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1、 变频器基本控制模式 烟草行业变频器应用技术培训班 2008/10 内容 1、U/F控制 2、矢量控制 3、直接转矩控制 3 U/F控制的特点 n 优点：控制电路结构简单、成本较低，机械特性硬度也较好，能够满足一般 传动的平滑调速要求，已在产业的各个领域得到广泛应用。 n 缺点：1、这种控制方式在低频时，由于输出电压较低，转矩受定子电阻压 降的影响比较显著，使输出最大转矩减小。 2、其机械特性终究没有直流电动机硬，动态转矩能力和静态调速性 能都还不尽如人意，且系统性能不高、控制曲线会随负载的变化而变化，转 矩响应慢、电机转矩利用率不高，低速时因定子电阻和逆变器死区效应的存 在而性能下降，稳定性
2、变差等。 n 应用范围：可以满足大部分对调速响应动态性能要求不高的场合， 如风机，水泵负载 4 电磁转矩 T：转子中各载流导体在旋转磁场的作用下, 受到电磁力所形成的转距之总和。 常数 每极磁通 转子电流 转子电路的 U/F控制理论依据 5 磁通量须恒定 TM = KT I2 M COS2 磁路饱和励磁电流畸变，产生尖峰电流 磁通量磁路饱和电流增大 磁通量电机转矩TM下降 为了保证给定的电流产生一个最大可能转矩，电机必须工作在尽 可能大的一个恒定磁通 6 U/F=常数 三相异步电动机的每相电动势的有效值为 故要保持恒定，只要变频又变压 7 低速转矩下降 对于低输出频率，V/f 特性仅能输出一个
3、低电压。即使在低频， 定子绕组电阻也可忽略不计。对于实现以下目的 其输出电压可 能太低 1 、实现异步电机的励磁 2 、保持负载电流 3 、在系统中补偿损耗(在绕组电阻中的欧姆损耗) U1下降 I1 r1在U1中的比例增大 低频电压补偿 图3-26 电压补偿原理 9 U的大小随负载电流而变化 U/F的比值只能设定一次； 所以负载变动时不能始终工作在最佳状 态，即轻载时磁路易饱和。 电压补偿的特性 10 滑差补偿 负载从 M1增加到 M2 参看附图 时 由于存在滑差 电动 机的速度 频率 由 f1降为 f2 在负载增加时 变频器可以稍 许增加其输出频率 对频率的降低进行补偿 变频器对其 输出电流
4、进行检测 并根据电流的大小增加输出频率 对 预期的滑差加以补偿 11 U/F控制曲线 12 矢量控制 直流电动机控制 13 矢量控制描述 n 矢量控制实现的基本原理是通过测量和控制异步 电动机定子电流矢量，根据磁场定向原理分别对异步 电动机的励磁电流和转矩电流进行控制，从而达到控 制异步电动机转矩的目的。具体是将异步电动机的定 子电流矢量分解为产生磁场的电流分量 (励磁电流) 和产生转矩的电流分量 (转矩电流) 分别加以控制， 并同时控制两分量间的幅值和相位，即控制定子电流 矢量，所以称这种控制方式称为矢量控制方式。矢量 控制方式又有基于转差频率控制的矢量控制方式、无 速度传感器矢量控制方式和
5、有速度传感器的矢量控制 方式等。 14 基本构思 15 基于转差频率控制的矢量控制方式 n基于转差频率控制的矢量控制方式同样是在进行u / f 恒定控制的基础上，通过检测异步电动机的实际速 度n，并得到对应的控制频率f，然后根据希望得到的 转矩，分别控制定子电流矢量及两个分量间的相位， 对通用变频器的输出频率f进行控制的。基于转差频率 控制的矢量控制方式的最大特点是，可以消除动态过 程中转矩电流的波动，从而提高了通用变频器的动态 性能。早期的矢量控制通用变频器基本上都是采用的 基于转差频率控制的矢量控制方式。 16 无速度传感器的矢量控制方式 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
6、 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 此得到了所谓的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，按照转矩计算公式分别 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。 17 矢量控制参数要求 n采用矢量控制方式的通用变频器不仅可在调速范围
7、上与直流电 动机相匹配，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，有的通用 变频器在使用时需要准确地输入异步电动机的参数，有的通用 变频器需要使用速度传感器和编码器，并需使用厂商指定的变 频器专用电动机进行控制，否则难以达到理想的控制效果。 n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 检测、自动辨识、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 参数进行辨识，并根据辨识结果调整控制算法中的有关参数， 从而对普通的异步电动机进行有效的矢量控制。 18 矢量控制自学习的概念 n 电动机数
