马达转速控制器 变频器是怎样控制电机转速的？

变频器主要由整流(交流到DC)、滤波、再整流(DC到交流)、制动单元、驱动单元、检测单元和微处理单元组成。

1.为什么电机的转速可以自由变化？

*1: r/min

电机转速单位:每分钟旋转次数，也可以表示为rpm。

例如:2极电机50Hz 3000[转/分]

四极电机为50Hz 1500[转/分]

结论:电机转速与频率成正比

本文中提到的电机是感应交流电机，工业上使用的大多数电机都是这种类型。感应交流电机(以下简称电机)的转速大致由电机的极数和频率决定。电机的工作原理决定了电机的极数是固定的。由于极值不是连续值(例如2的倍数，极数为2、4、6)，一般不适合通过改变这个值来调节电机的转速。

此外，可以在电机外部调节频率，然后提供给电机，从而可以自由控制电机的转速。

因此，以控制频率为目的的变频器是电机调速设备的首选设备。

n = 60f/p

n:同步速度

f:电源频率

p:电机的极数

结论:改变频率和电压是最佳的电机控制方法

如果只改变频率而不改变电压，则频率降低时电机会过压(过励磁)，可能导致电机烧坏。因此，变频器必须在改变频率的同时改变电压。当输出频率高于额定频率时，电压不能继续升高，最大电压只能等于电机的额定电压。

例如，为了将电机转速减半，将变频器的输出频率从50Hz变为25Hz，需要将变频器的输出电压从400V变为200V左右。

2.当电机转速(频率)变化时，其输出转矩会发生什么变化？

*1:工频电源

电网供电(商用电源)

*2:启动电流

当电机开始运行时，变频器的输出电流

变频器的起动转矩和最大转矩小于直接供电

当电机由工频电源供电时，启动和加速的影响很大，但使用变频器供电时，这些影响会更弱。工频直接起动会产生较大的起动电流。使用变频器时，变频器的输出电压和频率逐渐加到电机上，所以电机的启动电流和冲击较小。

通常，电机产生的扭矩随着频率(速度)的降低而降低。减少的实际数据将在一些变频器手册中解释。

采用磁通矢量控制的变频器，会改善低速时转矩不足的问题，电机即使在低速时也能输出足够的转矩。

3.当变频器调整到高于50Hz的频率时，电机的输出扭矩将会降低

通常的电机是在50Hz电压下设计制造的，其额定转矩也是在这个电压范围内给定的。因此，低于额定频率的调速称为恒转矩调速(t = te，p

当变频器的输出频率大于50Hz时，电机产生的转矩会以与频率成反比的线性关系减小。

当电机以大于50Hz的频率运行时，必须考虑电机的负载，以防止电机的输出扭矩不足。

例如，电机在100赫兹时产生的扭矩应该减少到50赫兹时产生的扭矩的1/2左右。

所以额定频率以上的调速称为恒功率调速(P=Ue*Ie)

4.50Hz以上变频器的应用

众所周知，对于特定的电机，其额定电压和额定电流是恒定的。

比如变频器和电机的额定值为15kW/380V/30A，电机可以工作在50Hz以上。

转速为50Hz时，变频器的输出电压为380V，电流为30 A，如果输出频率提高到60Hz，变频器的最大输出电压和电流只能是380 V/30 A，显然输出功率不变，所以我们称之为恒功率调速。

这时的扭矩情况如何？

因为P=wT (w:角速度，t:扭矩)，因为P不变，w增大，扭矩也会相应减小。

我们可以从另一个角度来看:

电机定子电压U = E+I*R (I为电流，R为电阻，E为感应电势)

可以看出，当U和I不变时，E也不变。

而E = k*f*X，(k:常数，f:频率，X:磁通量)，所以当f用50->:60Hz表示时，X会相应减小

对于电机，T=K*I*X，(K:常数，I:电流，X:磁通量)，所以转矩T会随着磁通量X的减小而减小..

同时，当I*R小于50Hz时，当U/f=E/f不变时，磁通(x)不变，转矩t与电流成正比。这就是为什么变频器的过载(转矩)能力通常用过流能力来描述，也叫恒转矩调速(额定电流恒定->最大转矩不变)

结论:当变频器的输出频率从50Hz以上增加时，电机的输出转矩会降低。

5.与输出扭矩相关的其他因素

发热和散热能力决定了变频器的输出电流能力，从而影响变频器的输出转矩能力。

载频:变频器额定电流一般在最高载频，可以保证在最高环境温度下连续输出。如果载波频率降低，电机电流不会受到影响。但是元件发热会减少。

环境温度:就像检测到环境温度相对较低时，逆变器的保护电流值不会增加一样。

海拔:海拔升高对散热和绝缘性能有影响。一般1000 m以下可以忽略，以上容量每1000 m可以降低5%..

