几个方面了解矢量变频器的转矩控制方式

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２012-９－２８ 1０:4０:49本站原创 我要评论(0） 【字体：大 中 小】

采用矢量控制方式的通用矢量变频器不仅可在调速范围上与直流电动机相媲美，而且可以控制异步电动机产生的转矩。 １ 转矩控制功能结构

图9 转矩控制功能框图

转矩控制根据不同的数学算法其功能结构也不同,图9是一种典型的采用矢量方式实现的转矩控制功能框图。先是根据转矩设定值计算出转差频率,并与变频器获得的反馈速度(一般用编码器pg)或是直接推算的电动机速度相加,在速度限制下输出同步频率。很显然，在转矩控制方式下，速度调节器asr并不起直接作用，也无法控制速度。 转矩控制时，变频器的输出频率自动跟踪负载速度的变化，但输出频率的变化受设定的加速和减速时间影响,如需要加快跟踪的速度,需要将加速和减速时间设得短一些。 转矩分正向转矩和反向转矩，其设定可以通过模拟量端子的电平来决定，该转矩方向与运行指令的方向（即正转和反转）无关。当模拟量信号为0~１0v时，为正转矩，即电动机正转方向的转矩指令（从电动机的输出轴看是逆时针转);当模拟量信号为-1０v~０时，为负转矩，即电动机反转方向的转矩指令(从电动机的输出轴看是顺时针转)。 2 转矩控制和速度控制的切换

由于转矩控制时不能控制转速的大小，所以，在某些转速控制系统中,转矩控制主要用于起动或停止的过渡过程中。当拖动系统已经起动后，仍应切换成转速控制方式,以便控制转速。

切换的时序图如图1０所示。

图1０ 转矩控制和转速控制的时序图

(1) t1时段：变频器发出运行指令时,如未得到切换信号,则为转速控制模式。变频器按转速指令决定其输出频率的大小。同时，可以预置转矩上限。ﻫ(２) t2时段:变频器得到切换至转矩控制的信号(通常从外接输入电路输入）,转为转矩控制模式。变频器按转矩指令决定其电磁转矩的大小。同时,必须预置转速上限。ﻫ（3） t3时段:变频器得

到切换至转速控制的信号， 回到转速控制模式。ﻫ(4) ｔ4时段：变频器再次得到切换至转矩控制的信号， 回到转矩控制模式。ﻫ（5) ｔ5时段：变频器的运行指令结束,将在转速控制模式下按预置的减速时间减速并停止。ﻫ 如果变频器的运行指令在转矩控制下结束,变频器将自动转为转速控制模式,并按预置的减速时间减速并停止。

3 转矩控制与限转矩功能

在转矩控制中，经常会与速度控制下的限转矩功能搞混淆。所谓转矩限定，就是用来限制速度调节器asr输出的转矩电流。

定义转矩限定值0.０~200％为变频器额定电流的百分数;如果转矩限定＝１00%,即设定的转矩电流极限值为变频器的额定电流。图１1所示为转矩限值功能示意图,f1、ｆ2分别限制电动和制动状态时输出转矩的大小。

图11 转矩限制功能图

再生制动状态运行时，应根据需要的制动转矩适当调整再生制动限定值ｆ2，在要求大制动转矩的场合,应外接制动电阻或制动单元,否则可能会产生过压故障。

对于转矩限制值，一般可以通过两种方式进行设定。一种是通过参数设定,变频器都提供了相应的参数，如安川vｓ g７的ｌ7-01到l7-０4可以分别设定四个象限的转矩限定值。另外一种就是通过模拟量输入设定,用输入量的０~１0v或4~2０ma信号对应0－２00％的转矩限值。

几个方面了解变频器v/f控制方式

2012-９-29 9：15:５６本站原创 我要评论（0) 【字体：大 中 小】

我们知道，变频器ｖ/ｆ控制的基本思想是u/f=c,因此定义在频率为fｘ时，ux的表达式为uｘ/fx=c，其中c为常数,就是“压频比系数”。图1中所示就是变频器与的基本运行v/f曲线，矢量变频器。

