電機至少占美國能源消耗的一半。為應用選擇正確的控制方法可使電機最有效地運行，同時最大化扭矩和整體性能。高效運行的電機也可以減少能源消耗，減少停機時間，從而節(jié)省更多成本。

對于由變頻器（VFD）控制的電機，大部分使用的控制方法決定了電機在應用中的效率和性能。一旦工程師和設計人員了解每種控制方法的優(yōu)點，缺點和特定規(guī)格，為任何應用選擇合適的控制方法都變得簡單。

變頻技術是應交流電機無級調(diào)速的需要而誕生的。20世紀60年代以后，電力電子器件經(jīng)歷了SCR（晶閘管）、GTO（門極可關斷晶閘管）、BJT（雙極型功率晶體管）、MOSFET（金屬氧化物場效應管）、SIT（靜電感應晶體管）、SITH（靜電感應晶閘管）、MGT（MOS控制晶體管）、MCT（MOS控制晶閘管）、IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）、HVIGBT（耐高壓絕緣柵雙極型晶閘管）的發(fā)展過程，器件的更新促進了電力電子變換技術的不斷發(fā)展。20世紀70年代開始，脈寬調(diào)制變壓變頻（PWM－VVVF）調(diào)速研究引起了人們的高度重視。20世紀80年代，作為變頻技術核心的PWM模式優(yōu)化問題吸引著人們的濃厚興趣，并得出諸多優(yōu)化模式，其中以鞍形波PWM模式效果最佳。20世紀80年代后半期開始，美、日、德、英等發(fā)達國家的VVVF變頻器已投入市場并獲得了廣泛應用。?

變頻器控制方式的合理選用?

控制方式是決定變頻器使用性能的關鍵所在。目前市場上低壓通用變頻器品牌很多，包括歐、美、日及國產(chǎn)的共約50多種。選用變頻器時不要認為檔次越高越好，而要按負載的特性，以滿足使用要求為準，以便做到量才使用、經(jīng)濟實惠。

如何為變頻器選擇合適的控制方法

控制方法

業(yè)內(nèi)許多人認為控制方法是控制VFD的排序方法，如2線和3線設置。這種2線和3線設置確定VFD的輸入控制端子是否與保持的觸點或瞬時按鈕接口以啟動和停止驅動器。本文所關注的控制方法可能更準確地稱為運動控制方法。他們確定VFD如何控制電機。

連接到VFD的感應電動機有四種主要類型的電動機控制方法：V / f（伏特/赫茲），帶編碼器的V / f，開環(huán)矢量和閉環(huán)矢量。這些方法都使用脈沖寬度調(diào)制（PWM），這種技術通過調(diào)制脈沖持續(xù)時間來改變固定信號的寬度，以產(chǎn)生可變模擬信號。

通過使用VFD直流母線電容器的固定直流電壓，將PWM應用于VFD。輸出側的一組絕緣柵雙極晶體管（IGBT）快速打開和關閉以產(chǎn)生脈沖。改變輸出電壓波形中的輸出脈沖寬度可以構建模擬的AC正弦波。即使驅動器的輸出電壓波形由DC脈沖引起的方波組成，電流波形也是正弦波，因為電機是電感式的。所有電機控制方法都依靠PWM電壓波形來控制電機?？刂品椒ㄖg的區(qū)別在于它們?nèi)绾卧谌魏谓o定時刻計算電機的電壓需求。

通常使用脈沖寬度調(diào)制來控制AC電動機。在此過程中，載波頻率（以紅色顯示）是VFD輸出晶體管門控或調(diào)諧的速率。載波頻率通?？梢允?至15kHz。頻率參考（藍色）是發(fā)送到電機的速度信號，通常為0到60 Hz。當覆蓋兩個波形時，工程師可以使用這兩條曲線之間的交點來調(diào)制輸出直流脈沖（黑色），以提供所需的速度控制。

V / f控制

不同的V / f模式使VFD可以控制多個不同的應用，同時保持每個應用的最佳性能。恒定扭矩模式是直線，這導致恒定的V / f比，在整個速度范圍內(nèi)提供恒定的電動機扭矩?？勺冝D矩模式在較低速度下具有較低的電壓以防止電動機飽和。

