幾個(gè)方面了解矢量變頻器的轉(zhuǎn)矩控制方式

2012-9-2810:40:49本站原創(chuàng)

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小】采用矢量控制方式的通用矢量變頻器不僅可在調(diào)速范圍上與直流電動(dòng)機(jī)相媲美，而且可以控制異步電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩。1轉(zhuǎn)矩控制功能結(jié)構(gòu)圖9轉(zhuǎn)矩控制功能框圖轉(zhuǎn)矩控制根據(jù)不同的數(shù)學(xué)算法其功能結(jié)構(gòu)也不同，圖9是一種典型的采用矢量方式實(shí)現(xiàn)的轉(zhuǎn)矩控制功能框圖。先是根據(jù)轉(zhuǎn)矩設(shè)定值計(jì)算出轉(zhuǎn)差頻率，并與變頻器獲得的反饋速度（一般用編碼器pg）或是直接推算的電動(dòng)機(jī)速度相加，在速度限制下輸出同步頻率。很顯然，在轉(zhuǎn)矩控制方式下，速度調(diào)節(jié)器asr并不起直接作用，也無法控制速度。轉(zhuǎn)矩控制時(shí)，變頻器的輸出頻率自動(dòng)跟蹤負(fù)載速度的變化，但輸出頻率的變化受設(shè)定的加速和減速時(shí)間影響，如需要加快跟蹤的速度，需要將加速和減速時(shí)間設(shè)得短一些。轉(zhuǎn)矩分正向轉(zhuǎn)矩和反向轉(zhuǎn)矩，其設(shè)定可以通過模擬量端子的電平來決定，該轉(zhuǎn)矩方向與運(yùn)行指令的方向（即正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)）無關(guān)。當(dāng)模擬量信號(hào)為0～10v時(shí)，為正轉(zhuǎn)矩，即電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)方向的轉(zhuǎn)矩指令（從電動(dòng)機(jī)的輸出軸看是逆時(shí)針轉(zhuǎn)）;當(dāng)模擬量信號(hào)為－10v～0時(shí)，為負(fù)轉(zhuǎn)矩，即電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)方向的轉(zhuǎn)矩指令（從電動(dòng)機(jī)的輸出軸看是順時(shí)針轉(zhuǎn)）。2轉(zhuǎn)矩控制和速度控制的切換由于轉(zhuǎn)矩控制時(shí)不能控制轉(zhuǎn)速的大小，所以，在某些轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)矩控制主要用于起動(dòng)或停止的過渡過程中。當(dāng)拖動(dòng)系統(tǒng)已經(jīng)起動(dòng)后，仍應(yīng)切換成轉(zhuǎn)速控制方式，以便控制轉(zhuǎn)速。

切換的時(shí)序圖如圖10所示。圖10轉(zhuǎn)矩控制和轉(zhuǎn)速控制的時(shí)序圖（1）

t1時(shí)段:變頻器發(fā)出運(yùn)行指令時(shí)，如未得到切換信號(hào)，則為轉(zhuǎn)速控制模式。變頻器按轉(zhuǎn)速指令決定其輸出頻率的大小。同時(shí)，可以預(yù)置轉(zhuǎn)矩上限。

（2）

t2時(shí)段:變頻器得到切換至轉(zhuǎn)矩控制的信號(hào)（通常從外接輸入電路輸入），轉(zhuǎn)為轉(zhuǎn)矩控制模式。變頻器按轉(zhuǎn)矩指令決定其電磁轉(zhuǎn)矩的大小。同時(shí)，必須預(yù)置轉(zhuǎn)速上限。

（3）

t3時(shí)段:變頻器得到切換至轉(zhuǎn)速控制的信號(hào),

回到轉(zhuǎn)速控制模式。

（4）

t4時(shí)段:變頻器再次得到切換至轉(zhuǎn)矩控制的信號(hào),

回到轉(zhuǎn)矩控制模式。

（5）

t5時(shí)段:變頻器的運(yùn)行指令結(jié)束，將在轉(zhuǎn)速控制模式下按預(yù)置的減速時(shí)間減速并停止。

如果變頻器的運(yùn)行指令在轉(zhuǎn)矩控制下結(jié)束，變頻器將自動(dòng)轉(zhuǎn)為轉(zhuǎn)速控制模式，并按預(yù)置的減速時(shí)間減速并停止。

