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摘 要：本文分析了变频调速技术的控制方式原理，重点介绍了变频器控制风机、水泵的节能运行，首先分析风机、水泵的负载特性讲述其节能原理和运行方式，然后通过详细实例来分析变频器在恒压供水的应用方案极其产生的效益，特别是其显著的节能效果。
关键词：磁通量；矢量控制；PID
一、研究背景和目的
随着现代电力电子技术和控制技术的发展，变频调速技术已成为现实工业自动化的主要手段之一，在各种生产机械和生产线中得到了非常广泛的应用。三相异步电动机运行性能好，结构简单、运行可靠、重量轻、价格便宜，得到了广泛的应用，但其主要缺点是调速困难，所以变频器调速技术的发展使得三相异步电动机在电气传动界广泛应用。变频器是运动控制系统中的功率变换器。总的发展趋势是驱动的交流化，功率变换器的高频化，控制的数字化、智能化和网络化。[1]为此，掌握变频调速技术特性是将变频技术应用到工程实践中的理论基础，同时也是保证构成的变频调速系统具有高性能比、最佳的性能指标的技术基础。
二、变频器对异步电动机的V/F控制
1.V/f原理：
三相异步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極数是固定不变的。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，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变频器，是做为电机调速设备的优选设备。变频器运转时可调范围内输出电压和输出频率之比为固定不变的控制方式为V/F控制方式。
2.V/F控制方式的应用
一般情况下，感应电机三额定当中，220V(380V)50Hz 时为最大磁通。若超过此磁通量运转，很多场合励磁电流增加，使得电机过热而不能运转。避免弱磁和磁饱和现象的产生。V与f的比例关系是考虑了电机特性而预先决定的。那么V/F控制时，频率下降时完全成比例地降低电压，那么由于交流阻抗变小而直流电阻不变，将造成在低速下产生地转矩有减小的倾向。因此，在低频时给定V/f要使输出电压提高一些以便获得一定地起动转矩这种补偿称增强起动。适当提高U/f比，使KU＞Kf，从而使转矩得到补偿，提高电动机在低速时的带负载能力。如图中之曲线②所示(曲线①是KU＝Kf的U/f线)。[2]
三、变频器对异步电动机的矢量控制
1.变频器的矢量控制原理
电机电流包含电机产生的转矩分量和其它分量（如励磁分量）。对于调节频率的给定信号，分解成磁场电流i*M和转矩电流i*T，并且假想地看作是两个旋转着的直流磁场的信号。当给定信号改变时，也和直流电动机一样，只改变其中一个信号，从而使异步电动机的调速控制具有和直流电动机类似的特点，从而得到与直流电动机类似的硬机械特性。
2.矢量控制的分类及优点
矢量控制分为频率控制和转速控制，频率控制相当于是不带编码器的矢量控制，而转速控制是带编码器的矢量控制。频率控制：根据测量到的电流、电压和磁通等数据，计算出当前的转速，并进行必要的修正，从而在不同频率下运行时，得到较硬机械特性的控制模式。由于计算量较大，故动态响应能力比转速控制稍差。转速控制：在电动机输出轴上增加转速反馈环节。由于转速大小直接由速度传感器测量得到，既准确、又迅速。与频率控制相比，具有机械特性更硬、频率调节范围更大、动态响应能力强等优点。
3.矢量控制的应用
河北钢铁集团承德钢铁公司150吨炼钢厂的转炉倾动和氧枪设备就是采用西门子的6SE70系列变频器进行矢量控制，从而达到生产的要求。转炉倾动系统是4台变频器各控制一台132KW电机实行一主三从的同步控制。可以任意选择一台为主电机，主电机给从电机发出转矩控制量。150吨炼钢厂刚投产时转炉倾动系统使用的是无PG的矢量控制，发现转炉在旋转时有“磕头”现象，一是给定输出精度低，动态响应差。二是制动抱闸的时间不配备。经过改进把P100=4有PG的矢量控制，P130=12有测速码盘回馈，再经过PI微调满足了快节奏的生产需要。氧枪系统正常运行时也是用有PG的矢量控制，但如果测速码盘有故障的话可以迅速切换到无PG的矢量控制方式。实际是切换变频器参数组的方法实现其功能：BDS数据组切换是通过P590（控制字2第30位）FDS数据组切换是通过P567和P577（控制字2第16,17位）MDS数据组切换是通过P578和P579（控制字2第18,19位）。
四、变频控制风机、水泵的节能运行
1.风机、水泵的负载特性：
