变频器起动制动运行相关知识

变频器的控制方式

1 引言

我们通常意义上讲的低压变频器，其输出电压一般为220～650v、输出功率为0.2～400kw、工作频率为0～800hz左右，变频器的主电路采用交－直－交电路。根据不同的变频控制理论，其模式主要有以下三种:

（1）v/f=c的正弦脉宽调制模式

（2）矢量控制（vc）模式

（3）直接转矩控制（dtc）模式

针对以上三种控制模式理论，可以发展为几种不同的变频器控制方式，即v/f控制方式（包括开环v/f

控制和闭环v/f控制）、无速度传感器矢量控制方式（矢量控制vc的一种）、闭环矢量控制方式（即有速度传感器矢量控制vc的一种）、转矩控制方式（矢量控制vc或直接转矩控制dtc）等。这些控制方式在变频器通电运行前必须首先设置。

2 v/f控制方式

2.1 基本概念

我们知道，变频器v/f控制的基本思想是u/f=c，因此定义在频率为fx时，ux的表达式为ux/fx=c，其中c为常数，就是“压频比系数”。图1中所示就是变频器的基本运行v/f曲线。

图1 基本运行v/f曲线

由图1可以看出，当电动机的运行频率高于一定值时，变频器的输出电压不再能随频率的上升而上升，我们就将该特定值称之为基本运行频率，用fb表示。也就是说，基本运行频率是指变频器输出最高电压时对应的最小频率。在通常情况下，基本运行频率是电动机的额定频率，如电动机铭牌上标识的50hz或60hz。同时与基本运行频率对应的变频器输出电压称之为最大输出电压，用vmax表示。

当电动机的运行频率超过基本运行频率fb后，u/f不再是一个常数，而是随着输出频率的上升而减少，电动机磁通也因此减少，变成“弱磁调速”状态。

基本运行频率是决定变频器的逆变波形占空比的一个设置参数，当设定该值后，变频器cpu将基本运行频率值和运行频率进行运算后，调整变频器输出波形的占空比来达到调整输出电压的目的。因此，在一般情况下，不要随意改变基本运行频率

的参数设置，如确有必要，一定要根据电动机的参数特性来适当设值，否则，容易造成变频器过热、过流等现象。

2.2 预定义的v/f曲线和用户自定义v/f曲线

由于电动机负载的多样性和不确定性，因此很多变频器厂商都推出了预定义的v/f曲线和用户自定义的任意 v/f曲线。

预定义的v/f曲线是指变频器内部已经为用户定义的各种不同类型的曲线。如艾默生ev2000

变频器有三种特定曲线（图2a），曲线1为2.0次幂降转矩特性、曲线2为1.7次幂降转矩特性、曲线为1.2次幂降转矩特性。罗克韦尔ab powerflex 400变频器有4种定义的曲线（如图2b），其定义的方式是在电动机额定频率一半（即50％fn）时的输出电压是电动机额定电压的30％时（即30％vn）为曲线1，35％vn为曲线2，40％vn为曲线3，vn为曲线4。这些预定义的v/f曲线非常适合在可变转矩（如典型的风机和泵类负载）中使用，用户可以根据负载特性进行调整，以达到最优的节能效果。

a）

艾默生ev2000 b）ab poweflex 400

图2 预定义v/f曲线

对于其他特殊的负载，如同步电动机，则可以通过设置用户自定义v/ f曲线的几个参数，来得到任意v/ f曲线，从而可以适应这些负载的特殊要求和特定功能。自定义v/ f曲线一般都通过折线设定，典型的有三段折线和两段折线。

用户自定义v/f曲线

以三段折线设定为例，如图3所示，f通常为变频器的基本运行频率，在某些变频器中定义为电动机的额定频率，;v通常为变频器的最大输出电压，在某些变频器中定义为电动机的额定电压。如果最大输出电压等于额定电压或者基本运行频率等于额定频率，则两者是一回事，如果两者之间数值不相等，就必须根据变频器的用户手册来确定具体的数据。图中给出了三个中间坐标数值，即（f1，v1）、（f2，v2）、（f3，v3），用户只需填入相应的电压值或电压百分比以及频率值或频率百分比即可。如果将其中的两点重合就可以看成是二段折线设定。