3轉(zhuǎn)矩控制與限轉(zhuǎn)矩功能在轉(zhuǎn)矩控制中，經(jīng)常會(huì)與速度控制下的限轉(zhuǎn)矩功能搞混淆。所謂轉(zhuǎn)矩限定，就是用來限制速度調(diào)節(jié)器asr輸出的轉(zhuǎn)矩電流。定義轉(zhuǎn)矩限定值0.0～200％為變頻器額定電流的百分?jǐn)?shù);如果轉(zhuǎn)矩限定＝100％，即設(shè)定的轉(zhuǎn)矩電流極限值為變頻器的額定電流。圖11所示為轉(zhuǎn)矩限值功能示意圖，f1、f2分別限制電動(dòng)和制動(dòng)狀態(tài)時(shí)輸出轉(zhuǎn)矩的大小。圖11轉(zhuǎn)矩限制功能圖再生制動(dòng)狀態(tài)運(yùn)行時(shí)，應(yīng)根據(jù)需要的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩適當(dāng)調(diào)整再生制動(dòng)限定值f2，在要求大制動(dòng)轉(zhuǎn)矩的場(chǎng)合，應(yīng)外接制動(dòng)電阻或制動(dòng)單元，否則可能會(huì)產(chǎn)生過壓故障。對(duì)于轉(zhuǎn)矩限制值，一般可以通過兩種方式進(jìn)行設(shè)定。一種是通過參數(shù)設(shè)定，變頻器都提供了相應(yīng)的參數(shù)，如安川vs

g7的l7－01到l7－04可以分別設(shè)定四個(gè)象限的轉(zhuǎn)矩限定值。另外一種就是通過模擬量輸入設(shè)定，用輸入量的0～10v或4～20ma信號(hào)對(duì)應(yīng)0－200％的轉(zhuǎn)矩限值。幾個(gè)方面了解變頻器v/f控制方式2012-9-299:15:56本站原創(chuàng)

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小】我們知道，變頻器v/f控制的基本思想是u/f=c，因此定義在頻率為fx時(shí)，ux的表達(dá)式為ux/fx=c，其中c為常數(shù)，就是“壓頻比系數(shù)”。圖1中所示就是變頻器與的基本運(yùn)行v/f曲線,矢量變頻器。圖4中，v0表示手動(dòng)轉(zhuǎn)矩提升電壓、vmax表示最大輸出電壓、f0表示轉(zhuǎn)矩提升的截止頻率、fb表示基本運(yùn)行頻率。對(duì)于v0的設(shè)置原則一般有以下幾點(diǎn):

（1）當(dāng)電動(dòng)機(jī)與變頻器之間的距離太遠(yuǎn)時(shí)，由于線路壓降增大，應(yīng)適當(dāng)增大v0值;

（2）當(dāng)電動(dòng)機(jī)容量小于變頻器額定容量時(shí)，由于此容量電動(dòng)機(jī)的繞組電阻比大容量電動(dòng)機(jī)大，電阻壓降也大，應(yīng)適當(dāng)增大v0值;

（3）當(dāng)電動(dòng)機(jī)抖動(dòng)厲害時(shí)，說明轉(zhuǎn)矩過大，轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償增益調(diào)得過高，應(yīng)適當(dāng)減小v0值。這里必須避免這樣一個(gè)誤區(qū):即使提高很多輸出電壓，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩并不能和其電流相對(duì)應(yīng)的提高。這是因?yàn)殡妱?dòng)機(jī)電流包含電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩分量和其它分量（如勵(lì)磁分量）。關(guān)于截止頻率f0，在有些變頻器中是固定的頻率值，如abb

acs550變頻器f0＝20hz、羅克韋爾ab

powerflex

400變頻器f0＝25hz;有些變頻器是可以設(shè)置的，如艾默生ev2000變頻器f0=0～50%基本運(yùn)行頻率。轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償可以根據(jù)變頻器的參數(shù)設(shè)置選擇手動(dòng)和自動(dòng)，如手動(dòng)設(shè)置則允許用戶v0在0－20%或30％umax之間任意設(shè)定，如自動(dòng)設(shè)置則是變頻器根據(jù)電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)過程中的力矩情況進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)償，其參數(shù)是隨著負(fù)載變化而更改的。速度傳感器矢量控制與閉環(huán)v/f控制的幾個(gè)區(qū)別2012-9-2810:32:25本站原創(chuàng)