伏特/赫茲，通常稱為V / f，是最簡單的電機控制方法。它經(jīng)常被使用，因為它具有“即插即用”的簡單性以及驅動器所需的電機數(shù)據(jù)量。它不需要編碼器，也不需要將VFD調(diào)諧到電機（但推薦）。這意味著更低的成本和更少的布線。V / f控制通常在需要運行時使用，可能超過1，000 Hz，因此通常用于機床和主軸應用。

V / f是唯一允許多個電機從單個VFD運行的控制方法。在這種情況下，所有電機同時啟動和停止，并遵循相同的速度參考。

V / f有一些限制。例如，使用V / f時，無法保證電機軸正在旋轉。此外，電機的啟動轉矩限制在3 Hz輸出的150％。對于大多數(shù)可變扭矩應用而言，有限的啟動扭矩綽綽有余。事實上，現(xiàn)場幾乎所有可變扭矩風扇和泵應用都使用V / f控制。

V / f方法的相對簡單性部分歸因于其“更寬松”的規(guī)范。速度調(diào)節(jié)通常為最大頻率的2％至3％。速度響應額定值為3 Hz。速度響應定義為VFD響應參考頻率變化的程度。當參考頻率改變時，速度響應的增加導致更快的電動機響應。

控制方法還具有速度控制范圍（表示為比率）。V / f的速度控制范圍是1:40。將此比率乘以最大頻率可確定VFD控制電機的最小運行速度。例如，使用60 Hz最大頻率和1:40速度控制范圍，使用V / f控制的驅動器可以將電機控制在1.5 Hz。

AV / f模式定義了電機的電壓與頻率之比，VFD一次只能編程一個V / f模式。V / f模式或曲線根據(jù)給定的速度參考（頻率）確定輸出到電機的電壓。

操作員或技術人員可以使用單個參數(shù)在VFD編程中選擇預設的V / f模式。預設模式針對特定應用進行了優(yōu)化。用戶可以更進一步，編程自定義V / f模式或配置文件，以將VFD調(diào)諧到特定應用和正在使用的電機。

風扇和泵等應用是可變扭矩負載。可變扭矩V / f模式可防止故障并提高性能和效率。該模式通過降低較低頻率的電動機電壓來降低低頻時的磁化電流。

同樣，恒轉矩應用，如輸送機，擠出機和提升機，應使用恒轉矩V / f模式。恒轉矩應用在所有速度下都需要全磁化電流。因此，在整個速度范圍內(nèi)構建并遵循直線斜坡。

通常，VFD將根據(jù)電機設置的任何速度輸出電壓，同時參考V / f模式。

帶編碼器的V / f

如果應用需要更精確的速度調(diào)節(jié)，并且能夠以更高的參考頻率運行，則可以將編碼器添加到V / f控制。編碼器反饋將速度調(diào)節(jié)降至最大頻率的0.03％。輸出電壓仍由技術人員在VFD中編程的所選V / f模式?jīng)Q定。這允許高速控制而沒有高動態(tài)響應，因為電壓和頻率是預定的。

這種控制方法并不常見，因為它需要編碼器和反饋卡的成本，并且其優(yōu)于標準V / f控制的優(yōu)點是最小的。啟動轉矩，速度響應和速度控制范圍都與V / f控制相同。此外，較高的工作頻率受編碼器產(chǎn)生的每轉脈沖數(shù)的限制。

開環(huán)矢量控制

開環(huán)矢量（OLV）控制用于更大和更動態(tài)的電機控制。它獨立控制電機速度和扭矩，就像控制直流電機一樣。

根據(jù)電機方向（正向或反向）以及電機是電動還是再生，轉矩極限可分為四個象限。例如，瓶蓋將需要為象限1設置扭矩限制。或者，展開應用將需要正向電動機旋轉來供給線，但是由于線被拉動以產(chǎn)生張力而由于再生而產(chǎn)生負扭矩極限。因此扭矩限制將在象限4中設定。

運行OLV時，電機可以0.3 Hz的頻率產(chǎn)生200％的額定扭矩。較低速度下較高的啟動扭矩為各種應用打開了大門。該控制方法還允許四象限扭矩限制。

扭矩限制主要限制電機扭矩，以防止損壞設備，機器或產(chǎn)品。它們分為四個不同的象限，取決于電機方向（正向或反向），以及電機是電動還是再生。可以為每個象限單獨設置限制，或者用戶可以將整體扭矩限制編程到VFD中。

