参考文献

向晓汉和宋昕编写的《变频器与步进/伺服驱动技术完全精通教程》在 2015 年出版了第 1 版，其出版单位是北京的化学工业出版社。

王永华所著的《现代电气控制及 PLC 应用技术》在 2018 年出版了第 5 版，其出版社为北京航空航天大学出版社，地点在北京。

王兆安和刘进军编写的《电力电子技术》（第 5 版）于 2019 年由机械工业出版社出版，其页码在 216 至 218 页。

陈国强所著的《工业自动化中的驱动与控制》一书，于 2016 年出版了第 1 版，该书由机械工业出版社出版，其页码范围为 86 至 105 页。

0理论基础

三相笼型异步电动机的转速公式为：

n=60f/p（1-s）

p为极对数，s为转差率，f为供电电源频率。

由此可看出三相笼型异步电动机的调速方法有三种。其一为改变极对数 p 的变极调速；其二为改变转差率 s 的降压调速；其三为改变电动机供电电源频率 f 的变频调速。

1变频器简述

变频技术诞生的背景是交流电机需要进行无级调速，并且这种需求较为广泛。它的主要功能是实现调速与变频。

变频器是应用了变频技术与微电子技术的设备。它通过改变电机工作电源频率（即变频）来控制交流电动机。一般的逆变器是把直流电源逆变为固定频率和固定电压的逆变电源；而能逆变为频率和电压都可调的逆变器就被称为变频器。除了具备调速功能外，变频器还有节能的特点，尤其在风机、水泵的应用方面表现明显。

单相电机不适合用变频器来进行变速运行。当采用电容器起动方式时，电容器里会产生高次谐波电流，从而会损坏电容器。对于分相起动方式以及反弹起动方式的单相电机而言，因为其内部的离心力开关不动作，所以存在烧坏起动线圈的危险。

变频器常与PLC搭配使用。

在60Hz以下的变频器效率大约为94%~96%。

变频器的分类见下。

按变换的环节分类

交-交型变频器：工频交流直接变换成频率电压可调

交-直-交型变频器：工频交流能够转变为直流，然后再逆变成频率和电压都可调节的交流。这种变频器目前被广泛应用，属于通用型变频器。之所以采用交-直-交的变化方式，是因为交流电网的电压和频率是固定的，需要借助直流电进行逆变，从而得到电压和频率都能调节的电源。与交-交变频器相比，交-直-交型变频器的输出频率不会受到输入电源频率的制约。按直流电源的性质来进行分类的话，有电压型变频器和电流型变频器；按调压的方法来分类的话，有 PAM 变频器（这种方式使用得较少）和 PWM 变频器；按控制的方式来进行分类。

U/f 控制变频器的 f（采用 VVVF 控制）：U/f 控制意味着要确保输出电压与频率呈正比的控制方式，这种控制方式通常在低端变频器中被使用。

SF控制变频器

矢量控制变频器的基本原理是对异步电动机定子电流矢量进行测量和控制。依据磁场定向原理，能够分别对异步电动机的励磁电流和转矩电流进行控制。这样就可以达到控制异步电动机转矩的目的。这种变频器常用于高精度要求的场合。

直接转矩控制 2变频器的变频原理 2.1交-直-交变换

分为交-直变换工程和直-交变换过程两个基本过程。

2.2 变频变压的原理。

进而会造成电动机绕组烧毁 。

因此电动机变频变压调速需要改变电动机的频率 f，并且也需要改变电动机电压。通常把磁通设定为一个恒定数值，在这种情况下，电压和频率的比值为固定比例。

即 U/f=常数

实现方法

变频变压的实现方法包含脉幅调制（PAM），也包含脉宽调制（PWM），还包含正弦脉宽调制（SPWM）。

正弦脉宽调制波的实现方法包含单极性正弦脉宽调制和双极性脉宽调制。 单极性正弦脉宽调制是正弦脉宽调制波的一种实现方法。 双极性脉宽调制也是正弦脉宽调制波的一种实现方法。

SPWM 在 PWM 的基础上对调制脉冲方式进行了改变。其脉冲宽度时间占空比是按照正弦规律进行排列的。通过这样的方式，输出波形经过适当的滤波后，能够实现正弦波输出。

3变频器的控制方式

变频器调速系统的控制方式包含两种。一种是 U/f 控制，它属于基本方式。另一种是矢量控制，它属于高级方式。

3.1 U/f控制

u/f控制方式

即U/f=常数，具体请参考上文变频变压的原理。

理想u/f控制曲线如下：

转矩补偿功能

转矩补偿，也就是转矩提升。在 u/f 控制方式当中，通过增加输出电压的方式，来提升电动机的转矩。

在基频以下进行调速时，采用 u/f 控制方式能使磁通量保持恒定。当 f 较高时，只要保持 u/f 恒定，就可以近似地让主磁通保持恒定；而当 f 较低时，磁通量会下降，这会导致输出转矩下降，此时提升变频器的输出电压，就能补偿转矩的不足，从而使磁通量保持恒定。

常用的补偿方法有线性补偿、分段补偿和平方律补偿等。

U/f 控制方式较为简单，属于开环控制类型。它未实现转速环的构建。这种控制方式适用于生产机械对调速系统的静、动态性能要求不高的场合。

节能运行功能

节能运行控制功能指的是变频器把检测到的电动机运行状态和变频器里储存的标准电动机参数进行对比，接着自动给出最佳工作电压，这整个过程就是节能运行。

节能运行只能用于u/f控制方式下。 3.2矢量控制

具有该功能的变频器称作矢量型变频器。

矢量控制原理

矢量控制方式的基本思想是仿照直流电动机的方式。主磁通要保持不变，这样就能得到很好的机械特性。

矢量控制方式属于高性能控制方式。它基于异步电动机的按转子磁链定向的动态数学模型。其控制原理与直流电动机类似。将测得的变频器实际输出电流按空间矢量的方式进行分解，这样就形成了转矩电流分量与励磁电流分量这两个电流闭环。同时，借助编码器或内置观测器模型能够构成速度闭环。这种双闭环控制方式（类似于直流调速系统中的双闭环控制），它可以改善变频器的动态响应能力，能够减小滑差，保证系统速度稳定，还能确保低频时的转矩输出。