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小】矢量變頻器帶速度傳感器矢量控制與閉環(huán)v/f控制在安裝編碼器pg上有共同點(diǎn)，而且都有類似的pid環(huán)以及相應(yīng)的參數(shù)設(shè)置，好像給人一種雷同的感覺。但兩者存在著很大的區(qū)別，主要一點(diǎn)在于前者是矢量控制，而后者屬于傳統(tǒng)的v/f控制。圖7帶速度傳感器矢量控制原理框圖圖8閉環(huán)v/f控制原理框圖我們對(duì)比一下帶速度傳感器矢量控制與閉環(huán)v/f控制的原理框圖，如圖7、圖8中所示。矢量控制時(shí)的速度控制asr是把速度指令和速度反饋信號(hào)進(jìn)行差值比較，然后進(jìn)行pi控制后，經(jīng)過一定的濾波時(shí)間，再經(jīng)過轉(zhuǎn)矩限定，輸出轉(zhuǎn)矩電流，進(jìn)入轉(zhuǎn)矩環(huán)控制;而閉環(huán)v/f控制是將速度指令和速度反饋信號(hào)的偏差調(diào)為零，pid的結(jié)果只是去直接控制變頻器的頻率輸出。除了控制原理上的區(qū)分外，帶速度傳感器矢量控制與閉環(huán)v/f控制還有以下幾點(diǎn)不同:

（1）

控制精度不同。帶速度傳感器矢量控制的速度控制精度能達(dá)到0.05％，而閉環(huán)v/f控制則只有0.5％（相當(dāng)于無傳感器矢量控制的水平）。

（2）

啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩不同。帶速度傳感器矢量控制的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩可達(dá)到200％/0hz，而閉環(huán)v/f控制則只有180％/0.5hz。

（3）

安裝方式不一樣。帶速度傳感器矢量控制的編碼器安裝要求非常嚴(yán)格，必須與電動(dòng)機(jī)或者齒輪電動(dòng)機(jī)的軸一致;而閉環(huán)v/f控制則可以安裝在傳動(dòng)點(diǎn)的任意一個(gè)位置。

（4）

編碼器選型不一樣。帶速度傳感器矢量的編碼器要求比較嚴(yán)格，通常都要求二相輸入;而閉環(huán)v/f控制則可以只要求一相輸入，甚至可以用高性能接近開關(guān)替代。

（5）編碼器斷線停機(jī)方式不一樣。帶速度傳感器矢量控制的編碼器斷線故障檢出后，將不得不自由停車;而閉環(huán)v/f控制還可以在頻率指令下繼續(xù)開環(huán)v/f控制運(yùn)行。幾個(gè)方面了解無速度傳感器矢量控制方式2012-9-289:54:43本站原創(chuàng)

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小】在高性能的異步電動(dòng)機(jī)矢量控制系統(tǒng)中，矢量變頻器的轉(zhuǎn)速的閉環(huán)控制環(huán)節(jié)一般是必不可少的。通常，采用旋轉(zhuǎn)編碼器等速度傳感器來進(jìn)行轉(zhuǎn)速檢測(cè)，并反饋轉(zhuǎn)速信號(hào)。但是，由于速度傳感器的安裝給系統(tǒng)帶來一些缺陷:系統(tǒng)的成本大大增加;精度越高的編碼器價(jià)格也越貴;編碼器在電動(dòng)機(jī)軸上的安裝存在同心度的問題，安裝不當(dāng)將影響測(cè)速的精度;安裝在電動(dòng)機(jī)軸上的體積增大，而且給電動(dòng)機(jī)的維護(hù)帶來一定困難，同時(shí)破壞了異步電動(dòng)機(jī)的簡單堅(jiān)固的特點(diǎn);在惡劣的環(huán)境下，編碼器工作的精度易受環(huán)境的影響。而無速度傳感器的控制系統(tǒng)無需檢測(cè)硬件，免去了速度傳感器帶來的種種麻煩，提高了系統(tǒng)的可靠性，降低了系統(tǒng)的成本;另一方面，使得系統(tǒng)的體積小、重量輕，而且減少了電動(dòng)機(jī)與控制器的連線。因此，無速度傳感器的矢量控制方式在工程應(yīng)用中變得非常必要。