8、据的输入 如上述，要实现矢量控制功能，必须根据电动机自身的参数进行一系列等效变换的计算 。而进行计算的最基本条件，是必须尽可能多地了解电动机的各项数据。因此，把电动机 铭牌上的额定数据以及定、转子的参数输入给变频器，就是实现矢量控制的必要条件。 n 参数包括：定子电阻，转子电阻，定子漏抗，转子漏抗，主电抗 ，IGBT的通态电压等参 数。电机磁化曲线 (1) 自动检测功能 从上面所举例子可以看出，进行矢量控制时，所需数据中的相当部分，一般用户是很难 得到的。这给矢量控制的应用带来了困难。对此，当代的许多变频器都已经配置了自动检 测电动机参数的功能。但检测的具体方法，各种变频器不尽相同。 自动检测
9、功能的英语名称是auto-tuning, 故有的变频器直译为“自动调谐”功能, 也有的称 之为“自学习”功能。 19 无编码器的矢量控制 n 无反馈矢量控制模式与有反馈矢量控制模式 根据在实行矢量控制时，是否需要转速反馈的特点，而有无反馈和有反馈矢量控制之分 。 无反馈矢量控制是根据测量到的电流、电压和磁通等数据，简接地计算出当前的转速，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，故动态响应能力稍差。 20 带编码器的矢量控制 。有反馈矢量控制则必须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。与无反馈矢
10、量控制模式相比，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 21 有速度(位置)传感器和无速度(位置)传感器系统 n 在矢量控制和直接力矩控制系统开发的初期都要求在电机 轴上装设编码器，测取速度(位置)信号，有些场合安装编码器困 难，所以又开发了无速度传感器系统。无速度传感器系统现在 是热门话题，方法很多，但真正用于工业产品的都基于同样原 理-电压、电流模型法。 22 举例说明 n有的公司宣称它的无速度传感器矢量控制系统在静止 时也能产生满力矩，这话没错，但也有宣传成分。因 为在静止时，速度为零是已知的，不需辨识，但一转 起来，长期低速运行就不行了。 nMM440变频器P273
11、 23 图解 n P376 UF n P377无PG矢量（SLVC） n P378(VC) 24 开环闭环转矩模式 25 转矩控制的特点 26 矢量控制应用要点 n 矢量控制的应用要点 (1) 应用矢量控制的注意点 由于矢量控制必须根据电动机的参数进行一系列的演算，因此，其使用范围必将受到一 些限制。 (a) 电动机的容量 电动机的容量应尽可能与变频器说明书中标明的“配用电动机容量”相符，最多低一个档次 。 例如，变频器的“配用电动机容量”为45kW，电动机的下一档容量为37kW。则该变频器只 能在配接45kW或37kW的电动机时，矢量控制功能是有效的。 (b) 电动机的磁极数 以2p=4(4
12、极电动机)为最佳，要注意说明书中对磁极数的规定。 (c) 电动机的型号 以生产变频器的同一家公司生产的标准电动机或变频调速专用电动机为最佳，一般的通用 电动机也都可用。但特殊电动机(如高转差电动机等)则不能用。 (d) 电动机的台数 矢量控制只适用于一台变频器控制一台电动机的场合。 27 矢量控制优缺点 n 矢量控制的主要优点 低频转矩大 即使运行在1Hz(或0.5Hz)时, 也能产生足够大的转矩,且不会产生在V/F控制方式中容易遇 到的磁路饱和现象。 机械特性好 在整个频率调节范围内，都具有较硬的机械特性，所有机械特性基本上都是平行的。 动态响应好 尤其是有转速反馈的矢量控制方式，其动态响应
13、时间一般都能小于100ms。 n 矢量控制的主要缺点 1、完全依赖于精确的电机模型 2、矢量控制中结构复杂、计算量大、对参数变化敏感 28 直接转矩控制DTC n 大家看一下西门子关于VC和直接转矩控制的描述 n 和矢量控制相比直接转矩控制具有结构简单，转矩响应速度快、对参数变化 鲁棒性强的优点 .控制结构简单、控制信号处理的物理概念明确、系统的转 矩响应迅速且无超调，是一种具有高静、动态性能的交流调速控制方式 n 传统的直接转矩控制技术的主要问题是低速时转矩脉动大。了降低或消除低 速时的转矩脉动，提高转速、转矩控制精度，扩大直接转矩控制系统的调速 范围，近些年来提出了许多新型的直接转矩控制系统。虽然这些新型直接转 矩控制技术在不同程度上改善了调速系统的低速性能，但是其低速性能还是 不能达到矢量控制的水平 n 鲁棒性（robustness）就是系统的健壮性。它是在异常和危险情况下系统生 存的关键
