變頻器基本控制模式

變頻器基本控制模式第1頁(yè)，共28頁(yè)，2023年，2月20日，星期一內(nèi)容1、U/F控制2、矢量控制3、直接轉(zhuǎn)矩控制第2頁(yè)，共28頁(yè)，2023年，2月20日，星期一U/F控制的特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：控制電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本較低，機(jī)械特性硬度也較好，能夠滿足一般傳動(dòng)的平滑調(diào)速要求，已在產(chǎn)業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。缺點(diǎn)：1、這種控制方式在低頻時(shí)，由于輸出電壓較低，轉(zhuǎn)矩受定子電阻壓降的影響比較顯著，使輸出最大轉(zhuǎn)矩減小。2、其機(jī)械特性終究沒(méi)有直流電動(dòng)機(jī)硬，動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩能力和靜態(tài)調(diào)速性能都還不盡如人意，且系統(tǒng)性能不高、控制曲線會(huì)隨負(fù)載的變化而變化，轉(zhuǎn)矩響應(yīng)慢、電機(jī)轉(zhuǎn)矩利用率不高，低速時(shí)因定子電阻和逆變器死區(qū)效應(yīng)的存在而性能下降，穩(wěn)定性變差等。應(yīng)用范圍：可以滿足大部分對(duì)調(diào)速響應(yīng)動(dòng)態(tài)性能要求不高的場(chǎng)合，如風(fēng)機(jī)，水泵負(fù)載第3頁(yè)，共28頁(yè)，2023年，2月20日，星期一電磁轉(zhuǎn)矩

T：轉(zhuǎn)子中各載流導(dǎo)體在旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的作用下,受到電磁力所形成的轉(zhuǎn)距之總和。常數(shù)每極磁通轉(zhuǎn)子電流轉(zhuǎn)子電路的U/F控制理論依據(jù)第4頁(yè)，共28頁(yè)，2023年，2月20日，星期一磁通量須恒定Φ↓→TM=KTI2ΦMCOSφ2↓Φ↑→磁路飽和→勵(lì)磁電流畸變，產(chǎn)生尖峰電流磁通量Φ↑磁路飽和電流增大磁通量Φ↓電機(jī)轉(zhuǎn)矩TM下降為了保證給定的電流產(chǎn)生一個(gè)最大可能轉(zhuǎn)矩，電機(jī)必須工作在盡可能大的一個(gè)恒定磁通第5頁(yè)，共28頁(yè)，2023年，2月20日，星期一U/F=常數(shù)三相異步電動(dòng)機(jī)的每相電動(dòng)勢(shì)的有效值為

故要保持Φ恒定，只要變頻又變壓第6頁(yè)，共28頁(yè)，2023年，2月20日，星期一低速轉(zhuǎn)矩下降對(duì)于低輸出頻率，V/f特性僅能輸出一個(gè)低電壓。即使在低頻，定子繞組電阻也可忽略不計(jì)。對(duì)于實(shí)現(xiàn)以下目的其輸出電壓可能太低1、實(shí)現(xiàn)異步電機(jī)的勵(lì)磁2、保持負(fù)載電流3、在系統(tǒng)中補(bǔ)償損耗(在繞組電阻中的歐姆損耗)U1下降→I1r1在U1中的比例增大第7頁(yè)，共28頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