無速度傳感器的矢量控制方式是基于磁場(chǎng)定向控制理論發(fā)展而來的。實(shí)現(xiàn)精確的磁場(chǎng)定向矢量控制需要在異步電動(dòng)機(jī)內(nèi)安裝磁通檢測(cè)裝置，要在異步電動(dòng)機(jī)內(nèi)安裝磁通檢測(cè)裝置是很困難的，但人們發(fā)現(xiàn)，即使不在異步電動(dòng)機(jī)中直接安裝磁通檢測(cè)裝置，也可以在通用變頻器內(nèi)部得到與磁通相應(yīng)的量，并由此得到了無速度傳感器的矢量控制方式。它的基本控制思想是根據(jù)輸入的電動(dòng)機(jī)的銘牌參數(shù)，按照一定的關(guān)系式分別對(duì)作為基本控制量的勵(lì)磁電流（或者磁通）和轉(zhuǎn)矩電流進(jìn)行檢測(cè)，并通過控制電動(dòng)機(jī)定子繞組上的電壓的頻率使勵(lì)磁電流（或者磁通）和轉(zhuǎn)矩電流的指令值和檢測(cè)值達(dá)到一致，并輸出轉(zhuǎn)矩，從而實(shí)現(xiàn)矢量控制。采用矢量控制方式的通用變頻器不僅可在調(diào)速范圍上與直流電動(dòng)機(jī)相匹敵，而且可以控制異步電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩。由于矢量控制方式所依據(jù)的是準(zhǔn)確的被控異步電動(dòng)機(jī)的參數(shù)，因此需要在使用時(shí)準(zhǔn)確地輸入異步電動(dòng)機(jī)的參數(shù)，并對(duì)拖動(dòng)的電動(dòng)機(jī)進(jìn)行調(diào)諧整定，否則難以達(dá)到理想的控制效果。無速度傳感器矢量控制方式的基本技術(shù)指標(biāo)定義如下:速度控制精度±0.5％，速度控制范圍1:100，轉(zhuǎn)矩控制響應(yīng)<200ms，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩>150％/0.5hz。其中啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩指標(biāo)，根據(jù)不同品牌的變頻器其性能有所高低變動(dòng)，大致在150％～250％之間。如圖6所示為安川g7的無速度傳感器矢量控制方式下的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩特性，在0.3hz極低速下能達(dá)到150%以上的轉(zhuǎn)矩。

圖6無速度傳感器矢量控制方式啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩特性有時(shí)為了描述上的方便，也把無速度傳感器的矢量控制方式稱為開環(huán)矢量控制或無pg反饋矢量控制。電動(dòng)機(jī)參數(shù)的調(diào)諧整定

由于電動(dòng)機(jī)磁通模型的建立必須依賴于電動(dòng)機(jī)參數(shù)，因此選擇無速度傳感器矢量控制時(shí)，第一次運(yùn)行前必須首先對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行參數(shù)的調(diào)諧整定。目前新型矢量控制通用變頻器中已經(jīng)具備異步電動(dòng)機(jī)參數(shù)自動(dòng)調(diào)諧、自適應(yīng)功能，帶有這種功能的通用變頻器在驅(qū)動(dòng)異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行正常運(yùn)轉(zhuǎn)之前可以自動(dòng)地對(duì)異步電動(dòng)機(jī)的參數(shù)進(jìn)行調(diào)諧后存儲(chǔ)在相應(yīng)的參數(shù)組中，并根據(jù)調(diào)諧結(jié)果調(diào)整控制算法中的有關(guān)數(shù)值。自動(dòng)調(diào)諧（因在電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)情況下進(jìn)行，又稱旋轉(zhuǎn)式調(diào)諧）的步驟一般是這樣的:首先在變頻器參數(shù)中輸入需要調(diào)諧的電動(dòng)機(jī)的基本參數(shù)，包括電動(dòng)機(jī)的類型（異步電動(dòng)機(jī)或同步電動(dòng)機(jī)）、電動(dòng)機(jī)的額定功率（單位是kw）、電動(dòng)機(jī)的額定電流（單位是a）、電動(dòng)機(jī)的額定頻率（單位是hz）、電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速（單位r/min）;然后將電動(dòng)機(jī)與機(jī)械設(shè)備分開，電動(dòng)機(jī)作為單體;接著用變頻器的操作面板指令操作，變頻器的控制程序就會(huì)一邊根據(jù)內(nèi)部預(yù)先設(shè)定的運(yùn)行程序自動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)，一邊測(cè)定一次電壓和一次電流，然后計(jì)算出電動(dòng)機(jī)的各項(xiàng)參數(shù)。但在電動(dòng)機(jī)與機(jī)械設(shè)備難以分開的場(chǎng)合卻很不方便，此時(shí)可采用靜止式調(diào)諧整定的方法，即將固定在任一相位、僅改變振幅而不產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的三相交流電壓施加于電動(dòng)機(jī)上，電動(dòng)機(jī)不旋轉(zhuǎn)，由此時(shí)的電壓、電流波形按電動(dòng)機(jī)等值回路對(duì)各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行運(yùn)算，便能高精度測(cè)定控制上必需的電動(dòng)機(jī)參數(shù)。在靜止式調(diào)諧中，用原來方法無法測(cè)定的漏電流也能測(cè)定，控制性能進(jìn)一步提高。利用靜止式調(diào)諧技術(shù)，可對(duì)于機(jī)械設(shè)備組合一起的電動(dòng)機(jī)自動(dòng)調(diào)諧、自動(dòng)測(cè)定控制上所需的各項(xiàng)常數(shù)，因而顯著提高了通用變頻器使用的方便性。