電動機狀態(tài)是指電動機的速度和轉矩都在同一方向。例如，前進速度和前進扭矩將使輸送機向前運動。再生是指負載對電機進行大修。在AC電動機上，當轉子比定子中的磁場旋轉得更快時，它起到發(fā)電機的作用。這導致再生能量流回VFD。

例如，瓶蓋可以使用象限1中的扭矩限制（正向旋轉和正向扭矩）以防止瓶蓋過度扭矩。它向前移動并使用正扭矩將蓋子放在瓶子上。涉及具有比空車重的配重的電梯的應用在象限2中具有限制（反向電動機旋轉和正扭矩）。如果將空車調(diào)到較高樓層，則扭矩與速度方向相反，以保持對配重的控制以及電梯在重力作用下的速度和位置。

從木塊中取出螺釘?shù)臋C器鉆（反向電機方向和負扭矩）可以使用象限3中的限制。退繞應用可以使用象限4限制（正向電機旋轉和負扭矩）。電動機將旋轉電動機旋轉以供給線路，但是由于線路被拉動以產(chǎn)生張力而導致再生，因此還需要負的扭矩限制。

矢量控制通過將轉矩產(chǎn)生電流（Iq）和磁化電流（Id）保持在90°來最大化每轉矩。I1表示總電動機電流（Iq + Id）。如果¨》 90°，那么sin¨》 1; 如果¨《90°，那么罪¨》 1; 但如果¨= 90°，則sin¨= 1且扭矩達到最大值。VFD試圖將¨保持在90°以模擬直流電機。在直流電機中，電刷與換向器機械定位成90°，以不斷產(chǎn)生最大扭矩。

這些VFD中的電流反饋回路允許用戶設置扭矩限制并在所有四個象限中運行。隨著電動機電流的增加，電動機轉矩也隨之增 如果應用需要更大的扭矩，則可以增加輸入到電機的輸出電壓;當達到扭矩限制時，可以減小輸出電壓。與V / f控制不同，這使得開環(huán)控制動態(tài)化。

除扭矩限制外，開環(huán)控制還具有10 Hz的更快速度響應，使其能夠處理對沖擊負載的更多動態(tài)響應。例如，巖石破碎機的負荷會不斷變化，這取決于正在處理的巖石的大小和數(shù)量。

OLV控制使用矢量算法來找到運行電機的最佳輸出電壓，而不是固定的V / f模式。矢量控制通過使用來自電機的電流反饋來實現(xiàn)此目的。通過VFD內(nèi)部的電流互感器測量電流反饋。在VFD中執(zhí)行的恒定電流讀數(shù)和快速計算確定當前的扭矩需求和通量。基本矢量數(shù)學將電機的磁化電流和產(chǎn)生轉矩的電流分解為矢量。OLV控制在很大程度上取決于電機動態(tài)，因此必須執(zhí)行某種類型的電機自整定，以確保VFD具有盡可能多的電機數(shù)據(jù)。

借助可靠的電機數(shù)據(jù)/參數(shù)，VFD可以將磁化電流（I d）和轉矩產(chǎn)生電流（I q）計算為矢量。為了獲得最大效率和扭矩，VFD必須將這兩個矢量分開90°。90°是重要的，因為sin（90）= 1，值1表示最大電動機扭矩。

整體OLV控制導致更嚴格的控制。速度調(diào)節(jié)是最大頻率的+/- 0.2％，速度控制范圍跳至1：200，允許低速運行而不會犧牲扭矩。

閉環(huán)矢量控制

閉環(huán)矢量控制使用矢量算法來確定輸出電壓，非常類似于開環(huán)控制。關鍵的區(qū)別在于閉環(huán)矢量使用編碼器。編碼器反饋與矢量控制配合使用，意味著在0 rpm時可獲得200％的電機額定轉矩。這是需要在不移動的情況下保持負載的應用程序的賣點，例如電梯，起重機和升降機。

編碼器反饋允許速度響應超過50 Hz，速度控制范圍為1：1500，是所有控制方法中最高的。閉環(huán)控制還可以在轉矩控制模式下運行電機。轉矩控制使VFD控制電機轉矩而不是電機轉速。在扭矩比速度更重要的任何應用中都需要這樣做。卷繞機，復卷機，封蓋機和卷筒紙應用程序是使用扭矩控制的好例子。