低頻電壓補(bǔ)償圖3-26

電壓補(bǔ)償原理第8頁(yè)，共28頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

△U的大小隨負(fù)載電流而變化

U/F的比值只能設(shè)定一次；所以負(fù)載變動(dòng)時(shí)不能始終工作在最佳狀態(tài)，即輕載時(shí)磁路易飽和。電壓補(bǔ)償?shù)奶匦缘?頁(yè)，共28頁(yè)，2023年，2月20日，星期一滑差補(bǔ)償負(fù)載從M1增加到M2參看附圖時(shí)由于存在滑差電動(dòng)機(jī)的速度頻率由f1降為f2在負(fù)載增加時(shí)變頻器可以稍許增加其輸出頻率對(duì)頻率的降低進(jìn)行補(bǔ)償變頻器對(duì)其輸出電流進(jìn)行檢測(cè)并根據(jù)電流的大小增加輸出頻率對(duì)預(yù)期的滑差加以補(bǔ)償?shù)?0頁(yè)，共28頁(yè)，2023年，2月20日，星期一U/F控制曲線第11頁(yè)，共28頁(yè)，2023年，2月20日，星期一矢量控制直流電動(dòng)機(jī)控制第12頁(yè)，共28頁(yè)，2023年，2月20日，星期一矢量控制描述矢量控制實(shí)現(xiàn)的基本原理是通過(guò)測(cè)量和控制異步電動(dòng)機(jī)定子電流矢量，根據(jù)磁場(chǎng)定向原理分別對(duì)異步電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流和轉(zhuǎn)矩電流進(jìn)行控制，從而達(dá)到控制異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的目的。具體是將異步電動(dòng)機(jī)的定子電流矢量分解為產(chǎn)生磁場(chǎng)的電流分量(勵(lì)磁電流)和產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的電流分量(轉(zhuǎn)矩電流)分別加以控制，并同時(shí)控制兩分量間的幅值和相位，即控制定子電流矢量，所以稱這種控制方式稱為矢量控制方式。矢量控制方式又有基于轉(zhuǎn)差頻率控制的矢量控制方式、無(wú)速度傳感器矢量控制方式和有速度傳感器的矢量控制方式等。第13頁(yè)，共28頁(yè)，2023年，2月20日，星期一基本構(gòu)思第14頁(yè)，共28頁(yè)，2023年，2月20日，星期一基于轉(zhuǎn)差頻率控制的矢量控制方式基于轉(zhuǎn)差頻率控制的矢量控制方式同樣是在進(jìn)行u/f＝恒定控制的基礎(chǔ)上，通過(guò)檢測(cè)異步電動(dòng)機(jī)的實(shí)際速度n，并得到對(duì)應(yīng)的控制頻率f，然后根據(jù)希望得到的轉(zhuǎn)矩，分別控制定子電流矢量及兩個(gè)分量間的相位，對(duì)通用變頻器的輸出頻率f進(jìn)行控制的。基于轉(zhuǎn)差頻率控制的矢量控制方式的最大特點(diǎn)是，可以消除動(dòng)態(tài)過(guò)程中轉(zhuǎn)矩電流的波動(dòng)，從而提高了通用變頻器的動(dòng)態(tài)性能。早期的矢量控制通用變頻器基本上都是采用的基于轉(zhuǎn)差頻率控制的矢量控制方式。第15頁(yè)，共28頁(yè)，2023年，2月20日，星期一無(wú)速度傳感器的矢量控制方式無(wú)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(lái)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，并由此得到了所謂的無(wú)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)，按照轉(zhuǎn)矩計(jì)算公式分別對(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(guò)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。第16頁(yè)，共28頁(yè)，2023年，2月20日，星期一矢量控制參數(shù)要求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)相匹配，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)，有的通用變頻器在使用時(shí)需要準(zhǔn)確地輸入異步電動(dòng)機(jī)的參數(shù)，有的通用變頻器需要使用速度傳感器和編碼器，并需使用廠商指定的變頻器專用電動(dòng)機(jī)進(jìn)行控制，否則難以達(dá)到理想的控制效果。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)檢測(cè)、自動(dòng)辨識(shí)、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)行辨識(shí)，并根據(jù)辨識(shí)結(jié)果調(diào)整控制算法中的有關(guān)參數(shù)，從而對(duì)普通的異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行有效的矢量控制。第17頁(yè)，共28頁(yè)，2023年，2月20日，星期一矢量控制自學(xué)習(xí)的概念電動(dòng)機(jī)數(shù)據(jù)的輸入

