轉矩控制 向量控制和VF控制解析

2023-01-13 03:18:03 字數 5833 閱讀 4228

文中變頻器是:藍海華騰

變轉矩就是負載轉矩隨電機轉速增大而增大,是非線性變化的,如風機水幫浦,轉矩就是負載轉矩不隨電機轉速增大而增大,一般是相對於恒功率控制而言。如皮帶運輸機提公升機等機械負載。

1. vf控制就是變頻器輸出頻率與輸出電壓比值為恆定值或正比。例如:

50hz時輸出電壓為380v,25hz時輸出電壓為190v即恆磁通控制;轉矩不可控,系統只是乙個以轉速物理量做閉環的單閉環控制系統,他只能控制電機的轉速。

根據電機原理可知,三相非同步電機定子每相電動勢的有效值:e1=4.44f1n1φm式中:

e1--定子每相由氣隙磁通感應的電動勢的有效值,v;f1--定子頻率,hz;n1——定子每相繞組有效匝數;φm-每極磁通量由式中可以看出,φm的值由e1/f1決定,但由於e1難以直接控制,所以在電動勢較高時,可忽略定子漏阻抗壓降,而用定子相電壓u1代替。那麼要保證φm不變,只要u1/f1始終為一定值即可。

在額定轉速一下調速時,希望保持電機中每極磁通量未額定值,如果磁通下降,則非同步電機的電磁轉矩將會減少,這樣在基速以下調速時就會失去調速系統的恆轉矩機械特性,這是基頻以下調時速的基本情況,因此需要恆壓頻比(恆磁通)控制方式,屬於恆轉矩調速。

基準頻率為恆轉矩調速區的最高頻率,基準頻率所對應的電壓為即為基準電壓,是恆轉矩調速區的最高電壓,在基頻以下調速時,電壓會隨頻率而變化,但兩者的比值不變。在基頻以上調速時,頻率從基頻向上可以調至上限頻率值,但是由於電機定子不能超過電機額定電壓,因此電壓不再隨頻率變化,而保持基準電壓值不變,這時電機主磁通必須隨頻率公升高而減弱,轉矩相應減小,功率基本保持不變,屬於恆功率調速區。

2. 向量控制,把輸出電流分勵磁和轉矩電流並分別控制,轉矩可控,系統是乙個以轉矩做內環,轉速做外環的雙閉環控制系統。它既可以控制電機的轉速,也可以控制電機的扭矩。

向量控制時的速度控制(asr)通過操作轉矩指令,使得速度指令和速度檢出值(pg的反饋或速度推定值)的偏差值為0。帶pg的v/f控制時的速度控制通過操作輸出頻率,使得速度指令和速度檢出值(pg的反饋或速度推定值)的偏差值為0。

向量控制原理是模仿直流電動機的控制原理,根據非同步電動機的動態數學模型,利用一系列座標變換把定子電流向量分解為勵磁分量和轉矩分量,對電機的轉矩電流分量和勵磁分量分別進行控制,在轉子磁場定向後實現磁場和轉矩的解耦,從而達到控制非同步電動機轉矩的目的,使非同步電機得到接近他勵直流電機的控制效能。

具體做法是將非同步電動機的定子電流向量分解為產生磁場的電流分量(勵磁電流)和產生轉矩的電流分量(轉矩電流)分別加以控制,並同時控制兩分量間的幅值和相位,即控制定子電流向量,所以稱這種控制方式稱為向量控制方式。

向量控制分有速度感測器向量控制和無速度感測器向量控制兩種,前者精度高後者精度低。向量控制系統的無速度感測器執行方式,首先必須解決電機轉速和轉子磁鏈位置角的**辨識問題。常用的方法有基於檢測定子電流訊號的辨識方法,有同時使用電流檢測訊號和電壓檢測訊號的辨識方法,還有根據電流檢測訊號和逆變器的開關控制訊號重構電壓訊號的方法。

基於藍海華騰變頻器v6-h說明書作以上說明

1. v/f控制方式

變頻器採用v/f控制方式時,對電機引數依賴不大,一般強調「空載電流」的大小。由於我們採用向量化的v/f控制方式,故做電機引數靜止自整定還是有必要的。不同功率段的變頻器,自學習後的空載電流佔額定電流大小百分比也是不同的。

一般有如下百分比資料:5.5kw~15kw,空載電流p9.

05的值為30%~50%的電機額定電流;3.7kw及以下的,空載電流p9.05的值為50%左右的電機額定電流;特殊情況時,0.

4kw、0.75kw、1.5kw,空載電流p9.

