變頻器功能概述

變頻器的功能設(shè)置概述(二)ThesummarizationofACinveter’sfunctionsetting第1講變頻器的控制方式(下)(一2)浙江工商職業(yè)技術(shù)學(xué)院李方園LiFangyuan(接上期)4有速度傳感器矢量控制方式1基本概念有速度傳感器的矢量控制方式，主要用于高精度的速度控制、轉(zhuǎn)矩控制、簡單伺服控制等對控制性能要求嚴(yán)格的使用場合。在該方式下采用的速度傳感器一般是旋轉(zhuǎn)編碼器，并安裝在被控電動機的軸端，而不是象閉環(huán)V/f控制安裝編碼器或接近開關(guān)那樣隨意。在很多時候，為了描述上的方便，也把有速度傳感器的矢量控制方式稱為閉環(huán)矢量控制或有PG反饋矢量控制，本文為了不與運行方式中的PID閉環(huán)控制相混淆，以及與無速度傳感器矢量控制相對應(yīng)，基本采用“有速度傳感器矢量控制方式”這種稱呼。有速度傳感器矢量控制方式的變頻調(diào)速是一種理想的控制方式，它有許多優(yōu)點：可以從零轉(zhuǎn)速起進行速度控制，即使低速亦能運行，因此調(diào)速范圍很寬廣，可達1000:1;可以對轉(zhuǎn)矩實行精確控制；系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)速度甚快；電動機的加速度特性很好等優(yōu)點。(可以從零轉(zhuǎn)速起進行速度控制，即使低速亦能運行，因此調(diào)速范圍很寬廣，可達1000:1;可以對轉(zhuǎn)矩實行精確控制；系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)速度甚快；電動機的加速度特性很好等優(yōu)點。(2)(3)(4)2編碼器PG接線與參數(shù)矢量變頻器與編碼器PG之間的連接方式，必須與編碼器PG的型號相對應(yīng)。一般而言，編碼器PG型號分差動輸出、集電極開路輸出和推挽輸出三種，其信號的傳遞方式必須考慮到變頻器PG卡的接口，因此選擇合適的PG卡型號或者設(shè)置合理的跳線至關(guān)重要。前者的典型代表是安川VSG7變頻器，后者的典型代表為艾默生TD3000變頻器。以安川VSG7變頻器為例，其用于帶速度傳感器矢量控制方式安裝的PG卡類型主要有兩種：PG-B2卡，含A/B相脈沖輸入，對應(yīng)補碼輸出，如圖1所示。PG-X2卡，含A/B/Z相脈沖輸入，對應(yīng)線驅(qū)動，如圖2所示。B相脈沖監(jiān)視輸出電源+B相脈沖監(jiān)視輸出電源+12Vf~\O-電源0VA相脈沖輸入(+)O"A相脈沖輸人.(一)oO"B相脈沖輸入(+)B相脈沖輸A(-)IA相脈沖監(jiān)視輸出圖1PG-B2卡與編碼器接線圖電源+12V電源0V申.源電源+12V電源0V申.源+5VA相脈沖輸入（+）'相脈沖輸入（項5B相脈沖輸入（―）出00?！碠}a相脈沖監(jiān)視輸出OO}入相脈沖監(jiān)視輸出OOO}2相脈沖監(jiān)視輸出B相脈沖輸入（+）圖2PG-X2卡與編碼器接線圖艾默生TD3000變頻器的PG卡是統(tǒng)一配置的，最高輸入頻率為120kHz,它與不同的編碼器PG接線時，只需注意接線方式和跳線CN4。當(dāng)跳線CN4位于DI側(cè)時，可以選擇編碼器信號由A+、A—、B+、B一差動輸出（如圖3所示）或者A+、B+推挽輸出（如圖5所示）；當(dāng)跳線CN4位于OCI側(cè)時，可以選擇編碼器信號由A—、B一開路集電極輸出（如圖4所示）。擇編碼器信號由A—、B一開路集電極輸出（如圖4所示）。圖3差動輸出編碼器接線圖TD3000接口板集電極開路輸出編碼器（加上虛線部分為電壓型輸出編碼器）接口電路與A相同圖4集電極開路輸出編碼器（加上虛線為電壓型輸出編碼器）接線圖圖5推挽輸出編碼器接線圖在變頻器的參數(shù)組中對于編碼器PG都有比較嚴(yán)格的定義，這些定義包括：（1） 編碼器PG每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)。