如上述，要實(shí)現(xiàn)矢量控制功能，必須根據(jù)電動(dòng)機(jī)自身的參數(shù)進(jìn)行一系列等效變換的計(jì)算。而進(jìn)行計(jì)算的最基本條件，是必須盡可能多地了解電動(dòng)機(jī)的各項(xiàng)數(shù)據(jù)。因此，把電動(dòng)機(jī)銘牌上的額定數(shù)據(jù)以及定、轉(zhuǎn)子的參數(shù)輸入給變頻器，就是實(shí)現(xiàn)矢量控制的必要條件。參數(shù)包括：定子電阻，轉(zhuǎn)子電阻，定子漏抗，轉(zhuǎn)子漏抗，主電抗，IGBT的通態(tài)電壓等參數(shù)。電機(jī)磁化曲線

(1)自動(dòng)檢測(cè)功能

從上面所舉例子可以看出，進(jìn)行矢量控制時(shí)，所需數(shù)據(jù)中的相當(dāng)部分，一般用戶是很難得到的。這給矢量控制的應(yīng)用帶來(lái)了困難。對(duì)此，當(dāng)代的許多變頻器都已經(jīng)配置了自動(dòng)檢測(cè)電動(dòng)機(jī)參數(shù)的功能。但檢測(cè)的具體方法，各種變頻器不盡相同。

自動(dòng)檢測(cè)功能的英語(yǔ)名稱是auto-tuning,故有的變頻器直譯為“自動(dòng)調(diào)諧”功能,也有的稱之為“自學(xué)習(xí)”功能。

第18頁(yè)，共28頁(yè)，2023年，2月20日，星期一無(wú)編碼器的矢量控制無(wú)反饋矢量控制模式與有反饋矢量控制模式

根據(jù)在實(shí)行矢量控制時(shí)，是否需要轉(zhuǎn)速反饋的特點(diǎn)，而有無(wú)反饋和有反饋矢量控制之分。

無(wú)反饋矢量控制是根據(jù)測(cè)量到的電流、電壓和磁通等數(shù)據(jù)，簡(jiǎn)接地計(jì)算出當(dāng)前的轉(zhuǎn)速，并進(jìn)行必要的修正，從而在不同頻率下運(yùn)行時(shí)，得到較硬機(jī)械特性的控制模式。由于計(jì)算量較大，故動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力稍差。

第19頁(yè)，共28頁(yè)，2023年，2月20日，星期一帶編碼器的矢量控制

。有反饋矢量控制則必須在電動(dòng)機(jī)輸出軸上增加轉(zhuǎn)速反饋環(huán)節(jié)。由于轉(zhuǎn)速大小直接由速度傳感器測(cè)量得到，既準(zhǔn)確、又迅速。與無(wú)反饋矢量控制模式相比，具有機(jī)械特性更硬、頻率調(diào)節(jié)范圍更大、動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)第20頁(yè)，共28頁(yè)，2023年，2月20日，星期一有速度(位置)傳感器和無(wú)速度(位置)傳感器系統(tǒng)

在矢量控制和直接力矩控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的初期都要求在電機(jī)軸上裝設(shè)編碼器，測(cè)取速度(位置)信號(hào)，有些場(chǎng)合安裝編碼器困難，所以又開(kāi)發(fā)了無(wú)速度傳感器系統(tǒng)。無(wú)速度傳感器系統(tǒng)現(xiàn)在是熱門(mén)話題，方法很多，但真正用于工業(yè)產(chǎn)品的都基于同樣原理--電壓、電流模型法。第21頁(yè)，共28頁(yè)，2023年，2月20日，星期一舉例說(shuō)明有的公司宣稱它的無(wú)速度傳感器矢量控制系統(tǒng)在靜止時(shí)也能產(chǎn)生滿力矩，這話沒(méi)錯(cuò)，但也有宣傳成分。因?yàn)樵陟o止時(shí)，速度為零是已知的，不需辨識(shí)，但一轉(zhuǎn)起來(lái)，長(zhǎng)期低速運(yùn)行就不行了。MM440變頻器P273第22頁(yè)，共28頁(yè)，2023年，2月20日，星期一圖解P376UFP377無(wú)PG矢量（SLVC）P378(VC)第23頁(yè)，共28頁(yè)，2023年，2月20日，星期一開(kāi)環(huán)閉環(huán)轉(zhuǎn)矩模式

