交流电动机变频调速系统控制方案的选择

本文讨论了三相异步电动机开环变频调速系统；无传感器矢量变频器异步调速系统；矢量变频器闭环异步变频调速系统；　　永磁同步电动机开环控制变频调速系统四种控制方案。文中还就这四种方案的优缺点进行分析比较，指出它们各自的适用范围。　　一、 交流电动机变频调速　　交流电动机不论三相异步电动机还是三相同步电动机，它们的转速N公式为：　　N0=60F/P （同步电动机） N=N0(1-S)=60F/P(1-S) （异步电动机）　　式中：F-频率；P-极对数；S-转差率（0～3%或0～6%）。　　由转速公式可见，只要设法改变三相交流电动机的供电率F，就十分方便地改变了电动机的转速N。比改变极对数P和转差率S两个参数简单得多，特别是近二十多年来，静态电力变频调速器突飞猛进的发展，使得三相交流电动机变频调速成为当前电气调速的主流。　　实际上仅仅改变电动机的频率并不能获得良好的变频特性。例如：标准设计的三相异步电动机，380V，50Hz。如果电压不变，只改变频率，会产生什么问题？380V不变，频率下调(<50Hz)，会使电机气隙磁通φ(约等于V/F)饱和；反之，380V不变，频率向上调(>50Hz)，则使磁通减弱。所以，真正应用变频调速时，一般需要同时改变电压和频率，以保持磁通基本恒定。因此，变频调速器又称为VVVF(Variable Voltage Variable Frequency)装置。　　二、 交流电动机变频调速四种控制方案的分析　　根据生产的要求，变频器的型式和电动机的种类，会出现多种多样的变频调速控制方案。这里只讨论交-直-交(Ac-Dc-Ac)变频器。至于交-交循环变频器（Ac-Ac相控变频）以及自同步控制逆变器（不论Ac-Ac方式还是Ac-Dc-Ac方式），即俗称无换向器电动机，均不展开讨论。 １、开环控制的通用变频器三相异步电动机变频调速系统控制框图如图1所示。　　图1 开环异步机变频调速　　VVVF-通用变频器 IM-异步电动机　　该控制方案结构简单，可靠性高。但是，由于是开环控制方式，其调速精度和动态响应特性并不是十分理想。尤其是在低速区域电压调整比较困难，不可能得到较大的调速范围和较高的调速精度。异步电动机存在转差率，转速随负荷力矩变化而变动，即使目前有些变频器具有转差补偿功能及转矩提升功能，也难以达到0.5%的精度，所以采用这种V/F控制的通用变频器异步机开环变频调速适用于一般要求不高的场合，例如风机、水泵等机械。　　2、无速度传感器的矢量控制变频器异步电机变频调速系统控制框图如图2所示。　　图2 矢量控制变频器的异步电机变频变频调速　　VVVF -矢量变频器　　对比图1和图2控制框图，两者的差别仅在使用的变频器不同。由于使用无速度传感器矢量控制的变频器，可以分别对异步电动机的磁通和转矩电流进行检测、控制，自动改变电压和频率，使指令值和检测实际值达到一致，从而实现了矢量控制。虽说它是开环控制系统，但是大大提升了静态精度和动态品质。转速精度约等于0.5%，转速响应也较快。　　如果生产要求不是十分高的情形下，采用矢量变频器无传感器开环异步电机变频调速是非常合适的，可以达到控制结构简单，可靠性高的实效。 3、带速度传感器矢量控制变频器的异步电机闭环变频调速系统控制框图如图3所示。　　图３ 异步电机闭环控制变频调速　　PG-速度脉冲发生器　　矢量控制异步电机闭环变频调速是一种理想的控制方式。　　它有许多优点：　　（1）可以从零转速起进行速度控制，即甚低速亦能运行，因此调速范围很宽广，可达100:1或1000:1；　　（2）可以对转矩实行精确控制；　　（3）系统的动态响应速度甚快；　　（4）电动机的加速度特性很好等优点。　　然而，带速度传感器矢量控制变频器的异步机闭环变频调速技术性能虽好，但是毕竟它需要在异步电动机轴上安装速度传感器，严格地讲，已经降低了异步电动机结构坚固、可靠性高的特点。况且，在某些情况下，由于电动机本身或环境的因素无法安装速度传感器。