此參數(shù)可以查看編碼器本身的技術(shù)指標(biāo)，單位為P/r。（2） 編碼器PG方向選擇。如果變頻器PG卡與編碼器PG接線次序代表的方向，和變頻器與電動機連接次序代表的方向匹配，設(shè)定值應(yīng)為正向，否則為反向。必須注意當(dāng)方向選擇錯誤時，變頻器將無法加速到你所需要的頻率，并報過流故障或編碼器反向故障。更改此參數(shù)可方便地調(diào)整接線方向的對應(yīng)關(guān)系，而無須重新接線。圖6中所示為安川VSG7變頻器的編碼器PG方向選擇示意。編碼器PG從輸入軸看時順時針方向CW旋轉(zhuǎn)時，為A相超前，另外，正轉(zhuǎn)指令輸出時，電動機從輸出側(cè)看時逆時針CCW旋轉(zhuǎn)。然而，一般的編碼器PG在電動機正轉(zhuǎn)時，安裝在負(fù)載側(cè)時為A相超前，安裝在與負(fù)載側(cè)相反時B相超前。正轉(zhuǎn)指令正轉(zhuǎn)時變頻器PG（編碼器）設(shè)定值為。時.正轉(zhuǎn)指令正轉(zhuǎn)時變頻器PG（編碼器）設(shè)定值為。時.A相超前設(shè)定值為1時，B相超前變頻器正轉(zhuǎn)指令時，電機輸出軸是逆時針方向旅轉(zhuǎn)（CCWJ圖6編碼器PG的方向選擇（3） 編碼器PG斷線動作。如果編碼器PG斷線（即PGO），變頻器將無法得到速度反饋值，將立即報警并輸出電壓被關(guān)閉，電動機自由滑行停車，在停車過程中，故障將無法復(fù)位，直到停機為止。（4） 編碼器PG斷線檢測時間。一般為10s以下，以確認(rèn)在此時間內(nèi)編碼器PG的斷線故障是否持續(xù)存在。（5） 零速檢測值。本參數(shù)是為了檢測編碼器PG斷線而定義的功能，當(dāng)設(shè)定頻率大于零速檢測值，而反饋速度小于零速檢測值，并且持續(xù)時間在編碼器PG斷線檢測時間參數(shù)以上，則變頻器確認(rèn)為編碼器PG斷線故障（PGO）成立。（6） 編碼器PG與電動機之間的齒輪齒數(shù)。本參數(shù)是為了適應(yīng)編碼器安裝在齒輪電動機上的情況，可設(shè)定齒輪齒數(shù)。由電動機轉(zhuǎn)速公式可以得出：電動機速度（r/min）=（從編碼器PG輸入的脈沖數(shù)X60）X（負(fù)載側(cè)齒輪齒數(shù)/電動機側(cè)齒輪齒數(shù)）/編碼器PG的每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)（7） 檢出電動機的過速度。電動機超過規(guī)定以上的轉(zhuǎn)速時，檢出故障。通常設(shè)定100%?120%的最大頻率為檢出過速度的基準(zhǔn)值，如果在預(yù)定的時間內(nèi)頻率持續(xù)超出該值，則定義為電動機過速度故障（OS）。如發(fā)生該故障，變頻器自由停車。檢出電動機和速度指令的速度差。我們定義電動機的實際速度和設(shè)定速度的差值為速度偏差，如果在一定的時間內(nèi)其速度偏差值持續(xù)超出某一范圍值(如10%時)，則檢出速度偏差過大(DEV)。如發(fā)生該故障，變頻器可以按照預(yù)先設(shè)定的故障停機方式停機。3 帶速度傳感器矢量控制與閉環(huán)V/f控制的區(qū)別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，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，主要一點在于前者是矢量控制，而后者屬于傳統(tǒng)的V/f控制。我們對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。