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变频器的v/f控制

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  • 发布时间:2014/12/2 9:54:46
  • 作者:银河电气

  变频器的v/f控制是通过调整变频器的输出电压和输出频率之比,来改变电机在调速过程中机械特性的控制方式,是变频器最基本的控制方式。
  异步电机在负载转矩不变的情况下,降低频率使电机转速下降,将导致输出功率下降;而电机的输入功率并不因为频率下降而自动下降。因此,频率下降时将导致输入功率与输出功率之间的严重失衡,使传递能量的电磁功率和磁通相对大幅增加,电机的磁路严重饱和,励磁电流的波形严重畸变,产生很大的尖峰电流。因此,变频器必须在降低频率的同时,相应地降低输出电压,才能维持输入功率与输出功率之间的平衡。
  既要在低频运行时同时降低输出电压,又要保证此时电机能输出足够的转矩以拖动负载,这就要求我们根据不同的负载特性适当地调整v/f比,以得到需要的电机机械特性。

1 变频器正比型v/f曲线控制


  变频器的v/f控制的基本思想是u/f=c,定义在频率为fx、电压为ux时的表达式为ux/fx=c,其中c为常数,就是“压频比系数”。图1中所示就是变频器正比型运行v/f曲线。

 变频器正比型运行v/f曲线
图1变频器正比型运行v/f曲线

  由图1可以看出,变频器v/f控制调整电压和频率之比,输出电压随频率上升而上升,保持恒定转矩输出;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随频率的上升而上升,将该特定值称为基本运行频率,用fb表示。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变频器补偿起动转矩型v/f曲线控制


  变频器在启动或极低速运行时,根据v/f曲线,电动机此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。如图2变频器转矩补偿运行曲线,将输出电压v0相对于恒定转矩v/f曲线作适当提高,以补偿定子在低频时定子电阻引起的压降,提高电机的转矩,适应大起动转矩需求的调速对象。

 变频器转矩补偿型运行v/f曲线
图2变频器转矩补偿型运行v/f曲线

v0—手动转矩提升电压、vmax—最大输出电压、f0—转矩提升的截止频率、fb—基本运行频率

 

3变频器递减型v/f曲线控制


  对于风机、水泵类负载,当管网特性不变时其轴功率N近似地与转速n的3次方成正比,即N∝n3,其转矩M近似地与转速n平方成正比,即M∝n2。当工作转速降低时,转矩以平方关系降低。对于这种负载,如果变频器的v/f特性是正比关系,则低速时电机的提供转矩远大于负载转矩,从而造成功率因数和效率的严重下降。为了适应这种负载的需要,使电压随着输出频率的减小以平方关系减小,从而减小电机的磁通Φ和励磁电流,使功率因数保持在适当的范围内。递减的v/f(如图3中,变频器递减型运行v/f曲线)曲线适用于风机、水泵类负载。

 变频器递减型运行v/f曲线
图3变频器递减型运行v/f曲线

  相对于其他变频器的控制方式,v/f控制使用简单,没有复杂的算法流程、坐标变换及电机模型辨识过程。用户使用起来相对容易很多。而且,由于它属于开环控制,不管负载如何扰动,它都不受影响,输出固定值,所以在某些时候,它反而更加稳定一些,不易受外界环境干扰。但是,也正是因为它本质上属于开环控制,所以它的控制精度是比较低的,不可能做到像矢量控制那样的无偏差控制。