按直流電源性質分類：電壓型變頻器和電流型變頻器按調壓方法分類：PAM變頻器（較少使用）和PWM變頻器按控制方式分類●U/f控制變頻器f（VVVF控制）：U/f控制就是保證輸出電壓和頻率成正比的控制，常用于低端變頻器 ●SF控制變頻器 ●矢量控制變頻器：基本原理為通過測量和控制異步電動機定子電流矢量，根據磁場定向原理分別對異步電動機的勵磁電流和轉矩電流進行控制，從而達到控制異步電動機轉矩的目的。用于高精度要求場合。 ●直接轉矩控制

2變頻器的變頻原理

2.1交-直-交變換

分為交-直變換工程和直-交變換過程兩個基本過程。

交-直變換過程：將不可調的電網的三相/單相交流電經整流橋整流成直流電直-交變換過程：把直流電逆變成電壓和頻率都任意可調的三相交流電

2.2變頻變壓的原理

電動機變頻變壓調速不僅需要改變電動機的頻率f，同時也需要改變電動機電壓。這是因為降低電動機頻率時，如果電壓不降低，則電動機的每級氣隙的磁通量勢必會增加，因為在設計時電動機的磁通量已接近飽和，一旦增加將導致繞組線圈的電流急劇上升，從而造成電動機繞組燒毀。 因此電動機變頻變壓調速不僅需要改變電動機的頻率f，同時也需要改變電動機電壓，通常把磁通作為一個恒定數值，此時電壓和頻率比值為固定比例。 即 U/f=常數

實現方法

變頻變壓的實現方法有脈幅調制（PAM）、脈寬調制（PWM）和正弦脈寬調制（SPWM）。 其中正弦脈寬調制波的實現方法有單極性正弦脈寬調制和雙極性脈寬調制。

3變頻器的常用功能

變頻器調速系統的控制方式有兩種，一是U/f控制，是基本方式；二是矢量控制，是高級方式。

3.1 U/f控制功能

u/f控制方式即U/f=常數，具體請參考上文變頻變壓的原理。 理想u/f控制曲線如下：

轉矩補償功能轉矩補償，或稱轉矩提升，指在u/f控制方式下，利用增加輸出電壓來提高電動機轉矩的方法。 在基頻以下調速時，u/f控制方式下磁通量恒定。f較高時，保持u/f恒定，即可近似地保持主磁通恒定；f較低時磁通量會下降，導致輸出轉矩下降，提升變頻器的輸出電壓即可補償轉矩不足，使磁通量保持恒定。 常用的補償方法有線性補償、分段補償和平方律補償等。

U/f控制方式是比較簡單的控制方式，屬于開環控制，它并沒有實現轉速環的構建，適用于生產機械對調速系統的靜、動態性能要求不高的場合。

節能運行功能節能運行控制功能是指變頻器將檢測到的電動機運行狀態與變頻器中儲存的標準電動機的參數進行比較從而自動給出最佳工作電壓的過程，即節能運行。 節能運行只能用于u/f控制方式下。

3.2矢量控制功能

矢量控制原理

矢量控制方式屬于高性能控制方式，基于異步電動機的按轉子磁鏈定向的動態數學模型，其控制原理類似直流電動機。將測得的變頻器實際輸出電流按空間矢量的方式進行分解，形成轉矩電流分量與勵磁電流分量兩個電流閉環，同時又可借助編碼器或內置觀測器模型來構成速度閉環，這種雙閉環控制方式（類似直流調速系統中的雙閉環控制）可以改善變頻器的動態響應能力，減小滑差，保證系統速度穩定，確保低頻時的轉矩輸出。

當系統難以安裝傳感器，或沒有合適的傳感器，導致某些狀態變量不能測量時，狀態觀測器可以基于系統模型設計成虛擬傳感器，從而實現一個完整的狀態反饋控制。最常用的觀測器設計方法基于卡爾曼濾波器，因其可以定期清除由于測量噪聲造成的累積預測誤差。

使用內置觀測器模型來構成速度閉環時，稱為無速度傳感器矢量控制 （SVC）/無感矢量控制/開環矢量控制。 使用編碼器來構成速度閉環時，稱為速度傳感器矢量控制（VC）/閉環矢量控制。

轉速閉環控制的優點是可以大幅提高速度控制的精度。測速元件通常采用光電編碼器。 閉環矢量控制 VS 開環矢量控制？ 控制系統中的觀測器

矢量控制實現過程

首先檢測并計算三相輸出電壓和電流矢量；然后將定子電流人為地分解為兩個相互垂直的矢量，并解釋為勵磁電流和轉子電流；然后用直流調速系統（他勵直流電動機）的控制方式去控制交流異步電動機，通過運算調節器對兩個信號分別控制，從而控制逆變電路的輸出。

矢量控制方式需要實現轉速和磁鏈的解耦，故控制系統比較復雜，但其具有同直流電動機電樞電流控制方式同等水平的控制性能。注意使用矢量控制功能時，只能連接一臺電動機，且運行前需對變頻器進行自整定操作。

簡介

PID控制器（比例-積分-微分控制器），由比例單元§、積分單元(I)和微分單元(D)組成，通過Kp， Ki和Kd三個參數進行設定。 P代表了當前的信息，起糾正偏差的作用，使反應迅速； D代表了將來的信息，在過程開始時強迫過程進行，過程結束時減小超調，克服振蕩，提高系統的穩定性，加快系統的過度過程； I代表了過去積累的信息，它能消除靜差，改善系統的靜態特性。

