今日头条
官方微信
官方抖音
资讯频道
由图1中可以看出，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。 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。 1.3 V/f曲线转矩补偿
李方园（1973 －）
男， 籍贯浙江舟山，毕业于浙江大学电气自动化专业，高级工程师，长期从事于变频器等现代工控产品的应用与研究工作。
通常意义上讲的低压变频器，其输出电压一般为220～650V、输出功率为0.2～400kW、工作频率为0～800Hz左右，变频器的主电路采用交－直－交电路。根据不同的变频控制理论，其模式主要有以下三种：
（1） V/f=C的正弦脉宽调制模式
（2） 矢量控制（VC）模式
（3） 直接转矩控制（DTC）模式
针对以上三种控制模式理论，可以发展为几种不同的变频器控制方式，即V/f控制方式（包括开环V/f控制和闭环V/f控制）、无速度传感器矢量控制方式（矢量控制VC的一种）、闭环矢量控制方式（即有速度传感器矢量控制VC的一种）、转矩控制方式（矢量控制VC或直接转矩控制DTC）等。这些控制方式在变频器通电运行前必须首先设置。
1 V/f控制方式
1.1 基本概念
众所周知，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”。图中所示就是变频器的基本运行V/f曲线。
图1 基本运行V/f曲线
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。
1.2 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3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。
a)艾默生EV2000 b)AB PoweFlex 400
图2 预定义V/f曲线
以三段折线设定为例（如图3），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曲线是可以任意设定，但是一旦数值设定不当，就会造成意外故障。如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。
图3 用户自定义V/f曲线
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。 闭环V/f控制为了获得良好的速度控制性能，还必须设置比例增益P值和积分时间I值，图5b所示为参数设置情况。 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。 从上面已经知道，参数辨识分电动机静止辨识和旋转辨识2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（图9a）。具体调节的影响情况如下：（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；（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。
图4 转矩补偿
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；（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；（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，如手动设置允许用户V0在0－20%或30％Umax之间任意设定，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。
1.4 闭环V/f控制
闭环V/f控制就是在V/f控制方式下，设置转速反馈环节。测速装置可以是旋转编码器，也可以是光电开关，安装方式比较自由，既可以安装在电动机轴上，也可以安装在其他相关联的位置。同样，通常所说的不带转速反馈的V/f控制，也称之为开环V/f控制。
闭环V/f控制选用速度反馈信号可以选用一相或者二相信号，一相信号如接近开关或是旋转编码器的A相和B相之一。旋转编码器是一种测量旋转角度的测量器件，它集机、光、电技术于一体，通过光电转换，将角位移转换成相应的电脉冲或数字信号输出。旋转编码器通常采用两个相位差90度的方波编码方式，其旋转方向由两个波形的相位差决定。旋转编码器有很多种型号，通常的速度反馈则选用增量型编码器，电动机的运动速度由一定时间内编码器所产生的脉冲信号决定。脉冲信号输出即可与变频器的PG接口相连接，就可以得到测量。编码器的精度由旋转一周产生方波数决定，当旋转一周可产生2000个方波时，每一个方波周期表示为360°/2000，其最大的响应频率达到100kHz左右。
图5所示为旋转编码器PG与变频器VF组成的闭环V/f控制。图5a中，PS+/PS-为编码器的工作电源，A+信号为A相信号或B相信号，本控制方式采用一相反馈。
a)PG接口示意
b)速度增益曲线
图5 闭环V/f控制接线图和速度增益示意
其调整参数必须遵循以下原则：第一，最低输出频率的增益调整。请用最低输出频率控制电动机运行，在此状态下，在无振动的范围内增大P02值，然后，在无振动范围内减小设定I02值。监视变频器的输出电流，并且确认达到变频器额定电流50％以下的输出电流，超过50％时，请减小P02值，增大I02值。第二，最高输出频率的调整。请用最高输出频率控制电动机运行，在此状态下，在无振动的范围内增大设定P01值，然后，在无振动范围内减小设定I01值。第三，增益的微调。在增益更细微调整时，可以边观察速度波形边微调。在加速完成时发生上冲超调，请减小P01值，增大I01值，停止时发生下冲超调，请减小P02值，增大I02值。
带PG闭环V/f控制系统要注意以下几点：（1）一般编码器为5～36V工作电源，因此必须要选用合适的PG接口电源，确保编码器正常工作；（2）编码器的工作方式有许多种，包括集电极开路、推挽式和线驱动，集电极开路还分NPN或PNP，因此必须在选配合适PG接口的基础上，还必须选用正确的接线方式和跳线方式（NPN或PNP方式）；（3）编码器与变频器的距离一般以不超过100米为宜，必须采用屏蔽和抗干扰处理；（4）闭环V/f控制多用于简易速度控制，且安装位置可以不在电动机轴端，因此在参数设置上必须加以区别，设定转速计算值必须折算到电动机侧；（5）转速的设定和反馈一般都以转/分（rpm）为单位，一般而言设定值在面板上可以数字输入，若是用模拟信号作为给定量时，模拟给定最大值对应于电动机的同步转速。
2 无速度传感器矢量控制方式
2.1 基本概念
在高性能的异步电动机矢量控制系统中，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；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，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，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
2.2 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（单位转/分）；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。
从图7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）。
图7 异步电动机稳态等效电路
2.3 速度调节器ASR
速度调节器ASR的结构如图所示，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。
图8 速度调节器简化框图
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。
（a）
（b）
（c）
图9 速度调节器ASR的阶跃响应与PI参数的关系
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
2.4 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：（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；（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；（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。
参考文献
[1] 李方园. 变频器行业应用实践[M].北京:中国电力出版社,2006.5.
[2] 李方园.变频器自动化工程实践[M].北京:电子工业出版社,2007.4
[3]张燕宾,胡纲衡,唐瑞球.使用变频调速技术培训教程[M].北京:机械工业出版社,2004.8.
[4]吴忠智,吴加林.变频器应用手册（第2版）[M].北京: 机械工业出版社,2003.4.
[5]吴忠智,黄立培,吴加林.调速用变频器及配套设备选用指南[M].北京:机械工业出版社,2002.4.
北京市公安局海淀分局备案号：11010802023656号