虽然用户自定义v/f曲线可以任意设定，但是一旦数值设定不当，就会造成意外故障。比如说低频时转矩提升电压过高，造成电动机起动时低频抖动。所以，v/f曲线特性必须以满足电动机的运行为前提条件。

2.3 v/f曲线转矩补偿

变频器在启动或极低速运行时，根据v/f曲线，电动机在低频时对应输出的电压较低，转矩受定子电阻压降的影响比较显著，这就导致励磁不足而使电动机不能获得足够的旋转力，因此需要对转矩进行补充补偿，这称为转矩补偿。通常的做法是对输出电压做一些提升补偿，以补偿定子电阻上电压降引起的输出转矩损失，从而改善电动机的输出转矩。

图4 转矩补偿

图4中，v0表示手动转矩提升电压、vmax表示最大输出电压、f0表示转矩提升的截止频率、fb表示基本运行频率。

对于v0的设置原则一般有以下几点:

（1）当电动机与变频器之间的距离太远时，由于线路压降增大，应适当增大v0值;

（2）当电动机容量小于变频器额定容量时，由于此容量电动机的绕组电阻比大容量电动机大，电阻压降也大，应适当增大v0值;

（3）当电动机抖动厉害时，说明转矩过大，转矩补偿增益调得过高，应适当减小v0值。

这里必须避免这样一个误区:即使提高很多输出电压，电动机转矩并不能和其电流相对应的提高。这是因为电动机电流包含电动机产生的转矩分量和其它分量（如励磁分量）。

关于截止频率f0，在有些变频器中是固定的频率值，如abb acs550变频器

f0＝20hz、罗克韦尔ab powerflex 400变频器f0＝25hz;有些变频器是可以设置的，如艾默生ev2000变频器f0=0～50%基本运行频率。

转矩补偿可以根据变频器的参数设置选择手动和自动，如手动设置则允许用户v0在0－20%或30％umax之间任意设定，如自动设置则是变频器根据电动机启动过程中的力矩情况进行自动补偿，其参数是随着负载变化而更改的。

2.4 闭环v/f控制

闭环v/f控制就是在v/f控制方式下，设置转速反馈环节。测速装置可以是旋转编码器，也可以是光电开关，安装方式比较自由，既可以安装在电动机轴上，也可以安装在其他相关联的位置。同样，通常所说的不带转速反馈的v/f控制，也称之为开环v/f控制。

闭环v/f控制选用速度反馈信号可以选用一相或者二相信号，一相信号如接近开关或是旋转编码器的a相和b相之一。旋转编码器是一种测量旋转角度的测量器件，它集机、光、电技术于一体，通过光电转换，将角位移转换成相应的电脉冲或数字信号输出。旋转编码器通常采用两个相位差90°的方波编码方式，其旋转方向由两个波形的相位差决定。旋转编码器有很多种型号，通常的速度反馈则选用增量型编码器，电动机的运动速度由一定时间内编码器所产生的脉冲信号决定。脉冲信号输出即可与变频器的pg接口相连接，就可以得到测量值。编码器的精度由旋转一周产生方波数决定，当旋转一周可产生2000个方波时，每一个方波周期表示为360°/2000，其最大的响应频率达到100khz左右。

a）pg接口示意 b）速度增益曲线

图5 闭环v/f控制接线图和速度增益示意图

图5所示为旋转编码器pg与变频器vf组成的闭环v/f控制。图5a中，ps+/ps-为编码器的工作电源，a+信号为a相信号或b相信号，本控制方式采用一相反馈。

闭环v/f控制为了获得良好的速度控制性能，还必须设置比例增益p值和积分时间i值，图5b所示为参数设置情况。

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