由图1可以看出,当电动机的运行频率高于一定值时，变频器的输出电压不再能随频率的上升而上升,我们就将该特定值称之为基本运行频率，用fｂ表示。也就是说,基本运行频率是指变频器输出最高电压时对应的最小频率。在通常情况下,基本运行频率是电动机的额定频率,如电动机铭牌上标识的5０hz或60hz。同时与基本运行频率对应的变频器输出电压称之为最大输出电压，用vｍax表示。 当电动机的运行频率超过基本运行频率fｂ后，u／ｆ不再是一个常数，而是随着输出频率的上升而减少，电动机磁通也因此减少，变成“弱磁调速”状态。

基本运行频率是决定变频器的逆变波形占空比的一个设置参数,当设定该值后，变频器ｃpu将基本运行频率值和运行频率进行运算后,调整变频器输出波形的占空比来达到调整输出电压的目的。因此，在一般情况下,不要随意改变基本运行频率的参数设置,如确有必要,一定要根据电动机的参数特性来适当设值,否则，容易造成变频器过热、过流等现象。

1 预定义的v/f曲线和用户自定义v/f曲线

由于电动机负载的多样性和不确定性,因此很多变频器厂商都推出了预定义的v/f曲线和用户自定义的任意 v／f曲线。

预定义的ｖ／ｆ曲线是指变频器内部已经为用户定义的各种不同类型的曲线。如艾默生eｖ２0０0变频器有三种特定曲线（图2a），曲线１为２.0次幂降转矩特性、曲线2为1．7次幂降转矩特性、曲线为1.2次幂降转矩特性。罗克韦尔aｂ poweｒflｅｘ ４00变频器有4种定义的曲线（如图2ｂ),其定义的方式是在电动机额定频率一半（即50％ｆn）时的输出电压是电动机额定电压的30％时(即３0％vn）为曲线1,3５%vn为曲线２，4０％vn为曲线3，vn为曲线4。这些预定义的v/ｆ曲线非常适合在可变转矩（如典型的风机和泵类负载)中使用,用户可以根据负载特性进行调整，以达到最优的节能效果。

对于其他特殊的负载，如同步电动机,则可以通过设置用户自定义v／ f曲线的几个参数，来得到任意ｖ/ ｆ曲线，从而可以适应这些负载的特殊要求和特定功能。自定义v/ f曲线一般都通过折线设定,典型的有三段折线和两段折线。

用户自定义v/ｆ曲线

以三段折线设定为例,如图３所示，ｆ通常为变频器的基本运行频率,在某些变频器中定义为电动机的额定频率，;ｖ通常为变频器的最大输出电压，在某些变频器中定义为电动机的额定电压。如果最大输出电压等于额定电压或者基本运行频率等于额定频率,则两者是一回事，如果两者之间数值不相等，就必须根据变频器的用户手册来确定具体的数据。图中给出了三个中间坐标数值,即（f1,v1)、(ｆ２，v2）、（f3，v３），用户只需填入相应的电压值或电压百分比以及频率值或频率百分比即可。如果将其中的两点重合就可以看成是二段折线设定。

虽然用户自定义ｖ/f曲线可以任意设定,但是一旦数值设定不当，就会造成意外故障。比如说低频时转矩提升电压过高，造成电动机起动时低频抖动。所以，ｖ/f曲线特性必须以满足电动机的运行为前提条件。 ２ v／ｆ曲线转矩补偿ﻫ

变频器在启动或极低速运行时，根据v/f曲线,电动机在低频时对应输出的电压较低，转矩受定子电阻压降的影响比较显著，这就导致励磁不足而使电动机不能获得足够的旋转力,因此需要对转矩进行补充补偿，这称为转矩补偿。通常的做法是对输出电压做一些提升补偿,以补偿定子电阻上电压降引起的输出转矩损失,从而改善电动机的输出转矩。

图4中,v0表示手动转矩提升电压、vｍax表示最大输出电压、f0表示转矩提升的截止频率、fb表示基本运行频率。

对于v0的设置原则一般有以下几点:

（1)当电动机与变频器之间的距离太远时,由于线路压降增大，应适当增大v0值；ﻫ （２)当电动机容量小于变频器额定容量时，由于此容量电动机的绕组电阻比大容量电动机大，电阻压降也大,应适当增大v0值；ﻫ （3）当电动机抖动厉害时，说明转矩过大，转矩补偿增益调得过高,应适当减小v０值。

这里必须避免这样一个误区:即使提高很多输出电压,电动机转矩并不能和其电流相对应的提高。这是因为电动机电流包含电动机产生的转矩分量和其它分量(如励磁分量)。

关于截止频率f0,在有些变频器中是固定的频率值，如abｂ aｃｓ5５０变频器f0＝2０hz、罗克韦尔ab poweｒflex ４０0变频器ｆ0=２５ｈz；有些变频器是可以设置的,如艾默生ev2000变频器f0=0~5０%基本运行频率。

转矩补偿可以根据变频器的参数设置选择手动和自动,如手动设置则允许用户v0在0-２0%或３0％umax之间任意设定,如自动设置则是变频器根据电动机启动过程中的力矩情况进行自动补偿,其参数是随着负载变化而更改的。

速度传感器矢量控制与闭环v/ｆ控制的几个区别

2０12-９-28 10：32:２５本站原创 我要评论（０) 【字体:大 中 小】

矢量变频器带速度传感器矢量控制与闭环v/f控制在安装编码器pｇ上有共同点,而且都有类似的pｉd环以及相应的参数设置，好像给人一种雷同的感觉。但两者存在着很大的区别，主要一点在于前者是矢量控制，而后者属于传统的ｖ/ｆ控制。

图7 带速度传感器矢量控制原理框图

图8 闭环v/ｆ控制原理框图

我们对比一下带速度传感器矢量控制与闭环v/f控制的原理框图,如图7、图8中所示。矢量控制时的速度控制asr是把速度指令和速度反馈信号进行差值比较，然后进行pi控制后,经过一定的滤波时间，再经过转矩限定，输出转矩电流,进入转矩环控制；而闭环ｖ/ｆ控制是将速度指令和速度反馈信号的偏差调为零,pｉｄ的结果只是去直接控制变频器的频率输出。

除了控制原理上的区分外,带速度传感器矢量控制与闭环v/f控制还有以下几点不同:ﻫ(１) 控制精度不同。带速度传感器矢量控制的速度控制精度能达到0.05%,而闭环ｖ/f控制则只有０.5%（相当于无传感器矢量控制的水平)。ﻫ(2) 启动转矩不同。带速度传感器矢量控制的启动转矩可达到200%/０ｈz,而闭环v/f控制则只有180％/0.5hz。 (3) 安装方式不一样。带速度传感器矢量控制的编码器安装要求非常严格，必须与电动机或者齿轮电动机的轴一致;而闭环v／ｆ控制则可以安装在传动点的任意一个位置。 （4) 编码器选型不一样。带速度传感器矢量的编码器要求比较严格，通常都要求二相输入;而闭环ｖ/f控制则可以只要求一相输入,甚至可以用高性能接近开关替代。 （5）编码器断线停机方式不一样。带速度传感器矢量控制的编码器断线故障检出后,将不得不自由停车；而闭环v/ｆ控制还可以在频率指令下继续开环ｖ/f控制运行。

几个方面了解无速度传感器矢量控制方式

２012-9-２8 9:54:４3本站原创 我要评论(０） 【字体：大 中 小】

在高性能的异步电动机矢量控制系统中,矢量变频器的转速的闭环控制环节一般是必不可少的。通常，采用旋转编码器等速度传感器来进行转速检测，并反馈转速信号。但是，由于速度传感器的安装给系统带来一些缺陷:系统的成本大大增加;精度越高的编码器价格也越贵；编码器在电动机轴上的安装存在同心度的问题,安装不当将影响测速的精度；安装在电动机轴上的体积增大，而且给电动机的维护带来一定困难，同时破坏了异步电动机的简单坚固的特点；在恶劣的环境下,编码器工作的精度易受环境的影响。而无速度传感器的控制系统无需检测硬件，免去了速度传感器带来的种种麻烦，提高了系统的可靠性,降低了系统的成本；另一方面，使得系统的体积小、重量轻，而且减少