05的值為70%~80%的電機額定電流;有的0.75kw功率段,引數自整定後空載電流為電機額定電流的90%。空載電流很大,勵磁也越大。

何為向量化的v/f控制方式,就是在v/f控制時也將輸入電流量進行解耦控制,使控制更加精確。

變頻器輸出電流包括兩個值:空載電流和力矩電流,輸出電流i的值為空栽電流im和力矩電流it平方和後開2次方。故空載電流是影響變頻器輸出電流的主要因素之一。

v/f控制時輸出電壓與執行頻率之比為一定值:即u/f=k(k為常數),p0.12=最大輸出電壓u,p0.15=基頻f。

上圖中有個公式,描述轉矩、轉速、功率之間的關係。變頻器在基頻以下執行時,隨著速度增快,可以輸出恆定的轉矩,速度增大不會影響轉矩的輸出;變頻器在基頻以上執行時,只能保證輸出額定的功率,隨著轉速增大,變頻器不能很好的輸出足夠大的力;有時候變頻器速度更快,高速執行時,處於弱磁區,我們必須設定相應的引數,以便讓變頻器適應弱磁環境。

速度與出力,高速或者低速時,兩者不可兼得,這裡有個資料概念:調速範圍,指滿足額定轉矩出力的最低頻率與最高頻率的比值。以前一般的vf控制方式除錯範圍為1:

20~1:40,我司產品v/f控制調速範圍可以達到1:100,能夠滿足更多範圍的行業應用。

在開環向量時可以達到1:200,閉環向量時達到1:1000,接近伺服的效能。

變頻器v/f控制系統執行時,有兩種方式進行轉矩的提公升:

1)、自動轉矩提公升:

必須在p0.16=0且p4.00=0時,自動轉矩提公升才有效。

其作用為:變頻器v/f控制低頻執行時,提高輸出電壓,抵消定子壓降以產生足夠的轉矩,保證電機正常執行。自動轉矩提公升與變頻器設定「空載電流」和靜止學習的「定子電阻」有關係,變頻器必須作電機引數靜止自整定,才能更好的控制電機執行。

變頻器作自動轉矩提公升控制電機時,見上圖所示輸出電壓和頻率的線性關係,執行中因為負載變化對電壓輸出作適當的增減,由於響應時間的快慢,所以會出現出力不穩定因素。

2)、手動轉矩提公升

設定p0.16為某一數值時,或者設定p4.00為非零時,手動轉矩提公升才有效。

手動轉矩提公升只與變頻器設定「空載電流」有關係,受電機其他引數設定影響較小。如下圖所示,為手動轉矩提公升曲線圖。變頻器輸出作手動轉矩提公升,其轉矩出力在原來基礎上成線性增加,所以出力穩定,不受負載變化的影響,出力穩定。

但是轉矩提公升不益太大,轉矩提公升的幅度應根據負載情況適當設定,提公升過多,在啟動過程中將產生較大的電流衝擊。

自動轉矩提公升只能滿足一拖一的輸出情況,當涉及一台變頻器拖動多台電機時,v/f控制時必須採用手動轉矩提公升,即設定p0.16為非0值。

v/f控制時的有關效能引數除錯:

pa.02為v/f控制轉差補償增益,設定此引數時,可以參考電機額定轉速p9.02來設定引數。

該功能有助於變頻器在負載波動及過載情況下保持電機轉速恆定,即補償由於負載波動而導致的電機轉速增減,但是由於補償本身的響應時間問題,導致系統出現不穩定因素增多,在系統波動較大的情況下,此功能碼設定為0有一定效果。

pa.04、pa.05為電流限定功能,由於瞬時負載過大而導致系統沒法正常執行,可以適當增大pa.05限定值。

v/f控制涉及到以上注意要點和關鍵功能碼。

2.向量控制方式

變頻器作向量控制時,對電機引數的依賴很大,所以必須對電機作旋**整定,引數自整定前,必須設定正確的電機機型引數,完全脫開電機負載。

pd.01、pd.02、pd.03、pd.04、pd.05、pd.15、pd.16引數說明:

下圖所示為速度環比例增益與積分時間、電流環比例係數與積分係數調節。pd.01~pd.

05為速度環比例增益與積分時間調節引數,設定pd.05=5hz,當電機執行頻率大於5hz的時候,pd.01、pd.

02調節引數起作用;當電機執行頻率小於5hz的時候,pd.03、pd.04調節引數起作用。

執行引數輸出t與比例增益p成正比,與積分時間i成反比,所以pd.01~pd.04四組引數,p設定越大,i設定越小,那麼t就越大,變頻器控制電機動態響應就越快,此時速度環輸入頻率與反饋頻率一旦有頻率差,系統就響應迅速。

但是響應太快了會導致電機出現**非常厲害。

舉例:某現場,pd.01和pd.

03為出廠值2或3,此兩引數設定在5hz上下時的比例增益p。開始除錯,進行引數自學習,作向量控制,設定p0.03=4,點執行,此時電機震動非常厲害,電流很大,執行根本不正常。

後來設定pd.01=1和pd.03=1,然後再執行電機,執行很穩定,無任何異常情況。

這裡我們讓動態響應變慢了,那麼系統響應慢些了,頻率及電流輸出就穩定些了。但是除錯基本原則是,「在系統無**的前提下」,響應越快越好,也就是pd.01和pd.

