变频器卖点 变频器的作用与原理

电机在美国的能源消耗中占据了重要的一半，其高效的运行方式不仅有助于提高性能，也能有效降低能耗与停机时间，从而节省成本。选择合适的控制方法至关重要，能使电机发挥最大扭矩和整体效能。

控制方式的选择

在行业内，许多人认为控制方法主要是针对变频驱动器（VFD）如何与输入信号相连，比如2线或3线的设置。这种设置决定了VFD的输入端子是通过保持触点还是瞬时按钮来启动和停止驱动器。本文将更专注于运动控制方法，它们界定了VFD是如何调控电机的。

与VFD连接的感应电动机可以采用四种主要的控制方法：V/f（伏特/赫兹）、带编码器的V/f、开环矢量控制以及闭环矢量控制。这些方法都利用脉冲宽度调制（PWM）技术，通过调节脉冲的宽度来产生变化的模拟信号。

在VFD中，PWM是通过固定的直流电压和母线电容器来实现的。输出侧的一组绝缘栅双极晶体管（IGBT）快速开合，形成脉冲。通过改变电压波形中的脉冲宽度，能够构造出模拟的交流正弦波。尽管驱动器的输出波形通常是由直流脉冲构成的方波，但由于电机的电感特性，其电流波形依然呈正弦形状。所有电机控制方法均依赖于PWM电压波形来控制电机，而不同方法之间的区别在于它们如何计算电机的电压需求。

通常，脉冲宽度调制用于控制交流电动机。载波频率（以红色显示）是VFD输出晶体管的调制速率，一般范围在2至15kHz之间。而频率参考（蓝色）则是发送给电机的速度信号，通常在0到60Hz之间。当这两种波形叠加时，工程师能够通过交点调节输出直流脉冲（黑色），以实现所需的速度控制。

V/f控制

V/f控制模式允许VFD控制多种应用，确保每种应用的最佳性能。恒定扭矩模式以直线形式运行，在整个速度范围内保持不变的V/f比，确保恒定的电机扭矩。而可变转矩模式在较低速度下采用较低电压，以避免电机饱和。

被广泛应用的V/f控制因其简单易用而受到青睐。它不需要复杂的编码器或调试过程，虽不完全依赖电机参数，但推荐调试。此方法降低了成本，减少了布线复杂度，尤其适用于超过1,000Hz的机床和主轴应用。

V/f控制也存在一些局限。例如，它不能确保电机轴始终旋转，且启动扭矩在3Hz时限制为150%。对于大多数可变扭矩应用而言，这样的启动扭矩已经足够。事实上，大部分的可变扭矩风扇和泵应用均使用V/f控制。

V/f方法的简易性部分归因于其“宽松”的标准。速度调节通常在最大频率的2%至3%范围内，而速度响应额定值为3Hz。速度响应描述了VFD对参考频率变化的响应能力。当频率变化时，速度响应越快，电机的响应也会更迅速。

控制方法的速度范围表示为比率，V/f的速度控制范围为1:40。将此比率与最大频率相乘，可以确定VFD控制电机的最小运行速度。例如，若最大频率为60Hz，则V/f控制的驱动器可将电机控制至1.5Hz。

AV/f模式定义了电机的电压与频率之比，VFD每次只能编程一个V/f模式。此模式或曲线依照给定的速度参考（频率）来决定输出到电机的电压。

操作员或技术人员可以通过单一参数在VFD编程中选择预设的V/f模式，这些模式针对特定应用进行了优化。用户也可进一步编程自定义的V/f模式，以便于VFD与特定应用和电机相匹配。

对于需要全磁化电流的恒转矩应用，如输送机、挤出机及提升机，应选择恒转矩V/f模式。该模式在整个速度范围内提供线性的斜坡，以确保电机持续运作。

带编码器的V/f

若应用需要更高精度的速度调节，并能在较高频率下运行，则可以在V/f控制中添加编码器。编码器反馈将速度调节的精度提升至最大频率的0.03%。输出电压依然由VFD中编程的V/f模式所决定。这种方法使高速控制成为可能，但未必能提供高动态响应。

由于带编码器的控制方式需要额外的成本，包括编码器和反馈卡，因此其优点相较于标准V/f控制并不明显。启动转矩、速度响应和速度控制范围均与V/f控制保持一致，且高工作频率受编码器每转脉冲数的限制。

开环矢量控制

开环矢量控制用于更复杂的电机控制，能够独立控制电机的速度和扭矩，类似于直流电机的控制方式。

根据电机的运行方向（正向或反向），以及电机是电动还是再生，可以将扭矩限制划分为四个象限。例如，瓶盖应用需在象限1设置扭矩限制，而展开应用则可能因负载变化需在象限4中进行调节。不同应用对扭矩限制的需求差异显著。

在运行OLV时，电机能在0.3Hz的频率下产生200%的额定扭矩，这为各种应用带来了更大的可能性。这种控制方式也支持四象限的扭矩限制，有效防止设备损坏。

电动机状态指电动机的速度和扭矩均朝同一方向，例如前进速度与前进扭矩共同推动输送机。再生状态则是负载对电机的反向驱动，当转子速度超过定子中的磁场时，电机会成为发电机，产生再生能量流回VFD。

例如，瓶盖的应用在象限1中使用正向扭矩限制，以确保瓶盖能顺利安装；而涉及电梯的应用在象限2中则设置反向电机旋转与正扭矩的组合，以维持配重的控制。木块中取出螺钉的机器则可在象限3使用反向扭矩限制，而退绕应用则适用象限4的限制，确保电机在拉动负载的同时能保持稳定的输出。

通过将转矩产生电流（Iq）和磁化电流（Id）保持在90°的开环矢量控制，可以最大化扭矩输出。VFD通过内部的电流反馈回路来允许用户设置扭矩限制，确保电机在四个象限中稳定运行。当电机负载变化时，VFD会相应调整输出电压以保持所需的扭矩。

开环控制的速度响应可达到10Hz，能处理更动态的负载，适用于岩石破碎机等高变动负载的应用场景。

矢量控制通过电流反馈来确定最佳输出电压，借助于VFD内部的电流互感器进行实时监测，从而确保电机在高效状态下运行。

闭环矢量控制

闭环矢量控制与开环控制相似，但其引入了编码器反馈。此反馈方式允许在0rpm时实现200%的电机额定转矩，特别适用于需要在负载不动时保持控制的场合，如电梯与