6.矢量控制如何提高电机的输出转矩能力？

*1:扭矩增加

该功能增加变频器的输出电压(主要在低频)，以补偿定子电阻上的电压降所造成的输出转矩损失，从而提高电机的输出转矩。

改善电机低速输出转矩不足的技术

使用“矢量控制”，电机在低速时的输出转矩，如(无转速传感器)1Hz(对于4极电机，其转速约为30r/min)，可以达到电机在50Hz电源时的输出转矩(高达额定转矩的150%左右)。

对于常规的V/F控制，电机的压降随着电机转速的降低而相对增加，导致电机因励磁不足而得不到足够的旋转力。为了补偿这种不足，逆变器需要增加电压，以补偿由于电机速度降低而导致的压降。变频器的这个功能叫做“扭矩提升”(*1)。

扭矩提升功能是增加变频器的输出电压。然而，即使输出电压增加很多，电机扭矩也不能相应地增加到其电流。因为电机电流包含了电机产生的转矩分量和其他分量(如励磁分量)。

“矢量控制”分配电机的电流值，从而确定电机电流分量和其他产生转矩的电流分量(如励磁分量)的值。

“矢量控制”可以通过响应电机端的压降来优化补偿，允许电机在不增加电流的情况下产生大扭矩。该功能在改善电机低速温升方面也是有效的。

变频器制动情况

1.刹车的概念

指电机转速高于同步转速时，电能从电机侧流向逆变器侧(或电源侧)。

负载的能量分为动能和势能。动能(其大小由速度和重量决定)随着物体的运动而积累。当动能减少到零时，这个东西就静止了。

机械制动装置的方法是利用制动装置将物体的动能转化为摩擦力并消耗掉。

至于变频器，如果输出频率降低，电机转速也会随着频率降低。这时会发生一个制动过程，制动产生的动力会回到逆变器侧。这个功率可以通过电阻加热来消耗。

当负载用于提升时，能量(势能)也应返回逆变器(或电源)侧进行制动。

这种操作方法称为“再生制动”，这种方法可以应用于逆变器制动。

在减速过程中，如果产生的电能没有被热耗消耗掉，将能量返回到变频器供电侧的方法称为“功率返回再生法”。实际上，这种应用需要选择“能量反馈单元”。

2.如何提高刹车能力？

为了利用散热消耗再生功率，需要在逆变器侧安装制动电阻。

为了提高制动能力，我们不能指望通过增加变频器的容量来解决问题。请选择“制动电阻”、“制动单元”或“功率再生转换器”，以提高逆变器的制动能力。

3.当电机转速变化时，其输出转矩会发生什么变化？

变频器驱动时的起动转矩和最大转矩比直接由变频电源驱动时小。

我们经常听到这样的说法:“当电机采用工频电源供电时，电机的起动和加速冲击很大，而采用变频器供电时，这些冲击会更弱”。如果电机以较大的电压和频率启动，例如电网直接供电，会产生较大的启动冲击(启动电流大)。

使用变频器时，变频器的输出电压和频率逐渐加到电机上，所以电机产生的转矩小于工频电网提供的转矩。所以变频器驱动的电机启动电流要小一些。

通常电机产生的转矩会随着频率(速度)的降低而降低。减少的实际数据将在一些变频器手册中解释。

采用磁通矢量控制的变频器，会改善低速时转矩不足的问题，电机即使在低速时也能输出足够的转矩。

当变频器的转速超过额定频率的20%时，电机的输出转矩将降低

通常电机是按额定频率和电压设计制造的，其额定转矩也是在这个电压范围内给定的。因此，低于额定频率的调速称为恒转矩调速(t = te，p

当电机以高于额定频率20%的速度运行时，必须考虑电机的负载，以防止电机的输出扭矩不足。

例如，额定频率为50Hz的电机在100Hz时产生的扭矩应该减少到50Hz时产生的扭矩的1/2左右。所以额定频率以上的调速称为恒功率调速(P=Ue*Ie)

摘要:

介绍了变频器的工作原理和控制方式。遵循理论与实践相结合的原则，对变频器的工作原理和控制方式进行了详细的比较和分析。

关键词:

变频器、控制方式和工作原理

近年来，随着电力电子技术、微电子技术和大规模集成电路的发展，生产技术的提高和功率半导体器件价格的降低，变频调速越来越多地被工业采用。如何选择性能良好的变频，并将其应用于工业控制，是我们专业技术人员的共同目标。结合作者的实践经验，我们将谈谈变频器的工作原理和控制方式:

1变频器的工作原理

众所周知，交流电机的同步速度表达式为:

n=60 f(1-s)/p (1)

其中n为异步电动机的转速；

F——异步电动机的频率；

S——电机转差率；

P——电机的极对数。

从公式(1)可以看出，转速n与频率f成正比，通过改变频率f可以改变电机的转速，当频率f在0 ~ 50 Hz范围内变化时，电机转速的调节范围很宽。变频器是通过改变电机的电源频率来实现高效率、高性能调速的理想手段。

2变频器控制模式

低压通用变频输出电压380 ~ 650 V，输出功率0.75 ~ 400 kW，工作频率0 ~ 400 Hz。它的主要电路是交流-DC-交流电路。其控制模式经历了以下四代。

2.1U/f=C正弦脉宽调制(SPWM)控制模式

其特点是控制电路结构简单、成本低、机械硬度好，能够满足一般变速器平稳调速的要求，已广泛应用于工业的各个领域。但在低频时，由于输出电压低，转矩受到定子电阻压降的显著影响，降低了最大输出转矩。另外，它的机械特性终究不如DC电机硬，动态转矩能力和静态调速性能都不尽如人意。而且系统性能不高，控制曲线会随着负载的变化而变化，转矩响应慢，电机转矩利用率不高。低速时，由于定子电阻和逆变器死区效应的存在，性能下降，稳定性变差。因此，人们发展了矢量控制和变频调速。

2.2电压空矢量(SVPWM)控制模式

它是以三相波形整体产生结果为前提，以逼近电机气隙的理想圆形旋转磁场轨迹为目的，一次性产生三相调制波形，通过逼近内接多边形的圆来控制。经过实际使用，有所改进，即引入频率补偿可以消除速度控制的误差；通过反馈估计磁链幅值，消除低速时定子电阻的影响；输出电压和电流闭环，提高动态精度和稳定性。但是控制回路多，没有引入转矩调节，系统性能没有得到根本改善。

2.3矢量控制(VC)模式

矢量控制变频调速的方法是将三相坐标系下异步电动机的定子电流ia、Ib、Ic转换成两相静止坐标系下的交流电流Ia1Ib1，然后通过转子磁场的定向旋转转换成同步旋转坐标系下的DC电流Im1、it1(Im1相当于DC电动机的励磁电流；It1相当于电枢电流与转矩成正比)，然后模仿DC电机的控制方法，得到DC电机的控制量，通过相应的坐标逆变换实现对异步电机的控制。交流电机本质上相当于DC电机，速度和磁场两个分量是独立控制的。通过控制转子磁链，然后分解定子电流，得到转矩和磁场两个分量，通过坐标变换实现正交或解耦控制。矢量控制方法具有划时代的意义。但在实际应用中，由于转子磁链难以精确观测，系统特性受电机参数影响较大，等效DC电机控制过程中采用的矢量旋转变换复杂，使得实际控制效果难以达到理想的分析结果。

2.4直接转矩控制模式

1985年，德国鲁尔大学的德彭布罗克教授首次提出了直接转矩控制变频技术。该技术在很大程度上解决了上述矢量控制的缺点，并以新颖的控制思想、简洁的系统结构和优异的动静态性能得到了快速发展。目前，该技术已成功应用于电力机车牵引的大功率交流传动。

直接转矩控制直接分析交流电机在定子坐标系下的数学模型，控制电机的磁链和转矩。它不需要将交流电机与DC电机等同起来，因此省去了矢量旋转变换中的许多复杂计算。它不需要模仿DC电机的控制，也不需要简化交流电机的数学模型进行解耦。

2.5矩阵交-交控制模式

VVVF变频、矢量控制变频和直接转矩控制变频都是交流-DC-交流变频的一种。它们共同的缺点是输入功率因数低，谐波电流大，DC电路需要大储能电容，再生的能量不能回馈电网，即不能进行四象限运行。于是矩阵交-交变频应运而生。由于矩阵交交变频省去了中间DC环节，省去了体积大价格高的电解电容。它可以实现L的功率因数、正弦输入电流、四象限运行和系统的高功率密度。