矢量控制時的速度控制ASR是把速度指令和速度反饋信號進行差值比較，然后進行PI控制后，經(jīng)過一定的濾波時間，再經(jīng)過轉(zhuǎn)矩限定，輸出轉(zhuǎn)矩電流，進入轉(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。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控制還有以下幾點不同：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)。啟動轉(zhuǎn)矩不同。帶速度傳感器矢量控制的啟動轉(zhuǎn)矩可達到200%/0Hz，而閉環(huán)V/f控制則只有180%/0.5Hz。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，必須與電動機或者齒輪電動機的軸一致；而閉環(huán)V/f控制則可以安裝在傳動點的任意一個位置。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。編碼器斷線停機方式不一樣。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控制運行。5轉(zhuǎn)矩控制方式1基本概念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機相媲美，而且可以控制異步電動機產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩。2轉(zhuǎn)矩控制功能結(jié)構(gòu)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機速度相加，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，變頻器的輸出頻率自動跟蹤負(fù)載速度的變化，但輸出頻率的變化受設(shè)定的加速和減速時間影響，如需要加快跟蹤的速度，需要將加速和減速時間設(shè)得短一些。圖9轉(zhuǎn)矩控制功能框圖轉(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)矩方向與運行指令的方向(即正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn))無關(guān)。當(dāng)模擬量信號為0?10V時，為正轉(zhuǎn)矩，即電動機正轉(zhuǎn)方向的轉(zhuǎn)矩指令(從電動機的輸出軸看是逆時針轉(zhuǎn))；當(dāng)模擬量信號為一10V?0時，為負(fù)轉(zhuǎn)矩，即電動機反轉(zhuǎn)方向的轉(zhuǎn)矩指令(從電動機的輸出軸看是順時針轉(zhuǎn))。3轉(zhuǎn)矩控制和速度控制的切換由于轉(zhuǎn)矩控制時不能控制轉(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或停止的過渡過程中。當(dāng)拖動系統(tǒng)已經(jīng)起動后，仍應(yīng)切換成轉(zhuǎn)速控制方式，以便控制轉(zhuǎn)速。切換的時序圖如圖10所示。切換信號 灑 |一前―| |運行指令迎J 前控制模式I轉(zhuǎn)速控制|轉(zhuǎn)?控制|轉(zhuǎn)速控制|轉(zhuǎn)制控制|轉(zhuǎn)速控制〔減嗣薦I轉(zhuǎn)速信號 轉(zhuǎn)速指令|轉(zhuǎn)速限制|轉(zhuǎn)速指令|轉(zhuǎn)速限制轉(zhuǎn)矩信號 轉(zhuǎn)拒限制［轉(zhuǎn)矩指令［轉(zhuǎn)矩限制］轉(zhuǎn)拒指令 tl t2t3t4 t5圖10 轉(zhuǎn)矩控制和轉(zhuǎn)速控制的時序圖t1時段：變頻器發(fā)出運行指令時，如未得到切換信號，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，可以預(yù)置轉(zhuǎn)矩上限。