PID控制器主要適用于基本上線性，且動態特性不隨時間變化的系統。當不完全了解一個系統和被控對象或不能通過有效的測量手段來獲得系統參數時，最適合采用PID控制技術。

1.比例（proportion）控制比例控制器能立即成比例地響應輸入的變化量。調節器輸出u與其輸入偏差e之間的關系是比例關系，誤差值和kp相乘，然后和預定的值相加。僅有比例控制時，系統輸出存在穩態誤差，這是由比例控制的本質決定的，如果偏差為0，比例控制器就會失去作用，從而導致偏差增大。

u=kp*error

上圖為比例控制。

2.比例積分（PI）控制即比例+積分（PI）控制器。 為了消除穩態誤差，在控制器中必須引入“積分項”。積分項對誤差的運算取決于時間的積分，隨著時間增加，積分項會增大，所以即便誤差很小，積分項也會隨時間增加而加大，它推動控制器的輸出增大，使穩態誤差進一步減小，直到等于零。但是積分作用的引入，會使系統穩定性變差（見圖）。 比例積分控制對于時間滯后的被控對象使用不夠理想。

u=kp*error+ ki?∫ error

上圖為比例積分控制。

3.比例微分（PD）控制即比例+微分（PD）控制器。 在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的微分（即誤差的變化率）成正比關系。自動控制系統在克服誤差的調節過程中可能會出現振蕩甚至失穩。其原因是由于存在有較大慣性組件（環節）或有滯后(delay)組件，具有抑制誤差的作用，其變化總是落后于誤差的變化。 解決的辦法是使抑制誤差的作用的變化“超前”，即在誤差接近零時，抑制誤差的作用就應該是零。目前需要增加的是“微分項”，它能預測誤差變化的趨勢，這樣，具有比例+微分的控制器，就能夠提前使抑制誤差的控制作用等于零，甚至為負值，從而避免了被控量的嚴重超調。 所以對有較大慣性或滯后的被控對象，比例+微分(PD)控制器能改善系統在調節過程中的動態特性，否則反而會使系統的控制受到影響。

u=kd*（error（t）-error（t-1））

4.PID控制PID的離散化公式（便于計算機處理）為 上圖為比例積分微分控制（理想情況）。

變頻器的閉環運行就是在變頻器控制的拖動系統中引入負反饋，進行反饋控制，以提高反饋精度。

PID控制器的參數整定

一般采用的是臨界比例法（屬于工程整定法）。

利用該方法進行PID控制器參數的整定步驟如下： (1)首先預選擇一個足夠短的采樣周期讓系統工作； (2)僅加入比例控制環節。初調時，選小一些，然后慢慢調大，直到系統對輸入的階躍響應出現臨界振蕩，記下這時的比例放大系數和臨界振蕩周期； (3)在一定的控制度下通過公式計算得到PID控制器的參數。 積分系數初調時要把積分時間設置長些，然后慢慢調小直到系統穩定為止。 如果通過比例、積分參數的調節還是收不到理想的控制要求，就可以調節微分時間。初調時把這個系數設小，然后慢慢調大，直到系統穩定。

3.4過載保護功能

變頻器的過載保護功能的保護對象為電動機和變頻器本身。

對電動機的過熱保護功能 變頻器內置的電子熱繼電器可監視變頻器的輸出電流。注意，只能對一臺電動機進行電子熱保護，拖動多臺電動機時，需要在每臺電動機上接熱繼電器。對變頻器自身的保護功能 變頻器對過流、過壓、過功率、斷電、其他故障等均可進行自動保護，并發出報警信號，甚至跳閘斷電。

4補充：變頻器技術在節能中的作用

變頻調速的節能體現在變頻節能、功率因數補償節能與軟啟動節能3個主要方面。

4.1變頻節能

根據流體力學可知，風機水泵的軸功率與轉速的三次方成正比。這表明當設備效率一定時，流量變小會引起設備的轉速成比例的降低，這將使軸功率以立方關系大幅降低。而風機水泵的傳統調速方式是通過調節出入口擋板、閥門開度來調節流量，這一過程將耗費大量的能源。應用變頻器的變頻功能，根據當前要求的流量，動態調節變頻器輸出頻率，進而改變風機水泵的轉速，可以使其在低速小流量的狀態下仍可保持高效率運行，并降低設備的功耗。

4.2功率因數補償節能

功率因數（Power Factor）在數值上是指交流電路有功功率（P）對視在功率（S）的比值，與電路的負荷性質有關，用cosΦ表示 。功率因數與電器設備的效率成正比，與無功功率成反比，因此通過功率因數補償可以在提高設備利用率的同時降低無功功率造成的線路電壓損失和電能損耗。變頻器內部的濾波電容可以提高功率因數，減少無功功率的損耗，并增加電網的有功功率，從而削減用戶的用電成本。

4.3軟啟動節能

軟啟動（Soft Start）指電機啟動時，晶閘管的輸出電壓由0緩慢提升，此時電動機將逐漸加速；當晶閘管全部導通時，輸出電壓為額定電壓，電動機達到額定轉速，啟動過程結束。通過軟啟動使得設備的啟動電流可控，實現平滑啟動，避免啟動過流跳閘，并延長設備使用壽命。變頻器具有軟啟動功能，其節能性體現在電機的啟動過程中，通過軟啟動來啟動電機，可以降低啟動能耗，達到節能的目的。