虽然这项技术还不成熟，但它仍然吸引了许多学者深入研究。其本质不是间接控制等量的电流和磁链，而是直接实现转矩作为被控量。具体方法是:

——将定子磁链控制到定子磁链观测器中，实现无速度传感器模式；

-自动识别(automatically identify，id)依靠电机的精确数学模型来自动识别电机参数；

——计算定子阻抗、互感、磁饱和系数、惯性等对应的实际值。计算实际转矩、定子磁链和转子速度，进行实时控制；

-带-带控制:根据磁链和转矩的带-带控制产生脉宽调制信号，以控制逆变器的开关状态。

矩阵交-交变频转矩响应快(

无电刷电动机

1.无刷电机是如何分类的？

答:从相角来看，可以分为两类，即60°和120°相角的无刷电机；按速度可分为高速无刷电机和低速无刷电机；根据电机是否有位置传感器，可分为带位置传感器的无刷电机和不带位置传感器的无刷电机。

2.什么是无传感器无刷电机？

答:对于无传感器无刷电机，在控制器能够识别无刷电机的相位之前，必须将车辆踩上去，使电机具有一定的转速，然后控制器才能给电机供电。因为不能零速启动，所以很少使用。但是因为没有传感器，少了一个故障点，成本更低。

3.无刷电机霍尔的功耗大概在多大范围？

答:无刷电机霍尔的功耗在6 mA到20 mA之间。

4.无刷电机霍尔的电压范围是多少？

答:无刷电机霍尔的电压范围一般为3-24V。

5.一般电机在什么高温下才能正常工作？电机能承受的最高温度是多少？

答:如果测得的电机盖温度超过环境温度25度以上，则表明电机温升已超出正常范围。一般电机温升应在20度以下。电机线圈一般采用漆包线绕制，但当漆包线温度高于150℃时，其漆膜会因温度过高而脱落，导致线圈短路。当线圈温度在150℃以上时，电机外壳温度约为100℃，所以电机承受的最高温度约为100℃。

6.电机温升应在20℃以下，即电机端盖温度超过环境温度时应小于20℃，但电机发热超过20℃的原因是什么？

答:电机发热的直接原因是大电流造成的。一般可能是磁钢退磁时线圈短路或开路，电机效率低造成的。正常情况下，电机运行时间长，电流大。

7.无刷电机的相角怎么测量？

答:无刷电机的相角可以通过打开控制器的电源，给霍尔元件供电来检测。方法如下:使用万用表的+20V DC电压电平，将红色探头连接到+5V线上，用黑色探头测量三根导线的高低压(这里有使用红色和黑色探头的技巧)，并根据60和120电机的换相表进行比较。

8.120无刷电机如果用60无刷控制器会怎么样？反之亦然？

答:会导致缺相现象，不能正常运行；然而，天津郑松公司开发的智能无刷控制器可以自动识别60个电机或120个电机，可以兼容两个电机，使维护和更换更加容易。

9.有刷高速电机和有刷低速电机在直观上有什么区别？

答:a .高速电机有超越离合器(像飞轮)，一个方向容易转，另一个方向费力；低速电机同样容易双向旋转。

B.高速电机噪音大，低速电机噪音小。有经验的人很容易用耳朵识别。

10.电机的启动电流是如何定义的？

答:一般要求电机启动电流不超过其额定电流的2 ~ 5倍，这也是控制器做限流保护的重要原因。

11.为什么市面上卖的电机速度越来越高，有什么影响？

答:a .供应商可以通过提速降低成本。也是低速电机。当速度较高时，线圈数量较少，硅钢片和磁钢的数量也较少。买家认为速度越高越好。

B.额定转速工作时，其效率不变，但在低速区明显偏低，即无法启动。

C.低效率、高启动电流、高行驶电流、对控制器的高限流要求以及对电池的不良影响。

12.电机发热异常怎么修复？

答:维修方法通常是更换电机，或者进行维修。

13.当电机的空负载电流大于参考表的极限数据时，表明电机出现故障。原因是什么？怎么修复？

答:电机内部机械摩擦大；线圈局部短路；磁钢退磁；直流电机逆变器中的积碳。维修方法一般是更换电机，或者更换碳刷清理积碳。

14.各种电机的最大无故障极限空负载电流是多少？

当电机额定电压为24V，额定电压为36V时，

侧挂电机2.2A 1.8A

高速有刷电机1.7A 1.0A

低速有刷电机1.0A 0.6A

高速无刷电机1.7A 0.6A

低速无刷电机1.0A 0.6A