电力拖动系统的稳定工作情况，取决于电动机和负载的机械特性。常见的负载有恒转矩负载、恒功率负载、二次方根负载以及负负载、冲击负载等等。不同的负载，不同的工作方式，变频器带负载的能力是不同的,变频器最典型的应用就是节能运行，其中以风机、水泵类机械的转速控制为中心，实践表明节能可达70％以上。
2.节能原理和运行分析
风机、水泵的最大特点是轴功率与转速的立方成正比，因此，将过去的电动机以定速运转，用挡板阀门调节风水量的方法，改用根据所需的风水量调节转速就可以获得节能效果。例如电动机以定速运转，调节风机风量的典型方法是采用挡板控制，挡板是一个圆板状盖子，与圆筒状的风道轴方向成直角安装，改变其开度则风阻变化，从而调节风量。当出口挡板控制时，当挡板关则增加风阻，因而不能广泛调节风量。与挡板控制相比，转速控制的节电效果非常明显。
采用U/F控制方式的变频器在输出某一频率，负载一定时，存在着一个最佳工作点。负载变化时，最佳工作点也转移。针对这一特点，大部分变频器设置了节能运行的功能。选择此功能，变频器能够自动搜索最佳工作点，使电动机总是在最佳工作点上运行，从而实现节能的目的。[3]
3.节能运行实例
变频器的节能运行是从泵、风机等大容量机械开始的，而且不断推广目前，家用空调压缩机也已采用该技术。 （1）在泵类机械中的应用
由于使用泵的目的不同，所以對泵的控制方式也不一样，主要有流量控制、压力控制、水平控制等。流量控制和压力控制的主要应用是自来水、工业用水等取水导入泵，各种工艺过程用泵。水平控制主要是给水和配水的应用。
恒压供水系统对于某些工业或特殊用户是非常重要的。用变频器调速来实现恒压供水与调节阀门来实现恒压供水相比较节能效果十分显著。变频器恒压供水简易控制系统应用某小区高层楼宇供水管网中，系统利用变频器内部的PID功能实现了工业过程的闭环控制。系统通过安装在出水总管上的压力传感器，实时将压力信号转换为4-20MA，并输入至变频器反馈端子上，由变频器将其用户设定的压力值（一般为0.4Mpa）进行比较，并通过变频器内置PID运算将结果转换为频率信号调整水泵电机的电源频率，从而控制水泵转速，使总管网压力稳定在0.4Mpa左右。由1台变频器控制3台水泵，正常时一号水泵工作。当一号水泵工作在最高频率上限时，而管网压力小于0.35mpa达s时，表明一号水泵不能满足用户所需的水量。这时系统发出指令，一号水泵转入工频运行，变频器控制二号水泵软起动，使二号水泵进入变频运行状态。同理，需要水量较大时一号、二号水泵在工频运行，变频器软起动三号水泵，进行PID调节以保证供水系统所需的供水压力。当用水量减少时，总管网压力升高到0.45mpa，变频器内部PID控制器输出频率降低，三号泵的转速逐渐降至20HZ达20s，系统发出推出一号泵运行指令，同理，用水量继续减少时，供水系统推出二号泵的运行指令。当深夜基本不用水时，管网压力恒定在0.45mpa，变频器频率降至20HZ达1分钟，变频器可停止工作，进入低水量睡眠状态。这对降低噪声和节能都具有非常大的作用。其优点是：起动平稳，起动电流可限制在额定电流以内，从而避免了起动时对电网的冲击；由于泵的平均转速降低了，从而可延长泵和阀门等的使用寿命，消除水锤效应。
（2）在风扇、鼓风机等送风机中的应用
送风机从工作原理上可分为涡轮式和容积式，与泵相同，其轴功率与转速的立方成正比，但它不像泵类机械那样，因扬程高低而产生损耗。在这类调速系统中，只要改变变频器的运行模式，即可节约大量功率。其模式主要有：连续低风量型，全风量变化型，低风量变化型，间接运转型。实际表明，不同的电动机容量采用变频器控制时每年节约电量是不同的。例如1.5KW风机，连续低风量型是1707KWH，全风量变化型320KWH，低风量变化型627KWH，间接运转型212KWH。
五、结束语
变频调速控制系统的应用范围很广，如轧钢机、卷扬机、风机水泵等，不同的控制对象有其具体的控制要求。为了达到目的，对于动态、静态指标要求较高的系统，在变频调速时要求利用速度反馈、电流反馈、张力反馈、位置反馈等，通过反馈组成一个控制策略优良的自调系统来改善系统的性能。对于动态、静态指标要求不高的生产工艺系统，在变频调速控制系统中也有电流反馈、位置反馈等。但是这些反馈都是开关量的，因此这些开关量通常用于变频调速控制系统的保护。现代异步电动机的传动控制已不再局限于单一的调速控制要求，而更多的要求控制装置系统化、网络化，以获得更多的动态和静态性能。
参考文献：
[1]电力拖动自动控制系统——运动控制系统/陈伯时.北京：机械工业出版社，2003.
[2]变频器应用与维护技术/刘美俊编著.北京：中国电力出版社，2008.