了电动机与控制器的连线。因此，无速度传感器的矢量控制方式在工程应用中变得非常必要。

无速度传感器的矢量控制方式是基于磁场定向控制理论发展而来的。实现精确的磁场定向矢量控制需要在异步电动机内安装磁通检测装置，要在异步电动机内安装磁通检测装置是很困难的,但人们发现，即使不在异步电动机中直接安装磁通检测装置，也可以在通用变频器内部得到与磁通相应的量,并由此得到了无速度传感器的矢量控制方式。它的基本控制思想是根据输入的电动机的铭牌参数，按照一定的关系式分别对作为基本控制量的励磁电流(或者磁通)和转矩电流进行检测，并通过控制电动机定子绕组上的电压的频率使励磁电流(或者磁通）和转矩电流的指令值和检测值达到一致,并输出转矩，从而实现矢量控制。采用矢量控制方式的通用变频器不仅可在调速范围上与直流电动机相匹敌，而且可以控制异步电动机产生的转矩。由于矢量控制方式所依据的是准确的被控异步电动机的参数，因此需要在使用时准确地输入异步电动机的参数，并对拖动的电动机进行调谐整定,否则难以达到理想的控制效果。

无速度传感器矢量控制方式的基本技术指标定义如下:速度控制精度±0．5%,速度控制范围1:１00，转矩控制响应<200mｓ,启动转矩>１50％/０.5ｈz。其中启动转矩指标，根据不同品牌的变频器其性能有所高低变动,大致在150％～2５0%之间。如图６所示为安川ｇ７的无速度传感器矢量控制方式下的启动转矩特性,在０.３hz极低速下能达到150％以上的转矩。

图6 无速度传感器矢量控制方式启动转矩特性

有时为了描述上的方便，也把无速度传感器的矢量控制方式称为开环矢量控制或无ｐg反馈矢量控制。

电动机参数的调谐整定

由于电动机磁通模型的建立必须依赖于电动机参数,因此选择无速度传感器矢量控制时，第一次运行前必须首先对电动机进行参数的调谐整定。目前新型矢量控制通

用变频器中已经具备异步电动机参数自动调谐、自适应功能,带有这种功能的通用变频器在驱动异步电动机进行正常运转之前可以自动地对异步电动机的参数进行调谐后存储在相应的参数组中,并根据调谐结果调整控制算法中的有关数值。

自动调谐(因在电动机旋转情况下进行，又称旋转式调谐)的步骤一般是这样的:首先在变频器参数中输入需要调谐的电动机的基本参数,包括电动机的类型（异步电动机或同步电动机)、电动机的额定功率（单位是ｋw)、电动机的额定电流（单位是a）、电动机的额定频率(单位是hｚ)、电动机的额定转速(单位r/min);然后将电动机与机械设备分开,电动机作为单体;接着用变频器的操作面板指令操作，变频器的控制程序就会一边根据内部预先设定的运行程序自动运转,一边测定一次电压和一次电流，然后计算出电动机的各项参数。但在电动机与机械设备难以分开的场合却很不方便,此时可采用静止式调谐整定的方法，即将固定在任一相位、仅改变振幅而不产生旋转的三相交流电压施加于电动机上，电动机不旋转,由此时的电压、电流波形按电动机等值回路对各项参数进行运算，便能高精度测定控制上必需的电动机参数。在静止式调谐中，用原来方法无法测定的漏电流也能测定,控制性能进一步提高。利用静止式调谐技术，可对于机械设备组合一起的电动机自动调谐、自动测定控制上所需的各项常数,因而显著提高了通用变频器使用的方便性。

