變頻控制的應用研究

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

在當今的工業(yè)生產中很多場合都對電機的速度控制提出了很高的要求，在一個控制流程中會要求電機輸出多段不同的轉速，因此如何根據電機運動原理來改變電機的轉速成為解決電機調速的關鍵。目前對交流異步電動機的調速主要是通過變頻器來實現(xiàn)的，即通過改變電動機的輸入頻率從而達到改變電機轉速的目的。在使用上變頻器主要分一般常用類變頻器和風機泵類變頻器，其二者的不同點主要是所驅動的負載的特性不同。

1 變頻控制中變頻調速的原理

1.1 變頻調速的控制方式

變頻調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)控制需要加測速反饋裝置。 開環(huán)控制主要是轉速開環(huán)、恒壓頻比控制（V/F 控制）的調速系統(tǒng)，閉環(huán)控制方式包括轉速閉環(huán)、轉差頻率控制的調速系統(tǒng)。

（1）V/F 控制：異步電動機的轉速由電源頻率和電機級數(shù)決定，即

其中：n——異步電動機轉子轉速；P——異步電動機極對數(shù)；f1——交流電源頻率；S——異步電動機轉差頻率。

所以改變頻率可以調節(jié)電動機的轉速。但是頻率的改變導致電動機內部阻抗也改變，因此單獨改變頻率將產生由弱勵磁引起的轉矩不足和由過勵磁引起的磁飽和等現(xiàn)象， 使電動機的功率因數(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，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，當頻率f1從額定值f1N向下調節(jié)時，必須同時降低Eg，即使得電動勢與頻率的比值為恒值。然而，繞組中的感應電動勢是難以直接控制的，但當電動勢值較高時，可以忽略定子繞組的漏磁阻抗壓降，而認為定子相電壓Us≈Eg，從而使得電動勢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轉矩的較高穩(wěn)定性。

（2）轉速閉環(huán)、轉差頻率控制：轉差頻率控制方式是在V/F 控制方式的基礎上發(fā)展起來的，需要加裝轉速檢測（硬件）和數(shù)字測速（軟件）來檢測出電動機的轉速并反饋到變頻器的中央處理單元，然后根據實測轉速信號ω 與轉差角頻率ωs相加后得到電機定子頻率的輸入值ω1，從而得到變頻器的輸出頻率。 由于轉矩與轉差頻率的關系為：

其中：ωs=sω1；Ts——交流異步電動機轉矩；ωs——轉差頻率；ω1——異步電動機定子頻率；s——異步電動機轉差率。

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

2 變頻控制中常用參數(shù)的設置

2.1 多段調速的參數(shù)設置

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

采用多段調速的方式來控制電機轉速以臺達VHD_A 系列的變頻器為例，首先要進行主頻率輸入來源地選擇，將Pr.00 中參數(shù)的值設定為d0000,表示主頻率輸入由數(shù)字操作器控制,而后設定運轉信號的來源，將Pr.01 中的參數(shù)值設定為d0001,即代表運轉指令由外部端子控制。 同時將Pr.39、Pr.40、Pr.41 分別設定為多段速指令一、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 中設定不同的頻率值， 從而通過Pr.39、Pr.40、Pr.41 所組成的不同的二進制位來選擇Pr.16 到Pr.22 中的頻率值。 其中Pr.39、Pr.40、Pr.41 的內部二進制所對應的高低電平的狀態(tài)對應變頻器的外部輸入端口Mx1、Mx2、Mx3 的狀態(tài)，具體的對應關系如圖1 所示。

圖1 多段調速時各端口的對應關系

3 變頻控制中的通訊方式

常用通訊方式簡介：

變頻控制中經常使用PLC 來控制變頻器進行調速以實現(xiàn)電機的多段速運行， 其中PLC 與變頻器之間的信號傳輸常見的有數(shù)字指令式、現(xiàn)場總線式等多種通訊方式。

3.1 數(shù)字指令式

該種通訊方式常見于較簡單的調速設備中，例如汽車行業(yè)中的清洗機， 當電機帶動輸送帶運動一段距離即將到達設定位置前PLC 便會發(fā)送減速信號，通過輸出一個高電平的數(shù)字量信號改變當前變頻器的運行頻率從而使電機減速。

3.2 現(xiàn)場總線式

隨著現(xiàn)代工業(yè)設備的不斷發(fā)展，變頻控制的使用也越來越廣泛越來越復雜，僅僅依靠數(shù)字指令的方式來控制變頻器進行變頻已不能滿足設備的要求， 因此通過現(xiàn)場總線來實現(xiàn)PLC 與變頻器之間的通訊越來越多應用在現(xiàn)代化的復雜設備中。在變頻控制中采用現(xiàn)場總線的方式進行通訊不但可以實現(xiàn)大量信號的快速傳輸，同時可以將變頻器作為整個控制系統(tǒng)中的一個子站從而對站點的狀態(tài)實現(xiàn)實時監(jiān)控。

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

［1］彭增良.PLC 與變頻器連接時應注意的問題[J].電氣時代,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]. 電氣傳動自動化，2005(2)：21-26.