要实施矢量控制，就得获取电动机的电磁参数，这些参数包含电动机的铭牌数据以及定、转子绕组的参数。因为后者参数值的获取不是那么容易，所以变频器配备了自调谐功能，利用一定的算法来获取这些参数。正因为这样，对于处于矢量控制模式下的变频器，只能连接一台电机。

使用矢量控制时，将构成速度闭环。

当使用编码器来构成速度闭环时，这种控制方式被称为速度传感器矢量控制（VC）/闭环矢量控制。

当使用内置观测器模型来构成速度闭环时，这种情况被称为无速度传感器矢量控制（SVC），也被称为无感矢量控制，还被称为开环矢量控制。

闭环矢量控制

部分变频电机配有编码器供变频器组建闭环。

开环矢量控制

当系统存在难以安装传感器的情况，或者没有合适的传感器，致使某些状态变量无法进行测量时，状态观测器能够依据系统模型被设计成虚拟传感器，以此来达成一个完整的状态反馈控制。其中，最为常用的观测器设计方法是以卡尔曼滤波器为基础的，因为它能够定期地清除因测量噪声而导致的累积预测误差。

闭环矢量控制具有可以大幅提高速度控制精度的优点。通常会采用光电编码器作为测速元件。

开环矢量控制性能劣于闭环矢量控制，但不需要附加器件。

闭环矢量控制 VS 开环矢量控制？

控制系统中的观测器

变频器同样支持位置闭环控制，有下述3种方案。

位置控制使用负载侧的编码器，转速控制使用电机轴上的编码器，这属于全闭环控制方式。

变频器的位置闭环控制精度不如伺服位置闭环控制。然而，变频器能够支持驱动更大的负载。

矢量控制实现过程

先检测并算出三相输出的电压和电流矢量。接着把定子电流人为地分成两个相互垂直的矢量，将其解释为励磁电流和转子电流。之后用直流调速系统（他励直流电动机）的控制方式来控制交流异步电动机，通过运算调节器分别对这两个信号进行控制，以此来控制逆变电路的输出。

矢量控制方式需要达成转速与磁链的解耦。所以，控制系统较为复杂。然而，它具备和直流电动机电枢电流控制方式相同水平的控制性能。

3.3控制方式选择

在需要高精度且快速响应，同时调速范围较宽的应用场景里，一般建议采用矢量控制；而在一些诸如普通水泵、风机这类负载变化不大的简单应用场景中，是可以使用 U/f 控制的。

4变频器的常用功能 4.1过载保护功能

变频器的过载保护功能的保护对象为电动机和变频器本身。

对电动机的过热保护功能

变频器内置的电子热继电器能够监视变频器的输出电流。需注意，仅能对一台电动机实施电子热保护。在拖动多台电动机的情况下，必须在每台电动机上连接热继电器。对于变频器自身的保护功能而言。

变频器能够对过流、过压、过功率、断电以及其他故障等情况进行自动保护。同时，它还可以发出报警信号，甚至会跳闸断电。 4.2 具备节能功能。

变频调速的节能主要体现在以下 3 个方面：一是变频节能；二是功率因数补偿节能；三是软启动节能。

变频节能

根据流体力学，风机水泵的轴功率和转速的三次方呈正比。这意味着在设备效率固定的情况下，流量变小会导致设备的转速按比例降低，进而使轴功率以立方的关系大幅度降低。而风机水泵传统的调速方式是通过调节出入口挡板以及阀门开度来调节流量，此过程会耗费大量能源。应用变频器的变频功能，依据当前所需的流量，对变频器的输出频率进行动态调节，这样就能改变风机水泵的转速，使其在处于低速小流量的状态时，依然能够保持高效率运行，同时还能降低设备的功耗。

功率因数补偿节能

功率因数在数值上是交流电路有功功率对视在功率的比值，且与电路的负荷性质相关，用 cosΦ 来表示。它与电器设备的效率呈正比关系，与无功功率呈反比关系。所以，通过功率因数补偿，能够在提升设备利用率的同时，降低无功功率所导致的线路电压损失和电能损耗。通过这些作用能够削减用户的用电成本。

软启动节能

电机启动时进行软启动。在软启动过程中，晶闸管的输出电压从 0 开始缓慢提升，电动机随之逐渐加速。当晶闸管全部导通后，输出电压变为额定电压，电动机达到额定转速，启动过程也就结束了。利用软启动能够让设备的启动电流处于可控状态，从而实现平滑启动，防止启动过流跳闸，还能延长设备的使用寿命。变频器具备软启动的功能。在电机的启动过程中能体现其节能性。利用软启动来启动电机，能够降低启动时的能耗，从而达到节能的目的。

4.3变频器的其它功能 软启软停

软启动意味着电压会从零逐渐提升至额定电压。在这种情况下，电机在启动过程中的启动电流，与过去过载冲击电流不可控制的情况不同，现在变成了可控制的。

软停止意味着电压会从额定电压逐渐地降到零，这样能让转速慢慢地降低，以此来减轻动力方面的冲击。无极调速能够凭借面板旋钮（电位器）直接对电动机的速度进行掌控。保护功能包含过载保护、过电流保护、过电压保护、欠电压保护等等。

失速指电动机运行的速度和频率不对应，通常与负载大小有关。

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