圖7異步電動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)等效電路從圖7所示的異步電動(dòng)機(jī)的t型等效電路表示中可以看出，電動(dòng)機(jī)除了常規(guī)的參數(shù)如電動(dòng)機(jī)極數(shù)、額定功率、額定電流外，還有r1（定子電阻）、x11（定子漏感抗）、r2（轉(zhuǎn)子電阻）、x21（轉(zhuǎn)子漏感抗）、xm（互感抗）和i0（空載電流）。從上面已經(jīng)知道，參數(shù)辨識(shí)分電動(dòng)機(jī)靜止辨識(shí)和旋轉(zhuǎn)辨識(shí)兩種，其中在靜止辨識(shí)中，變頻器能自動(dòng)測(cè)量并計(jì)算定子和轉(zhuǎn)子電阻以及相對(duì)于基本頻率的漏感抗，并同時(shí)將測(cè)量的參數(shù)寫入;在旋轉(zhuǎn)辨識(shí)中，變頻器自動(dòng)測(cè)量電動(dòng)機(jī)的互感抗和空載電流。速度調(diào)節(jié)器asr圖8速度調(diào)節(jié)器簡化框圖速度調(diào)節(jié)器asr的結(jié)構(gòu)如圖8所示，圖8中kp為比例增益，ki為積分時(shí)間。積分時(shí)間設(shè)為0時(shí)，則無積分作用，速度環(huán)為單純的比例調(diào)節(jié)器。由于是無速度傳感器矢量控制方式，速度環(huán)的實(shí)際速度來源于變頻器內(nèi)部的實(shí)際計(jì)算值。速度調(diào)節(jié)器asr的整定參數(shù)包括比例增益p和積分時(shí)間i，其數(shù)值大小將直接影響矢量控制的效果，其目標(biāo)就是要取得動(dòng)態(tài)性能良好的階躍響應(yīng)，如圖9a所示。具體調(diào)節(jié)的影響情況如下:

（1）增加比例增益p，可加快系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，但p值過大，系統(tǒng)容易振蕩;

（2）減小積分時(shí)間i值，可加快系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，但i值過小，系統(tǒng)超調(diào)就會(huì)增大，且容易產(chǎn)生振蕩;

（3）通常先調(diào)整比例增益p值，保證系統(tǒng)不振蕩的前提下盡量增大p值，然后調(diào)節(jié)積分時(shí)間i值使系統(tǒng)既有快速的響應(yīng)特性又超調(diào)不大。a）參數(shù)整定情況之一

b）參數(shù)整定情況之一c）參數(shù)整定情況之一

圖9速度調(diào)節(jié)器asr階躍響應(yīng)與pi參數(shù)的關(guān)系圖9b是比例增益p值與速度調(diào)節(jié)器asr的階躍響應(yīng)關(guān)系，圖9c是積分時(shí)間i值與速度調(diào)節(jié)器asr的階躍響應(yīng)關(guān)系。一般的矢量變頻器為了適應(yīng)電動(dòng)機(jī)低速和高速帶載運(yùn)行都有快速響應(yīng)的情況，都設(shè)有兩套pi參數(shù)值（即低速pi值和高速pi值），同時(shí)設(shè)有切換頻率。為了保證兩套pi值的正常過渡，一些變頻器還另外設(shè)置了兩個(gè)切換頻率，即切換頻率1和切換頻率2，如圖10。其控制原理是:低于切換頻率1的頻率動(dòng)態(tài)響應(yīng)pi值取a點(diǎn)的數(shù)值，高于切換頻率2的頻率動(dòng)態(tài)響應(yīng)pi值取b點(diǎn)的數(shù)值，位于切換頻率1和切換頻率2的頻率動(dòng)態(tài)響應(yīng)pi值取兩套pi參數(shù)的加權(quán)平均值。如果pi