[3]变频器使用与维护技术问答/周支敏 周继海 纪爱华编著.北京：中国电力出版社，2008.
关键词：磁通量；矢量控制；PID
一、研究背景和目的
随着现代电力电子技术和控制技术的发展，变频调速技术已成为现实工业自动化的主要手段之一，在各种生产机械和生产线中得到了非常广泛的应用。三相异步电动机运行性能好，结构简单、运行可靠、重量轻、价格便宜，得到了广泛的应用，但其主要缺点是调速困难，所以变频器调速技术的发展使得三相异步电动机在电气传动界广泛应用。变频器是运动控制系统中的功率变换器。总的发展趋势是驱动的交流化，功率变换器的高频化，控制的数字化、智能化和网络化。[1]为此，掌握变频调速技术特性是将变频技术应用到工程实践中的理论基础，同时也是保证构成的变频调速系统具有高性能比、最佳的性能指标的技术基础。
二、变频器对异步电动机的V/F控制
1.V/f原理：
三相异步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極数是固定不变的。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，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变频器，是做为电机调速设备的优选设备。变频器运转时可调范围内输出电压和输出频率之比为固定不变的控制方式为V/F控制方式。
2.V/F控制方式的应用
一般情况下，感应电机三额定当中，220V(380V)50Hz 时为最大磁通。若超过此磁通量运转，很多场合励磁电流增加，使得电机过热而不能运转。避免弱磁和磁饱和现象的产生。V与f的比例关系是考虑了电机特性而预先决定的。那么V/F控制时，频率下降时完全成比例地降低电压，那么由于交流阻抗变小而直流电阻不变，将造成在低速下产生地转矩有减小的倾向。因此，在低频时给定V/f要使输出电压提高一些以便获得一定地起动转矩这种补偿称增强起动。适当提高U/f比，使KU＞Kf，从而使转矩得到补偿，提高电动机在低速时的带负载能力。如图中之曲线②所示(曲线①是KU＝Kf的U/f线)。[2]
三、变频器对异步电动机的矢量控制
1.变频器的矢量控制原理
电机电流包含电机产生的转矩分量和其它分量（如励磁分量）。对于调节频率的给定信号，分解成磁场电流i*M和转矩电流i*T，并且假想地看作是两个旋转着的直流磁场的信号。当给定信号改变时，也和直流电动机一样，只改变其中一个信号，从而使异步电动机的调速控制具有和直流电动机类似的特点，从而得到与直流电动机类似的硬机械特性。
2.矢量控制的分类及优点
矢量控制分为频率控制和转速控制，频率控制相当于是不带编码器的矢量控制，而转速控制是带编码器的矢量控制。频率控制：根据测量到的电流、电压和磁通等数据，计算出当前的转速，并进行必要的修正，从而在不同频率下运行时，得到较硬机械特性的控制模式。由于计算量较大，故动态响应能力比转速控制稍差。转速控制：在电动机输出轴上增加转速反馈环节。由于转速大小直接由速度传感器测量得到，既准确、又迅速。与频率控制相比，具有机械特性更硬、频率调节范围更大、动态响应能力强等优点。
3.矢量控制的应用
河北钢铁集团承德钢铁公司150吨炼钢厂的转炉倾动和氧枪设备就是采用西门子的6SE70系列变频器进行矢量控制，从而达到生产的要求。转炉倾动系统是4台变频器各控制一台132KW电机实行一主三从的同步控制。可以任意选择一台为主电机，主电机给从电机发出转矩控制量。150吨炼钢厂刚投产时转炉倾动系统使用的是无PG的矢量控制，发现转炉在旋转时有“磕头”现象，一是给定输出精度低，动态响应差。二是制动抱闸的时间不配备。经过改进把P100=4有PG的矢量控制，P130=12有测速码盘回馈，再经过PI微调满足了快节奏的生产需要。氧枪系统正常运行时也是用有PG的矢量控制，但如果测速码盘有故障的话可以迅速切换到无PG的矢量控制方式。实际是切换变频器参数组的方法实现其功能：BDS数据组切换是通过P590（控制字2第30位）FDS数据组切换是通过P567和P577（控制字2第16,17位）MDS数据组切换是通过P578和P579（控制字2第18,19位）。
四、变频控制风机、水泵的节能运行
1.风机、水泵的负载特性：
电力拖动系统的稳定工作情况，取决于电动机和负载的机械特性。常见的负载有恒转矩负载、恒功率负载、二次方根负载以及负负载、冲击负载等等。不同的负载，不同的工作方式，变频器带负载的能力是不同的,变频器最典型的应用就是节能运行，其中以风机、水泵类机械的转速控制为中心，实践表明节能可达70％以上。
