任务二、变频器调速系统

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变频调速电机控制电力电子工程实践

变频器调速系统

搞懂整流-逆变-PWM全链路，调速边界与工程取舍

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变频调速电机控制电力电子工程实践

变频器调速系统

搞懂整流-逆变-PWM全链路，调速边界与工程取舍

1第 1 页 · 变频器调速系统

电动机调速基本原理

上一页我们看到变频器能让电梯平稳变速——那问题来了：电动机的转速到底由什么决定？变频器动了哪根弦？

转速公式
n = 60f / p，n 是转速，f 是频率，p 是磁极对数
f：电源频率
国内工频 50Hz，变频器改的就是它
p：磁极对数
电机结构决定，一般 1~4 对，改它要重绕线圈
三条调速路径
改 f、改 p、改转差率 s；变频调速走第一条
骑自行车对应 →电动机调速

蹬踏频率≈f、换挡≈p、链条打滑≈s——变频对应最丝滑的「控蹬速」

n=60fpn = \dfrac{60f}{p}
2第 2 页 · 电动机调速基本原理

变频调速的核心优势

上一页我们看到，改变电源频率就能连续改变电机转速。但市面调速方式不止一种——变频调速凭什么脱颖而出？关键就在三个字：宽、准、省。

调速范围宽
频率可从几 Hz 调到上百 Hz，调速比可达 1:100 甚至更高
调速精度高
转速稳态误差可控制在 0.5% 以内，转速波动极小
运行效率高
低速时仍保持较高功率因数，电机不发热浪费
软启软停
启动电流小，机械冲击低，电机寿命延长
汽车无级变速箱对应 →变频调速

都能根据负载无级变速，不像手动挡只能踩固定几个档位（传统电机）

3第 3 页 · 变频调速的核心优势

变频调速系统组成

顺着能量流看主回路：三相电进来、整流变直流、滤波稳压、逆变再变回可变频率交流驱动电机。

图解渲染中…
b1：二极管桥，把交流整流为脉动直流c1：DC-Link母线，承载整流后的直流g1：大容量电解电容，平滑脉动为稳定直流h1：6个IGBT按PWM规律通断，是逆变核心
4第 4 页 · 变频调速系统组成

Uf控制原理

系统组成说明变频器要同时控制电动机的电压与频率。调速时若只降频率，转速会掉，励磁却会变弱；怎样让两者同步变化？请看额定频率以下的 U/f 控制。

成比例控制
额定频率以下，同时改变定子电压 U 与频率 f，使 U/f 保持近似恒定。
磁通依据
气隙磁通近似与反电动势 E 和频率 f 的比值成正比。
低频修正
很低频时定子电阻压降占比增大，应抬高电压以弥补磁通衰减。
工作边界
f≤f_N 时近似恒转矩；超过额定频率后电压受限，通常进入近似恒功率的弱磁区。
骑车上坡对应 →U/f 配合

踩踏越快，助力约同比增大；只快踩却不加大助力，就像只升频不升压，磁通会减弱。

U1/f1≈C,Φm∝E1/f1(f1≤f1N)U_1/f_1\approx C,\qquad \Phi_m\propto E_1/f_1\quad(f_1\le f_{1N})
5第 5 页 · Uf控制原理

Uf特性曲线

看频率怎么走两段：基频以下恒转矩，以上恒功率。

图解渲染中…
a2：基频即电机额定频率，如50Hza4：低频时定子IR压降大，补偿保磁通a7：电压升至额定后不再跟随f上升
6第 6 页 · Uf特性曲线

矢量控制基本思想

U/f 控制简单但粗糙——磁通和转矩会互相牵动，加减速时磁通容易漂。要想又快又稳，得学直流电机：磁通与转矩各管各的。

直流电机的天然优势
励磁回路与电枢回路天然分离，磁通和转矩可独立调节
坐标变换
通过 Clark 与 Park 变换，把三相量投影到旋转的 d-q 坐标系
d-q 解耦
d 轴电流 id 单独控制磁链，q 轴电流 iq 单独控制转矩
最终目标
让交流电机拥有直流电机般的独立可控性
开车：方向盘与油门对应 →矢量控制的励磁与转矩

方向盘定方向（励磁管磁场），油门管加速（转矩管出力）；两手分开互不干扰

$\vec{i_s} \xrightarrow{\text{Clark+Park}} i_d + j\,i_q$ $T_e \propto \psi_f \cdot i_q$
7第 7 页 · 矢量控制基本思想

Uf控制 vs 矢量控制

两种控制方式的适用场景与性能差异

Uf控制 vs 矢量控制
两种控制方式的适用场景与性能差异
8第 8 页 · Uf控制 vs 矢量控制

变频器多段速控制原理

多段速靠数字量端子的开关组合选频率，四步即可跑通整条链路。

1
预设频率
在变频器参数里存好若干档目标频率，如15、30、45、50Hz
2
指定端子
把若干DI端子（如DI1~DI3）定义为段速选择专用输入
3
组合编码
端子的ON/OFF排列成二进制码，每种码对应一档预设频率
4
外部触发
PLC或旋钮开关给出端子组合，变频器即时切换到对应频率输出
9第 9 页 · 变频器多段速控制原理

