西门子变频器工作原理与控制方式及问题汇总

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1、容济摩托车点火器 http:/参考资料：http:/ 门 子 变 频 器 也 可 用 于 家 电 产 品 。 使 用 西 门 子 变 频 器 的 家 电 产 品 中 不 仅 有 电 机 （ 例 如 空 调等 ） ， 还 有 荧 光 灯 等 产 品 。 用 于 电 机 控 制 的 西 门 子 变 频 器 ， 既 可 以 改 变 电 压 ， 又 可 以 改 变频 率 。 但 用 于 荧 光 灯 的 西 门 子 变 频 器 主 要 用 于 调 节 电 源 供 电 的 频 率 。 汽 车 上 使 用 的 由 电 池（ 直 流 电 ） 产 生 交 流 电 的 设 备 也 以 “inverter”的 名

2、称 进 行 出 售 。 西 门 子 变 频 器 的 工 作原 理 被 广 泛 应 用 于 各 个 领 域 。 例 如 计 算 机 电 源 的 供 电 ， 在 该 项 应 用 中 ， 西 门 子 变 频 器 用 于抑 制 反 向 电 压 、 频 率 的 波 动 及 电 源 的 瞬 间 断 电 。1 西 门 子 变 频 器 的 工 作 原 理我 们 知 道 ， 交 流 电 动 机 的 同 步 转 速 表 达 式 位 ：n 60 f(1 s)/p (1)式 中 n 异 步 电 动 机 的 转 速 ；f 异 步 电 动 机 的 频 率 ；s 电 动 机 转 差 率 ；p 电 动 机 极 对 数 。由

3、式 (1) 可 知 ， 转 速 n 与 频 率 f 成 正 比 ， 只 要 改 变 频 率 f 即 可 改 变 电 动 机 的转 速 ， 当 频 率 f 在 0 50Hz 的 范 围 内 变 化 时 ， 电 动 机 转 速 调 节 范 围 非 常 宽 。 西门 子 变 频 器 就 是 通 过 改 变 电 动 机 电 源 频 率 实 现 速 度 调 节 的 ， 是 一 种 理 想 的 高 效 率 、 高 性 能的 调 速 手 段 。2 西 门 子 变 频 器 控 制 方 式低 压 通 用 变 频 输 出 电 压 为 380 650V ， 输 出 功 率 为 0.75 400kW ，工 作 频 率

4、 为 0 400Hz ， 它 的 主 电 路 都 采 用 交 直 交 电 路 。 其 控 制 方式 经 历 了 以 下 四 代 。2.1U/f=C 的 正 弦 脉 宽 调 制 （ SPWM ） 控 制 方 式其 特 点 是 控 制 电 路 结 构 简 单 、 成 本 较 低 ， 机 械 特 性 硬 度 也 较 好 ， 能 够 满 足 一 般 传 动 的 平 滑调 速 要 求 ， 已 在 产 业 的 各 个 领 域 得 到 广 泛 应 用 。 但 是 ， 这 种 控 制 方 式 在 低 频 时 ， 由 于 输 出电 压 较 低 ， 转 矩 受 定 子 电 阻 压 降 的 影 响 比 较 显 著

5、， 使 输 出 最 大 转 矩 减 小 。 另 外 ， 其 机 械 特性 终 究 没 有 直 流 电 动 机 硬 ， 动 态 转 矩 能 力 和 静 态 调 速 性 能 都 还 不 尽 如 人 意 ， 且 系 统 性 能 不高 、 控 制 曲 线 会 随 负 载 的 变 化 而 变 化 ， 转 矩 响 应 慢 、 电 机 转 矩 利 用 率 不 高 ， 低 速 时 因 定 子电 阻 和 逆 变 器 死 区 效 应 的 存 在 而 性 能 下 降 ， 稳 定 性 变 差 等 。 因 此 人 们 又 研 究 出 矢 量 控 制 变频 调 速 。2.2 电 压 空 间 矢 量 （ SVPWM ） 控