2.节能原理和运行分析
风机、水泵的最大特点是轴功率与转速的立方成正比，因此，将过去的电动机以定速运转，用挡板阀门调节风水量的方法，改用根据所需的风水量调节转速就可以获得节能效果。例如电动机以定速运转，调节风机风量的典型方法是采用挡板控制，挡板是一个圆板状盖子，与圆筒状的风道轴方向成直角安装，改变其开度则风阻变化，从而调节风量。当出口挡板控制时，当挡板关则增加风阻，因而不能广泛调节风量。与挡板控制相比，转速控制的节电效果非常明显。
采用U/F控制方式的变频器在输出某一频率，负载一定时，存在着一个最佳工作点。负载变化时，最佳工作点也转移。针对这一特点，大部分变频器设置了节能运行的功能。选择此功能，变频器能够自动搜索最佳工作点，使电动机总是在最佳工作点上运行，从而实现节能的目的。[3]
3.节能运行实例
变频器的节能运行是从泵、风机等大容量机械开始的，而且不断推广目前，家用空调压缩机也已采用该技术。 （1）在泵类机械中的应用
由于使用泵的目的不同，所以對泵的控制方式也不一样，主要有流量控制、压力控制、水平控制等。流量控制和压力控制的主要应用是自来水、工业用水等取水导入泵，各种工艺过程用泵。水平控制主要是给水和配水的应用。
恒压供水系统对于某些工业或特殊用户是非常重要的。用变频器调速来实现恒压供水与调节阀门来实现恒压供水相比较节能效果十分显著。变频器恒压供水简易控制系统应用某小区高层楼宇供水管网中，系统利用变频器内部的PID功能实现了工业过程的闭环控制。系统通过安装在出水总管上的压力传感器，实时将压力信号转换为4-20MA，并输入至变频器反馈端子上，由变频器将其用户设定的压力值（一般为0.4Mpa）进行比较，并通过变频器内置PID运算将结果转换为频率信号调整水泵电机的电源频率，从而控制水泵转速，使总管网压力稳定在0.4Mpa左右。由1台变频器控制3台水泵，正常时一号水泵工作。当一号水泵工作在最高频率上限时，而管网压力小于0.35mpa达s时，表明一号水泵不能满足用户所需的水量。这时系统发出指令，一号水泵转入工频运行，变频器控制二号水泵软起动，使二号水泵进入变频运行状态。同理，需要水量较大时一号、二号水泵在工频运行，变频器软起动三号水泵，进行PID调节以保证供水系统所需的供水压力。当用水量减少时，总管网压力升高到0.45mpa，变频器内部PID控制器输出频率降低，三号泵的转速逐渐降至20HZ达20s，系统发出推出一号泵运行指令，同理，用水量继续减少时，供水系统推出二号泵的运行指令。当深夜基本不用水时，管网压力恒定在0.45mpa，变频器频率降至20HZ达1分钟，变频器可停止工作，进入低水量睡眠状态。这对降低噪声和节能都具有非常大的作用。其优点是：起动平稳，起动电流可限制在额定电流以内，从而避免了起动时对电网的冲击；由于泵的平均转速降低了，从而可延长泵和阀门等的使用寿命，消除水锤效应。
（2）在风扇、鼓风机等送风机中的应用
送风机从工作原理上可分为涡轮式和容积式，与泵相同，其轴功率与转速的立方成正比，但它不像泵类机械那样，因扬程高低而产生损耗。在这类调速系统中，只要改变变频器的运行模式，即可节约大量功率。其模式主要有：连续低风量型，全风量变化型，低风量变化型，间接运转型。实际表明，不同的电动机容量采用变频器控制时每年节约电量是不同的。例如1.5KW风机，连续低风量型是1707KWH，全风量变化型320KWH，低风量变化型627KWH，间接运转型212KWH。
五、结束语
变频调速控制系统的应用范围很广，如轧钢机、卷扬机、风机水泵等，不同的控制对象有其具体的控制要求。为了达到目的，对于动态、静态指标要求较高的系统，在变频调速时要求利用速度反馈、电流反馈、张力反馈、位置反馈等，通过反馈组成一个控制策略优良的自调系统来改善系统的性能。对于动态、静态指标要求不高的生产工艺系统，在变频调速控制系统中也有电流反馈、位置反馈等。但是这些反馈都是开关量的，因此这些开关量通常用于变频调速控制系统的保护。现代异步电动机的传动控制已不再局限于单一的调速控制要求，而更多的要求控制装置系统化、网络化，以获得更多的动态和静态性能。
参考文献：
[1]电力拖动自动控制系统——运动控制系统/陈伯时.北京：机械工业出版社，2003.
[2]变频器应用与维护技术/刘美俊编著.北京：中国电力出版社，2008.
[3]变频器使用与维护技术问答/周支敏 周继海 纪爱华编著.北京：中国电力出版社，2008.