03越大,pd.02和pd.04越小,響應就越快,越好。

因為實時跟蹤反饋的速度,然後作出頻率及電流、轉矩輸出調整,這是開環向量型變頻器控制出力穩定性的基本要求。

一般小功率的變頻器帶電機場合,需要適當減小pd.01和pd.03,增大pd.02和pd.04,這樣更能適應現場的除錯工作,當然是根據具體情況來調節資料,不能一概而論。

pd.15和pd.16為電流環比例係數和積分係數。下圖所示電流環調節過程。在電流環調整時,比例係數p、積分係數i越大,對系統作用越強。一般此兩引數不作更改。

舉例:1)、某現場測試,變頻器帶一台電機空載,作旋**學習以後,向量控制,點執行。電機平穩執行著,只是電機內部會發出嗡嗡的聲音,感覺電機軸在內部遇到什麼阻礙,象棉花塞著了一樣,我們觀察電機輸出空載電流,比通常情況電流輸出要高一些,系統不會有大的抖動和震動,就只出現上面文字說明的情況,也不嚴重,但是就是與正常情況有點區別。

後來我們更改pd.15和pd.16引數由1000變成400,然後再執行電機,此時有明顯效果,電流偏小了,與正常執行電流一致了,也沒有嗡嗡的聲響了。

此時我們調節引數把電流環作用減弱了,響應不是那麼快了,然後能滿足此電機的正常執行。

2)、當現場控制需要高速執行,超過基頻50hz(舉例),那麼電機進入弱磁場區域,存在系統**,那麼此時可以把pd.16由1000減小為0,讓電流環積分增益i作用為0,此時,弱磁區高速執行就不存在問題了,系統執行穩定無**。

pd.08、pd.09引數說明:

此兩個引數分別對驅動轉矩和制動轉矩進行限定,值越大,那麼變頻器啟動瞬間輸出的瞬間轉矩力就越大,vf控制和向量控制時加減速響應時間越快。

pd.14引數說明:

此功能設定欲激磁時間,欲激磁是在電機啟動前事先建立起磁通,以達到電機啟動時快速響應的目的。當有執行指令時,先按本功能碼設定的時間進入欲激磁狀態,磁通建立起來後,再進入正常的加速執行。

在不影響加速的情況下,此引數設定的越長,那麼電機起動出力越好。我們出廠值設定為0.3s,有些電機可以設定為0,不需要預激磁。

在實際除錯過程中,適當增加點預激磁時間,對控制電機有一定的效果。

pd.17、pd.18

此兩個引數分別設定電機在電動、發電時的轉差補償。除錯此兩個引數時,需要與p9.02、p0.

15作配合除錯。pd.17在向量開環、向量閉環、電動狀態時有效,比如工具機加速可除錯此引數。

pd.18在向量開環、向量閉環、發電(制動)時有效,比如工具機減速可除錯此引數。

pd.21、pd.22、pd.23、pd.24

此四組引數在閉環向量控制時設定相關的引數。

pd.25、pd.26、pd.27

在閉環向量控制時實現零伺服功能。

pd.33

該引數對恆功率區的轉矩限定進行補償。改變該引數可以優化變頻器執行在恆功率區的加減速時間和輸出轉矩。

舉例:在工具機開環向量除錯時,工具機要求速度到3000到4000轉每分鐘,但是除錯時速度只能達到3000轉,然後速度就上不去了,並且速度會緩緩降下來。我們把pd.

33由40減為0後,速度很容易就上去了,無任何問題出現。

向量控制涉及到以上注意要點和關鍵功能碼。

3.轉矩控制方式

pd.15、pd.16

在轉矩控制時,速度環比例增益和積分時間pd.01~pd.05無效;電流環比例係數和積分係數pd.15、pd.16有效,但是很少調此兩個引數。

pd.28、pd.29、pd.30、pd.31、pd.32

此五組功能碼僅在轉矩控制模式下有效。pd.28是靜摩擦補償係數,當系統在轉矩控制模式下,為了克服系統零速執行時或啟動時的靜摩擦力,可以設定靜摩擦補償係數,以提供給系統預設的轉矩提公升量。

當系統執行起來後,執行時存在摩擦力減少變頻器輸出的轉矩量,可以設定pd.29減少該摩擦力對變頻器輸出轉矩的影響。pd.

30、pd.31、pd.32為轉動慣量補償係數,在系統加減速時,除錯此引數有一定的效果。

VF控制和向量控制的區別

我是做變頻器開發的一線人員,有過完整的針對三相非同步電機和永磁同步電機變頻器開發經歷,產品也在市場上賣,學歷方面,在國內正規學校拿到了電機工程的博士學位 無炫耀之意,只是說明在這個領域比較熟悉 陳伯實老先生的書基本翻爛過,也和陳老先生同桌吃過飯。看到討論比較熱烈,也來發個言,談談對變頻器vf控制 向...

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