6、 制 方 式它 是 以 三 相 波 形 整 体 生 成 效 果 为 前 提 ， 以 逼 近 电 机 气 隙 的 理 想 圆 形 旋 转 磁 场 轨 迹 为 目 的 ，一 次 生 成 三 相 调 制 波 形 ， 以 内 切 多 边 形 逼 近 圆 的 方 式 进 行 控 制 的 。 经 实 践 使 用 后 又 有 所 改进 ， 即 引 入 频 率 补 偿 ， 能 消 除 速 度 控 制 的 误 差 ； 通 过 反 馈 估 算 磁 链 幅 值 ， 消 除 低 速 时 定 子电 阻 的 影 响 ； 将 输 出 电 压 、 电 流 闭 环 ， 以 提 高 动 态 的 精 度 和 稳 定 度 。 但 控

7、 制 电 路 环 节 较 多 ，且 没 有 引 入 转 矩 的 调 节 ， 所 以 系 统 性 能 没 有 得 到 根 本 改 善 。2.3 矢 量 控 制 （ VC ） 方 式矢 量 控 制 变 频 调 速 的 做 法 是 将 异 步 电 动 机 在 三 相 坐 标 系 下 的 定 子 电 流 Ia 、 Ib 、 Ic 、 通 过 三 相 二 相 变 换 ， 等 效 成 两 相 静 止 坐 标 系 下 的 交 流 电 流 Ia1Ib1 ， 再 通 过 按 转 子 磁 场 定 向 旋 转 变 换 ， 等 效 成 同 步 旋 转 坐 标 系 下 的 直 流 电 流 Im1 容济摩托车点火器 ht

8、tp:/、 It1 （ Im1 相 当 于 直 流 电 动 机 的 励 磁 电 流 ； It1 相 当 于 与 转 矩 成 正 比 的 电 枢电 流 ） ， 然 后 模 仿 直 流 电 动 机 的 控 制 方 法 ， 求 得 直 流 电 动 机 的 控 制 量 ， 经 过 相 应 的 坐 标 反变 换 ， 实 现 对 异 步 电 动 机 的 控 制 。 其 实 质 是 将 交 流 电 动 机 等 效 为 直 流 电 动 机 ， 分 别 对 速 度 ，磁 场 两 个 分 量 进 行 独 立 控 制 。 通 过 控 制 转 子 磁 链 ， 然 后 分 解 定 子 电 流 而 获 得 转 矩 和 磁

9、 场 两个 分 量 ， 经 坐 标 变 换 ， 实 现 正 交 或 解 耦 控 制 。 矢 量 控 制 方 法 的 提 出 具 有 划 时 代 的 意 义 。 然而 在 实 际 应 用 中 ， 由 于 转 子 磁 链 难 以 准 确 观 测 ， 系 统 特 性 受 电 动 机 参 数 的 影 响 较 大 ， 且 在等 效 直 流 电 动 机 控 制 过 程 中 所 用 矢 量 旋 转 变 换 较 复 杂 ， 使 得 实 际 的 控 制 效 果 难 以 达 到 理 想分 析 的 结 果 。西 门 子 变 频 器 工 作 原 理西 门 子 变 频 器 主 要 由 整 流 （ 交 流 变 直 流 ）

10、 、 滤 波 、 再 次 整 流 （ 直 流 变 交 流 ） 、 制动 单 元 驱 动 单 元 、 检 测 单 元 微 处 理 单 元 等 组 成 的 。1. 电 机 的 旋 转 速 度 为 什 么 能 够 自 由 地 改 变 ？*1: r/min电 机 旋 转 速 度 单 位 ： 每 分 钟 旋 转 次 数 ， 也 可 表 示 为 rpm.例 如 ： 2 极 电 机 50Hz 3000 【 r/min】4 极 电 机 50Hz 1500 【 r/min】结 论 ： 电 机 的 旋 转 速 度 同 频 率 成 比 例本 文 中 所 指 的 电 机 为 感 应 式 交 流 电 机 ， 在 工 业

11、 中 所 使 用 的 大 部 分 电 机 均 为 此 类 型 电 机 。 感应 式 交 流 电 机 （ 以 后 简 称 为 电 机 ） 的 旋 转 速 度 近 似 地 确 决 于 电 机 的 极 数 和 频 率 。由 电 机 的 工 作 原 理 决 定 电 机 的 极 数 是 固 定 不 变 的 。 由 于 该 极 数 值 不 是 一 个 连 续 的 数 值 （ 为2 的 倍 数 ， 例 如 极 数 为 2， 4， 6） ， 所 以 一 般 不 适 和 通 过 改 变 该 值 来 调 整 电 机 的速 度 。另 外 ， 频 率 能 够 在 电 机 的 外 面 调 节 后 再 供 给 电 机 ，