t2時段：變頻器得到切換至轉(zhuǎn)矩控制的信號(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，必須預(yù)置轉(zhuǎn)速上限。t3時段：變頻器得到切換至轉(zhuǎn)速控制的信號，回到轉(zhuǎn)速控制模式。t4時段：變頻器再次得到切換至轉(zhuǎn)矩控制的信號，回到轉(zhuǎn)矩控制模式。t5時段：變頻器的運行指令結(jié)束，將在轉(zhuǎn)速控制模式下按預(yù)置的減速時間減速并停止。如果變頻器的運行指令在轉(zhuǎn)矩控制下結(jié)束，變頻器將自動轉(zhuǎn)為轉(zhuǎn)速控制模式，并按預(yù)置的減速時間減速并停止。5.4轉(zhuǎn)矩控制與限轉(zhuǎn)矩功能在轉(zhuǎn)矩控制中，經(jīng)常會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，F(xiàn)1、F2分別限制電動和制動狀態(tài)時輸出轉(zhuǎn)矩的大小。圖11轉(zhuǎn)矩限制功能圖再生制動狀態(tài)運行時，應(yīng)根據(jù)需要的制動轉(zhuǎn)矩適當(dāng)調(diào)整再生制動限定值F2,在要求大制動轉(zhuǎn)矩的場合，應(yīng)外接制動電阻或制動單元，否則可能會產(chǎn)生過壓故障。對于轉(zhuǎn)矩限制值，一般可以通過兩種方式進行設(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VSG7的L7-01到L7-04可以分別設(shè)定四個象限的轉(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信號對應(yīng)0-200%的轉(zhuǎn)矩限值。6DTC方式1基本概念直接轉(zhuǎn)矩控制也稱之為“直接自控制”，這種“直接自控制”的思想是以轉(zhuǎn)矩為中心來進行磁鏈、轉(zhuǎn)矩的綜合控制。和矢量控制不同，直接轉(zhuǎn)矩控制不采用解耦的方式，從而在算法上不存在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換，簡單地通過檢測電動機定子電壓和電流，借助瞬時空間矢量理論計算電動機的磁鏈和轉(zhuǎn)矩，并根據(jù)與給定值比較所得差值，實現(xiàn)磁鏈和轉(zhuǎn)矩的直接控制。直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)，是利用空間矢量、定子磁場定向的分析方法，直接在定子坐標(biāo)系下分析異步電動機的數(shù)學(xué)模型，計算與控制異步電動機的磁鏈和轉(zhuǎn)矩，采用離散的兩點式調(diào)節(jié)器（Band-Band控制），把轉(zhuǎn)矩檢測值與轉(zhuǎn)矩給定值作比較，使轉(zhuǎn)矩波動限制在一定的容差范圍內(nèi)，容差的大小由頻率調(diào)節(jié)器來控制，并產(chǎn)生PWM脈寬調(diào)制信號，直接對逆變器的開關(guān)狀態(tài)進行控制，以獲得高動態(tài)性能的轉(zhuǎn)矩輸出。它的控制效果不取決于異步電動機的數(shù)學(xué)模型是否能夠簡化，而是取決于轉(zhuǎn)矩的實際狀況，它不需要將交流電動機與直流電動機作比較、等效、轉(zhuǎn)化，即不需要模仿直流電動機的控制，由于它省掉了矢量變換方式的坐標(biāo)變換與計算和為解耦而簡化異步電動機數(shù)學(xué)模型，沒有通常的PWM脈寬調(diào)制信號發(fā)生器，所以它的控制結(jié)構(gòu)簡單、控制信號處理的物理概念明確、系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)迅速且無超調(diào)，是一種具有高靜、動態(tài)性能的交流調(diào)速控制方式。