图７ 异步电动机稳态等效电路

从图7所示的异步电动机的t型等效电路表示中可以看出,电动机除了常规的参数如电动机极数、额定功率、额定电流外,还有r1(定子电阻）、ｘ１１(定子漏感抗)、r2（转子电阻)、ｘ２１(转子漏感抗）、xm(互感抗）和i0（空载电流）。

从上面已经知道,参数辨识分电动机静止辨识和旋转辨识两种,其中在静止辨识中,变频器能自动测量并计算定子和转子电阻以及相对于基本频率的漏感抗,并同时将测量的参数写入;在旋转辨识中，变频器自动测量电动机的互感抗和空载电流。 速度调节器aｓr

图8 速度调节器简化框图

速度调节器ａsr的结构如图８所示，图8中ｋp为比例增益,ki为积分时间。积分时间设为0时，则无积分作用,速度环为单纯的比例调节器。由于是无速度传感器矢量控制方式，速度环的实际速度来源于变频器内部的实际计算值。 速度调节器asr的整定参数包括比例增益p和积分时间i，其数值大小将直接影响矢量控制的效果,其目标就是要取得动态性能良好的阶跃响应，如图9ａ所示。具体调节的影响情况如下：ﻫ （1）增加比例增益p,可加快系统的动态响应,但p值过大，系

统容易振荡;

（２）减小积分时间ｉ值,可加快系统的动态响应，但i值过小,系统超调就会增大,且容易产生振荡;ﻫ （3)通常先调整比例增益ｐ值，保证系统不振荡的前提下尽量增大p值，然后调节积分时间i值使系统既有快速的响应特性又超调不大。

ａ)参数整定情况之一 b)参数整定情况之一c)参数整定情况之一

图9速度调节器ａsr阶跃响应与pi参数的关系

图9b是比例增益ｐ值与速度调节器asr的阶跃响应关系，图9c是积分时间i值与速度调节器ａsr的阶跃响应关系。

一般的矢量变频器为了适应电动机低速和高速带载运行都有快速响应的情况,都设有两套ｐi参数值（即低速pi值和高速pi值）,同时设有切换频率。为了保证两套pｉ值的正常过渡,一些变频器还另外设置了两个切换频率，即切换频率1和切换频率2,如图１０。其控制原理是:低于切换频率1的频率动态响应pi值取a点的数值，高于切换频率２的频率动态响应pi值取b点的数值,位于切换频率１和切换频率2的频率动态响应ｐｉ值取两套pｉ参数的加权平均值。

如果pi参数设置不当，系统在快速启动到高速后，可能产生减速过电压故障（如果没有外接制动电阻或制动单元)，这是由于在速度超调后的下降过程中系统再生制动状态能量回馈所致，因此合适的pi值对于系统的稳定性至关重要。

图10 pi参数与频率切换的关系

转差补偿增益和静差率

静差就是从一个稳定的转速过渡到另一个稳定的转速之间的差值，静差率是指电动机空载与满载的速度差，这两个参数对于电动机的控制特性都是要求比较高的。

由于无速度传感器的矢量控制方式对于转速的测量是间接的,一般都是通过容易测量的定子电压和电流信号间接求得转速。目前常用的方法有:ﻫ （1）利用电动机模

型推导出转速方程式,从而计算转速;

(2)利用电动机模型计算转差频率，进行补偿;ﻫ （3)根据模型参考自适应控制理论,选择合适的参考模型和可调整模型,同时辨识转速和转子磁链；ﻫ （４）利用其它辨识或估计方法求得转速；

（5)利用电动机的齿谐波电势计算转速;等等。但是，无论哪一种方法,对于电动机实际运行的速度计算或辨识精度都非常有限，为了精确调整静差，确保电动机的静差率低于0．01％，就需要对转差补偿增益进行设置。

所谓转差补偿增益,就是用于计算转差频率,设定值100%表示额定的转矩电流对应额定的转差频率,因此设置合理的转差补偿增益系统可以精确调整速度控制的静差。其参数的设置原则是：当电动机重载时速度偏低，就应该加大该系数，反之就减小该参数