再则，多了反馈电路和环节，也增加了出故障的机率。　　因此，如若非采用不可的情况下，对于调速范围、转速精度和动态品质要求不是特别高的条件场合，往往采用无速度传感器矢量变频器开环控制异步机变频调速系统。　　4、 永磁同步电动机开环控制的变频调速系统控制框图如图4所示。　　图４ 永磁同步电动机开环控频调速　　SM-同步电动机 （PM. SM）-制变永磁式　　假如将图1中异步电动机(IM)换成永磁同步电动机(PM.SM)，就是第四种变频调速控制方案。又具有控制电路简单，可靠性高的特点。至于调速性能如何呢？　　由于是同步电动机，它转速始终等于同步转速N0=60F/P，只取决于电动机供电频率F，而与负载大小无关（除非负载力矩大于或等于失步转矩，同步电动机会失步，转速迅速停止），其机械特性曲线为一根平行横轴直线，绝对硬特性。　　如果采用高精度的变频器（数字设定频率精度可达0.01%），在开环控制情形下，同步电动机的转速精度亦为0.01%。因为同步电动机转速精度与变频器频率精度相一致（在开环控制方式时），所以特别适合多电机同步传动，静态转速精度要求甚高(0.5～0.01%)的化纤纺丝机，是最理想最简单的首选方案。　　至于同步电动机变频调速系统的动态品质问题，若采用通用变频器V/F控制，响应速度较慢；若采用夭量控制就频器，响应　　速度很快。　　三、 交流电动机变频调速控制方案的选择　　在对四种常用控制方案分析的基础上，列表进行对比，可以根据实际需求作出正确选择。　　（I）　　通用变频器异　　步电机开环控制 （II）　　异步机无传感器　　矢量变频器控制 （III）　　异步机带传感器　　矢量变频器控制 （IV）　　通用矢量变频器　　永磁同步机开环控制 备 注　　VVVF+IM（开环） VVVFV+IM（开环） VVVFV+IM（闭环） VVVF+PM.SM（开环）　　调速特性 调速范围(D) 10：1 （20：1） 20：1 （50：1） 1000： I (10-100):1 在额定负载下：　　D=N最高/N最低　　调速精度(%) 1-2%（与负载变化有关） 1%（0.5%） 模拟控制0.1%　　数字控制0.01% 模拟控制0.1%　　数字控制0.01% 在10%MN-100%MN间转速变化△N/N0（Nn）（%）　　转速上升时间 响应速度慢 ≤100ms（快） ≤60ms（30-100rad/s） 响应速度快（VVVFV） 通用变频器响应一般　　转矩控制 ▲ ★ ★ （VVVFV）★ 通用变频器 ▲　　极低速运行 ▲ ▲ ★ ▲ 0Hz-0.5Hz　　变频器类型 电压型　　（6脉冲） ★ ▲ ▲ ★ 180°导通角型　　电压型　　（PWM） ★ ★ ★ ★ IGBT.GTR　　电流型　　（6脉冲，PWM） ★ ★ ★ ★ IGBT.SCR　　特 点 1、 开环控制电路结构简单；　　2、调试工作容易；3、可采用通用异步机；　　4、调速范围小，调速精度低，适用于一般要求不高的地方，例如风机，水泵类机械。 1、 不需要PG（转速脉 冲发生器）；2、可以进行转矩控制；　　3、响应速度快；4、变频器，电机参数设 定应与负载匹配。 1、转矩控制性能好；　　2、响应速度极快；3、需要正确安装PG部件；　　4、电气参数应正确匹 配；　　5、闭环控制电路复杂；　　6、调速宽，精度高，价 格贵，适合要求高的 设备。 1、开环控制电路结构简单　　2、调整方便且快捷　　3、调速精度与变频器频 率精度相同；　　4、需用永磁同步电动机 效率高，力率良；　　5、特别适用于纺织、化 纤行业，精度高，多电机同步传动系统 1、 静态指标和动态品质要求高的场合采用 （III） 方案　　2、 一般机械如风机、水泵采用（I）方案　　3、 多电机同步系统采用 （IV）方案（公共直 流母线系统更佳）　　[注] VVVF--变频器， IM--异步机，PM.SM--永磁同步机，★--适用（能），▲--不适用（不能）， VVVFV--矢量变频器