與矢量控制方式比較，直接轉(zhuǎn)矩控制磁場定向所用的是定子磁鏈，它采用離散的電壓狀態(tài)和六邊形磁鏈軌跡或近似圓形磁鏈軌跡的概念。只要知道定子電阻就可以把它觀測出來。而矢量控制磁場定向所用的是轉(zhuǎn)子磁鏈，觀測轉(zhuǎn)子磁鏈需要知道電動機轉(zhuǎn)子電阻和電感。因此直接轉(zhuǎn)矩控制大大減少了矢量控制技術(shù)中控制性能易受參數(shù)變化影響的問題。直接轉(zhuǎn)矩控制強調(diào)的是轉(zhuǎn)矩的直接控制與效果。與矢量控制方法不同，它不是通過控制電流、磁鏈等量來間接控制轉(zhuǎn)矩，而是把轉(zhuǎn)矩直接作為被控量，對轉(zhuǎn)矩的直接控制或直接控制轉(zhuǎn)矩，既直接又簡化。直接轉(zhuǎn)矩控制對交流傳動來說是一個優(yōu)秀的電動機控制方法，它可以對所有交流電動機的核心變量進行直接控制。它開發(fā)出交流傳動前所未有的能力并給所有的應(yīng)用提供了益處。在DTC中，定子磁通和轉(zhuǎn)矩被作為主要的控制變量。高速數(shù)字信號處理器與先進的電動機軟件模型相結(jié)合使電動機的狀態(tài)每秒鐘被更新40,000次。由于電動機狀態(tài)以及實際值和給定值的比較值被不斷地更新，逆變器的每一次開關(guān)狀態(tài)都是單獨確定的。這意味著傳動可以產(chǎn)生最佳的開關(guān)組合并對負(fù)載擾動和瞬時掉電等動態(tài)變化做出快速響應(yīng)。在DTC中不需要對電壓，頻率分別控制的PWM調(diào)制器。2DTC直接轉(zhuǎn)矩控制的速度控制性能ABB的ACS800能夠?qū)λ俣冗M行精確的控制，根據(jù)不同的速度精度可以選擇無脈沖編碼器和有脈沖編碼器兩種，下表1給出了在使用DTC直接轉(zhuǎn)矩控制時的典型速度性能指標(biāo)。表1直接轉(zhuǎn)矩控制速度性能指標(biāo)速度控制性能無脈沖編碼器有脈沖編碼器靜態(tài)速度誤差(nN%)±0.1到0.5%(額定滑差率的10%)±0.01%動態(tài)速度誤差0.4%sec0.1%sec其中動態(tài)速度誤差依賴于速度控制器的參數(shù)整定，圖12為動態(tài)速度響應(yīng)曲線。圖12DTC直接轉(zhuǎn)矩控制時的速度響應(yīng)曲線Tn:電動機額定轉(zhuǎn)矩nN:電動機額定速度氣溫實際速度nref:設(shè)定速度在參數(shù)組23中可以對速度控制器進行PID變量設(shè)定，速度控制器的原理見圖13a，該控制器包含了比例、微分、積分和微分加速度補償，其經(jīng)過PID作用后的輸出作為轉(zhuǎn)矩控制器的給定信號。圖13DTC直接轉(zhuǎn)矩控制a)DTC直接轉(zhuǎn)矩控制時的速度控制器b)DTC直接轉(zhuǎn)矩控制時的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)曲線TN：電動機額定轉(zhuǎn)矩Tref：設(shè)定轉(zhuǎn)矩丁心：實際轉(zhuǎn)矩速度控制器的參數(shù)內(nèi)容包括以下幾方面：增益參數(shù)：定義速度控制器的比例增益，如增益過大可能引起速度波動。積分時間參數(shù)：定義速度控制器的積分時間，即在偏差階躍信號下，控制器輸出信號的變化率。積分時間越短，連續(xù)偏差值的校正就越快，但是如果太短就會造成控制不穩(wěn)定。微分時間參數(shù)：定義速度控制器的微分時間，即在偏差值發(fā)生改變的情況下增加控制器的輸出。微分時間越長，在偏差改變的過程中，控制器的輸出速度就越快。微分作用使控制對擾動的敏感度增加。加速補償?shù)奈⒎謺r間：在加速過程中為了補償慣性，將給定變化量的微分加到速度控制器的輸出中。滑差增益：定義了電動機滑差補償控制的滑差增益，100%表示完全滑差補償、0%表示零滑差補償。速度控制器的參數(shù)值能在電動機辨識(與矢量控制的電動機辨識相同)整定期間進行自動調(diào)節(jié)，當(dāng)然