第24頁(yè)，共28頁(yè)，2023年，2月20日，星期一轉(zhuǎn)矩控制的特點(diǎn)第25頁(yè)，共28頁(yè)，2023年，2月20日，星期一矢量控制應(yīng)用要點(diǎn)矢量控制的應(yīng)用要點(diǎn)

(1)應(yīng)用矢量控制的注意點(diǎn)

由于矢量控制必須根據(jù)電動(dòng)機(jī)的參數(shù)進(jìn)行一系列的演算，因此，其使用范圍必將受到一些限制。

(a)電動(dòng)機(jī)的容量

電動(dòng)機(jī)的容量應(yīng)盡可能與變頻器說(shuō)明書(shū)中標(biāo)明的“配用電動(dòng)機(jī)容量”相符，最多低一個(gè)檔次。

例如，變頻器的“配用電動(dòng)機(jī)容量”為45kW，電動(dòng)機(jī)的下一檔容量為37kW。則該變頻器只能在配接45kW或37kW的電動(dòng)機(jī)時(shí)，矢量控制功能是有效的。

(b)電動(dòng)機(jī)的磁極數(shù)

以2p=4(4極電動(dòng)機(jī))為最佳，要注意說(shuō)明書(shū)中對(duì)磁極數(shù)的規(guī)定。

(c)電動(dòng)機(jī)的型號(hào)

以生產(chǎn)變頻器的同一家公司生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)電動(dòng)機(jī)或變頻調(diào)速專用電動(dòng)機(jī)為最佳，一般的通用電動(dòng)機(jī)也都可用。但特殊電動(dòng)機(jī)(如高轉(zhuǎn)差電動(dòng)機(jī)等)則不能用。

(d)電動(dòng)機(jī)的臺(tái)數(shù)

矢量控制只適用于一臺(tái)變頻器控制一臺(tái)電動(dòng)機(jī)的場(chǎng)合。第26頁(yè)，共28頁(yè)，2023年，2月20日，星期一矢量控制優(yōu)缺點(diǎn)矢量控制的主要優(yōu)點(diǎn)

·低頻轉(zhuǎn)矩大

即使運(yùn)行在1Hz(或0.5Hz)時(shí),也能產(chǎn)生足夠大的轉(zhuǎn)矩,且不會(huì)產(chǎn)生在V/F控制方式中容易遇到的磁路飽和現(xiàn)象。

·機(jī)械特性好

在整個(gè)頻率調(diào)節(jié)范圍內(nèi)，都具有較硬的機(jī)械特性，所有機(jī)械特性基本上都是平行的。

·動(dòng)態(tài)響應(yīng)好

尤其是有轉(zhuǎn)速反饋的矢量控制方式，其動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間一般都能小于100ms。矢量控制的主要缺點(diǎn)·

1、完全依賴于精確的電機(jī)模型2、矢量控制中結(jié)構(gòu)復(fù)雜、計(jì)算量大、對(duì)參數(shù)變化敏感第27頁(yè)，共28頁(yè)，2023年，2月20日，星期一直接轉(zhuǎn)矩控制DTC大家看一下西門(mén)子關(guān)于VC和直接轉(zhuǎn)矩控制的描述和矢量控制相比直接轉(zhuǎn)矩控制具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，轉(zhuǎn)矩響應(yīng)速度快、對(duì)參數(shù)變化魯棒性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn).控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制信號(hào)處理的物理概念明確、系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)迅