多段速接线电路图

看STF、RH、RM、RL四个端子的组合逻辑：先看STF是否启动，再看RH/RM/RL怎么组合

图解渲染中…
A：STF正转指令端子B：RH/RM/RL组合判断节点P1：对应参数Pr.4设定的频率P7：对应参数Pr.27设定的频率
10第 10 页 · 多段速接线电路图

工频变频切换的意义

多段速、矢量控制，把变频器调速讲得越来越花哨——但工厂老师傅更关心一个朴素问题：变频器坏了怎么办？停产一天的损失，往往比变频器本身贵十倍。

VFD 是单点故障
整个调速链路中，变频器故障率最高，一旦损坏电机直接停转
工频旁路作备份
通过切换开关，电机可绕过变频器直接接电网，全速运行
必须互锁防并联
变频输出与工频电源绝不能同时接入电机，否则变频器瞬间炸毁
旁路也有适用边界
大功率电机直接工频启动冲击电流大；需降压或软启动配合
汽车的备胎对应 →工频旁路

正常用变频器跑（正常轮胎），爆胎换上备胎（工频）继续开，只是不能调速了

11第 11 页 · 工频变频切换的意义

工频变频切换时序

两条供电通路切换都有严格的接触器动作顺序，错一步就可能过流跳闸。

1
变频升频同步
变频器输出升至50Hz，并自动跟踪电网相位
2
旁路合闸过渡
旁路接触器先合闸，电机被变频与工频同时供电
3
变频分闸退出
确认旁路带载后，断开变频输出接触器
4
工频分闸等待
断开工频接触器，等待电机反电动势自然衰减
5
变频软启投入
变频器从0Hz软启动，平滑升至目标频率
12第 12 页 · 工频变频切换时序

PLC控制变频器的信号接口

上一页靠继电器硬接线完成工频变频切换，那如果换成 PLC 统一指挥，PLC 与变频器之间究竟要通哪几类信号？这页拆开看三个通道。

开关量（DI/DO）
启停、正反转、多段速档位等「是/否」指令
模拟量（AO）
用电压或电流大小连续给定频率，常见 0~10V 或 4~20mA
通信（RS485/总线）
一根线打包传启停、频率、状态与参数，省接线
电视遥控器对应 →PLC与变频器信号接口

电源键→启停，音量旋钮→频率给定，方向键→正反转

13第 13 页 · PLC控制变频器的信号接口

PLC正反转程序解析

iecst

ST语言实现正反转互锁,通过Y0/Y1映射到变频器STF/STR端子

代码高亮加载中…

正反转通过NOT互锁禁止同时激活,标志位经Y0/Y1映射到变频器STF/STR端子

14第 14 页 · PLC正反转程序解析

小车自动往返工作流程

小车自动往返靠PLC、变频器与限位开关协同，分六步完成正转启停与反转回程的无缝循环。

1
正转低速启动
PLC同时输出正转指令与多段速低速信号，变频器软启动电机
2
中速稳速运行
PLC切换到中速频率，电机进入稳速段，小车快速推进
3
减速低速爬行
到达减速接近开关，PLC切第二段速，小车低速爬向终点
4
停车反向启动
终点限位动作，PLC撤正转、延时、发反转+低速信号
5
反向运行减速
反向加速后中速运行，到减速点切低速，平稳爬回原点
6
回原点再循环
原点限位动作，PLC撤反转、发正转，无人值守循环运行
15第 15 页 · 小车自动往返工作流程

自动往返控制电路图

闭环回路：PLC发指令→变频器驱动→限位开关反馈→换向循环

图解渲染中…
a4：右限位开关SQ2，小车右行到位时压下触发a10：左限位开关SQ1，小车左行到位时压下触发a6：PLC延时0.5~2秒，防止机械抖动误触发
16第 16 页 · 自动往返控制电路图

核心知识自测

点击作答

变频调速时若只降低频率而保持电压不变，电机最可能发生什么？

17第 17 页 · 核心知识自测

变频器调速系统要点回顾

  • ✓变频=变压变频同时调，维持磁通是转矩不变的关键
  • ✓U/f简易通用，矢量精准但调参复杂，按负载精度选型
  • ✓多段速通过端子组合切预设频率，适合节拍固定场合
  • ✓工变频互锁切换是工程容错底线，时序错则易烧设备
  • ✓PLC+变频器以开关量通信为主，是低成本自动化的主流
延伸主题：变频器制动与能耗电阻选型模拟量无级调速的实现通信总线控变频(RS485)
18第 18 页 · 变频器调速系统要点回顾

课后思考

先独立思考，再看下方提示。答案不唯一，欢迎和同伴讨论。

1变频调速为什么必须同时改变电压和频率，只调频率不调电压会怎样？

参考答案提示：异步电机转矩公式 T∝(U/f)²，只调f不调U会使气隙磁通衰减，转矩急剧下降甚至堵转。

2起重机在低速时需要满负载起吊，U/f控制和矢量控制哪个更合适？为什么？

参考答案提示：矢量控制能解耦励磁与转矩电流，低频转矩仍饱满；U/f控制低频转矩衰减，重载起吊易溜钩。

3多段速控制能实现无级调速吗？若生产线需要连续平滑调速，应该如何改造？

参考答案提示：多段速本质是离散频率点的阶跃切换，无法连续；改用模拟量或通信给定即可实现无级调速。

19第 19 页 · 课后思考