12、 这 样 电 机 的 旋 转 速 度 就 可 以 被 自 由 的 控制 。因 此 ， 以 控 制 频 率 为 目 的 的 西 门 子 变 频 器 ， 是 做 为 电 机 调 速 设 备 的 优 选 设 备 。n = 60f/pn: 同 步 速 度f: 电 源 频 率p: 电 机 极 对 数结 论 ： 改 变 频 率 和 电 压 是 最 优 的 电 机 控 制 方 法如 果 仅 改 变 频 率 而 不 改 变 电 压 ， 频 率 降 低 时 会 使 电 机 出 于 过 电 压 （ 过 励 磁 ） ， 导致 电 机 可 能 被 烧 坏 。 因 此 西 门 子 变 频 器 在 改 变 频 率 的 同

13、 时 必 须 要 同 时 改 变 电 压 。 输 出 频 率在 额 定 频 率 以 上 时 ， 电 压 却 不 可 以 继 续 增 加 ， 最 高 只 能 是 等 于 电 机 的 额 定 电 压 。例 如 ： 为 了 使 电 机 的 旋 转 速 度 减 半 ， 把 西 门 子 变 频 器 的 输 出 频 率 从 50Hz 改 变 到25Hz， 这 时 西 门 子 变 频 器 的 输 出 电 压 就 需 要 从 400V 改 变 到 约 200V2. 当 电 机 的 旋 转 速 度 （ 频 率 ） 改 变 时 ， 其 输 出 转 矩 会 怎 样 ？*1: 工 频 电 源由 电 网 提 供 的 动

14、 力 电 源 （ 商 用 电 源 ）*2: 起 动 电 流当 电 机 开 始 运 转 时 ， 西 门 子 变 频 器 的 输 出 电 流西 门 子 变 频 器 驱 动 时 的 起 动 转 矩 和 最 大 转 矩 要 小 于 直 接 用 工 频 电 源 驱 动电 机 在 工 频 电 源 供 电 时 起 动 和 加 速 冲 击 很 大 ， 而 当 使 用 西 门 子 变 频 器 供 电 时 ， 这 些 冲 击 就要 弱 一 些 。 工 频 直 接 起 动 会 产 生 一 个 大 的 起 动 起 动 电 流 。 而 当 使 用 西 门 子 变 频 器 时 ， 西 门子 变 频 器 的 输 出 电 压

15、 和 频 率 是 逐 渐 加 到 电 机 上 的 ， 所 以 电 机 起 动 电 流 和 冲 击 要 小 些 。容济摩托车点火器 http:/通 常 ， 电 机 产 生 的 转 矩 要 随 频 率 的 减 小 （ 速 度 降 低 ） 而 减 小 。 减 小 的 实 际 数 据 在 有 的 西 门子 变 频 器 手 册 中 会 给 出 说 明 。通 过 使 用 磁 通 矢 量 控 制 的 西 门 子 变 频 器 ， 将 改 善 电 机 低 速 时 转 矩 的 不 足 ， 甚 至 在 低 速 区 电机 也 可 输 出 足 够 的 转 矩 。3. 当 西 门 子 变 频 器 调 速 到 大 于 50Hz 频 率 时 ， 电 机 的 输 出 转 矩 将 降 低通 常 的 电 机 是 按 50Hz 电 压 设 计 制 造 的 ， 其 额 定 转 矩 也 是 在 这 个 电 压 范 围 内 给 出 的 。 因此 在 额 定 频 率 之 下 的 调 速 称 为 恒 转 矩 调 速 . (T=Te P=Pe)西 门 子 变 频 器 输 出 频 率 大 于 50Hz 频 率 时 ， 电 机 产 生 的 转 矩 要 以 和 频 率 成 反 比 的 线 性关 系 下 降 。当 电 机 以 大 于 50Hz 频