变频控制的应用研究

甘 鹏

（上汽通用五菱汽车股份有限公司 青岛分公司，山东 青岛266555）

0 概述

在当今的工业生产中很多场合都对电机的速度控制提出了很高的要求，在一个控制流程中会要求电机输出多段不同的转速，因此如何根据电机运动原理来改变电机的转速成为解决电机调速的关键。目前对交流异步电动机的调速主要是通过变频器来实现的，即通过改变电动机的输入频率从而达到改变电机转速的目的。在使用上变频器主要分一般常用类变频器和风机泵类变频器，其二者的不同点主要是所驱动的负载的特性不同。

1 变频控制中变频调速的原理

1.1 变频调速的控制方式

变频调速控制方式一般可分为两种，开环控制和闭环控制，闭环控制需要加测速反馈装置。 开环控制主要是转速开环、恒压频比控制（V/F 控制）的调速系统，闭环控制方式包括转速闭环、转差频率控制的调速系统。

（1）V/F 控制：异步电动机的转速由电源频率和电机级数决定，即

其中：n——异步电动机转子转速；P——异步电动机极对数；f1——交流电源频率；S——异步电动机转差频率。

所以改变频率可以调节电动机的转速。但是频率的改变导致电动机内部阻抗也改变，因此单独改变频率将产生由弱励磁引起的转矩不足和由过励磁引起的磁饱和等现象， 使电动机的功率因数和效率下降;V/F 是一种开环控制方式，变频器在改变输出频率的同时，必须控制变频器的输出电压，即使V/F 为常值。 要保持磁通量Φm不变，当频率f1从额定值f1N向下调节时，必须同时降低Eg，即使得电动势与频率的比值为恒值。然而，绕组中的感应电动势是难以直接控制的，但当电动势值较高时，可以忽略定子绕组的漏磁阻抗压降，而认为定子相电压Us≈Eg，从而使得电动势与频率的比值为恒值。

这就是恒压频比的控制方式即V/F 控制，采用这种控制方式可以保证电机转矩的较高稳定性。

（2）转速闭环、转差频率控制：转差频率控制方式是在V/F 控制方式的基础上发展起来的，需要加装转速检测（硬件）和数字测速（软件）来检测出电动机的转速并反馈到变频器的中央处理单元，然后根据实测转速信号ω 与转差角频率ωs相加后得到电机定子频率的输入值ω1，从而得到变频器的输出频率。 由于转矩与转差频率的关系为：

其中：ωs=sω1；Ts——交流异步电动机转矩；ωs——转差频率；ω1——异步电动机定子频率；s——异步电动机转差率。

上式表明在s 值很小的稳态运行范围内，如果能够保持气隙磁通Φm不变，异步电动机的转矩就近似与转差角频率ωs成正比。 这就是说，在异步电动机中控制ωs就能控制转矩。 控制转差频率就代表控制转矩，这就是转差频率控制的基本概念。

2 变频控制中常用参数的设置

2.1 多段调速的参数设置

在现代化的工业生产中变频控制已得到了广泛的应用，其中恒压频比控制的调速方式不但可以很好的调整电机的转速同时可以保证电机转矩的稳定性，因而得到了较多的使用。 多段调速作为恒压频比控制的一种主要形式在变频调速中使用较多。

采用多段调速的方式来控制电机转速以台达VHD_A 系列的变频器为例，首先要进行主频率输入来源地选择，将Pr.00 中参数的值设定为d0000,表示主频率输入由数字操作器控制,而后设定运转信号的来源，将Pr.01 中的参数值设定为d0001,即代表运转指令由外部端子控制。 同时将Pr.39、Pr.40、Pr.41 分别设定为多段速指令一、二、三。即分别将Pr.39、Pr.40、Pr.41 中参数的值设定为d0000、d0001、d0002。而后要在Pr.16、Pr.17、Pr.18、Pr.19、Pr.20、Pr.21、Pr.22 中设定不同的频率值， 从而通过Pr.39、Pr.40、Pr.41 所组成的不同的二进制位来选择Pr.16 到Pr.22 中的频率值。 其中Pr.39、Pr.40、Pr.41 的内部二进制所对应的高低电平的状态对应变频器的外部输入端口Mx1、Mx2、Mx3 的状态，具体的对应关系如图1 所示。

图1 多段调速时各端口的对应关系

3 变频控制中的通讯方式

常用通讯方式简介：

变频控制中经常使用PLC 来控制变频器进行调速以实现电机的多段速运行， 其中PLC 与变频器之间的信号传输常见的有数字指令式、现场总线式等多种通讯方式。

3.1 数字指令式

该种通讯方式常见于较简单的调速设备中，例如汽车行业中的清洗机， 当电机带动输送带运动一段距离即将到达设定位置前PLC 便会发送减速信号，通过输出一个高电平的数字量信号改变当前变频器的运行频率从而使电机减速。

3.2 现场总线式

随着现代工业设备的不断发展，变频控制的使用也越来越广泛越来越复杂，仅仅依靠数字指令的方式来控制变频器进行变频已不能满足设备的要求， 因此通过现场总线来实现PLC 与变频器之间的通讯越来越多应用在现代化的复杂设备中。在变频控制中采用现场总线的方式进行通讯不但可以实现大量信号的快速传输，同时可以将变频器作为整个控制系统中的一个子站从而对站点的状态实现实时监控。

近年来变频控制不断融合许多新的技术，在通讯方式、变频装置内部监控以及对各类控制系统的兼容性等方面都有较大的发展，随着变频控制技术的不断发展必将在更为广泛的领域得到使用。

［1］彭增良.PLC 与变频器连接时应注意的问题[J].电气时代,2003(8)：15-18.

［2］李传伟,王燕妮.变频器与PLC 的连接与配合使用[J]. 电气传动自动化，2005(2)：21-26.