變頻器矢量控制的原理及應(yīng)用

高 偉 張 偉

(河南煤化精細(xì)化工有限公司，河南 鶴壁 458000)

近年來(lái)，隨著電力電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)的迅速發(fā)展，交流傳動(dòng)與控制技術(shù)成為目前發(fā)展最為迅速的技術(shù)之一，電氣傳動(dòng)技術(shù)面臨著一場(chǎng)歷史革命，及交流調(diào)速取代直流調(diào)速和計(jì)算機(jī)數(shù)字控制技術(shù)取代模擬控制技術(shù)已成為發(fā)展趨勢(shì)。電機(jī)交流變頻技術(shù)是當(dāng)今節(jié)電、改善工藝流程以提高產(chǎn)品質(zhì)量和改善環(huán)境、推動(dòng)技術(shù)進(jìn)步的一種主要手段。變頻調(diào)速以其優(yōu)異的調(diào)速和氣制動(dòng)性能，高效率、高功率因數(shù)和節(jié)電效果，廣泛的適用范圍及其他許多優(yōu)點(diǎn)而被國(guó)內(nèi)外公認(rèn)為最有發(fā)展前途的調(diào)速方式。

一 變頻調(diào)速系統(tǒng)的標(biāo)量控制

目前較為簡(jiǎn)單的一類變頻器是V/F控制(簡(jiǎn)稱標(biāo)量控制)，它就是一種電壓發(fā)生模式裝置，對(duì)調(diào)頻過(guò)程中的電壓進(jìn)行給定變化模式調(diào)節(jié)，常見(jiàn)的有線性V/F控制(用于恒轉(zhuǎn)矩)和平方V/F控制(用于風(fēng)機(jī)水泵變轉(zhuǎn)矩)。

標(biāo)量控制的弱點(diǎn)在于低頻轉(zhuǎn)矩不夠(需要轉(zhuǎn)矩提升)、速度穩(wěn)定性不好(調(diào)速范圍1∶10)，因此在重載設(shè)備使用過(guò)程中被逐步淘汰，而矢量控制的變頻器正逐步進(jìn)行推廣。

二 變頻調(diào)速系統(tǒng)的矢量控制

矢量控制成功的解決了交流電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩的有效控制，使異步電動(dòng)機(jī)可以像他勵(lì)直流電機(jī)那樣控制，實(shí)現(xiàn)優(yōu)良的動(dòng)、靜態(tài)調(diào)速特性，實(shí)現(xiàn)交流電動(dòng)機(jī)高性能控制，因此矢量控制又稱為解耦控制或矢量變換控制。發(fā)展趨勢(shì)表明，矢量控制將淘汰標(biāo)量控制，成為交流電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)控制技術(shù)。

(一)矢量控制的概念

從產(chǎn)生同樣的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)為準(zhǔn)則，在三相坐標(biāo)系上的定子交流電流iA iB iC通過(guò)三相/兩相變換，可以等效成兩相靜止坐標(biāo)系上的交流電流iαiβ，再通過(guò)同步旋轉(zhuǎn)變換，可以等效成同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系上的直流電流im和it。

輸入為A、B、C三相電壓，輸出為轉(zhuǎn)速ω，是一臺(tái)異步電動(dòng)機(jī)。經(jīng)過(guò)3/2變換和同步旋轉(zhuǎn)變換，變成一臺(tái)由im和it輸入，ω輸出的直流電動(dòng)機(jī)。既然異步電動(dòng)機(jī)經(jīng)過(guò)坐標(biāo)變換可以等效成直流電動(dòng)機(jī)，那么模仿直流電動(dòng)機(jī)的控制策略，得到直流電動(dòng)機(jī)的控制量，經(jīng)過(guò)相應(yīng)的坐標(biāo)反變換，就能夠控制異步電動(dòng)機(jī)了。由于進(jìn)行坐標(biāo)變換的是電流(代表磁通)的空間矢量，所以這樣通過(guò)坐標(biāo)變換實(shí)現(xiàn)的控制系統(tǒng)叫作矢量控制系統(tǒng)。

(二)矢量控制時(shí)，異步電動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型參數(shù)的獲得

矢量控制是基于電動(dòng)機(jī)多項(xiàng)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)參數(shù)，經(jīng)過(guò)復(fù)雜算法運(yùn)算得到的高精度動(dòng)態(tài)控制。這些參數(shù)在V/f控制即電壓頻率控制中是涉及不到的，并且大部分的電動(dòng)機(jī)的說(shuō)明書中都沒(méi)能提供。三相異步電動(dòng)機(jī)除電動(dòng)機(jī)銘牌上提供的額定參數(shù)外，矢量控制所必須的電動(dòng)機(jī)參數(shù)如下:

轉(zhuǎn)子的時(shí)間常數(shù)或磁化時(shí)間，祛磁時(shí)間，定子線間電阻，電纜電阻，轉(zhuǎn)子電阻，定子漏感，轉(zhuǎn)子漏感，主電感等。做為一般用戶，這些參數(shù)是很難得到的，為此矢量控制變頻器都設(shè)計(jì)了變頻器電機(jī)辨識(shí)運(yùn)行的功能。該參數(shù)控制著變頻器自校正的過(guò)程，稱為電機(jī)辨識(shí)運(yùn)行。在這個(gè)過(guò)程中，變頻器控制電機(jī)的運(yùn)行，創(chuàng)建電機(jī)模型，從而達(dá)到辨識(shí)電機(jī)特性，并優(yōu)化控制的目的。做法如下:

當(dāng)變頻器與電動(dòng)機(jī)安裝完畢，二者之間完成接線。把電動(dòng)機(jī)與其所驅(qū)動(dòng)的設(shè)備或負(fù)載脫開(kāi)。在向變頻器輸入電動(dòng)機(jī)額定參數(shù)和基控制參數(shù)后，可選擇矢量控制模式，再按變頻器菜單提示啟動(dòng)變頻器的電機(jī)辨識(shí)功能。這時(shí)變頻器向電動(dòng)機(jī)輸出不同電壓和不同時(shí)間長(zhǎng)度的三相電流，可以在電動(dòng)機(jī)完全不轉(zhuǎn)或稍有轉(zhuǎn)動(dòng)的情況下，計(jì)算矢量控制所需的電動(dòng)機(jī)參數(shù)。所經(jīng)歷時(shí)間從幾十秒到1—5分鐘不等，總之要保證變頻器獲得全部必須參數(shù)。

在做變頻器對(duì)三相異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行辨識(shí)時(shí)要保證電動(dòng)機(jī)與負(fù)載脫開(kāi)，最好是電機(jī)單體狀態(tài)。實(shí)際條件不允許時(shí)，電動(dòng)機(jī)與減速機(jī)聯(lián)接但已脫開(kāi)減速機(jī)負(fù)載的情況下，也能完成電機(jī)辨識(shí)，并能實(shí)現(xiàn)設(shè)備帶載運(yùn)行時(shí)的矢量控制。但要注意，電機(jī)辨識(shí)時(shí)電機(jī)是可能旋轉(zhuǎn)的，要防止因引造成傷害。

(三)矢量控制的特點(diǎn)

根據(jù)矢量控制時(shí)，是否采用脈沖編碼器(PG)反饋電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，矢量控制可分為帶編碼器PG矢量控制和無(wú)編碼器矢量控制。

矢量控制相對(duì)于標(biāo)量控制而言，其優(yōu)點(diǎn)有:對(duì)于給定值改變和負(fù)載改變有很短的上升時(shí)間，有較好的控制性能;實(shí)現(xiàn)極低速時(shí)的平滑運(yùn)行;適應(yīng)于重載運(yùn)行需要的大力矩;高精度的速度和力矩控制;在零速時(shí)可輸出全部停車轉(zhuǎn)矩。

當(dāng)然相對(duì)于標(biāo)量控制而言，矢量控制的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、計(jì)算煩瑣，而且必須存貯和頻繁地使用電動(dòng)機(jī)的參數(shù)。矢量控制分無(wú)速度傳感器和有速度傳感器兩種方式，區(qū)別在于后者具有更高的速度控制精度(萬(wàn)分之五)，而前者為千分之五，但是在數(shù)控車床中無(wú)速度傳感器的矢量變頻器的控制性能已經(jīng)符合控制要求，所以這里推薦并介紹無(wú)速度傳感器的矢量變頻器。

三 變頻器矢量控制的應(yīng)用

我公司有隔膜計(jì)量泵7臺(tái)，其運(yùn)行原理為管道進(jìn)出口處有兩個(gè)止回閥，電機(jī)帶動(dòng)連桿及活塞左右運(yùn)動(dòng)，并驅(qū)動(dòng)膜片，膜片由于拉伸處于凹、凸?fàn)顟B(tài)，每次按照一定的量打入管道中。采用變頻控制使得可以根據(jù)需要調(diào)節(jié)膜片運(yùn)動(dòng)的次數(shù)，轉(zhuǎn)速越高，膜片運(yùn)動(dòng)也快，量也就越大。此種運(yùn)行工況要求較大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，并且在吸入物料時(shí)需要的力矩較小，打出時(shí)需要的力矩較大，使得變頻器輸出電流波動(dòng)較大，最小10A左右，而最大可達(dá)37A左右。該計(jì)量泵最初采用 ABB ACS510 59A 30KW變頻器，控制方式為無(wú)傳感器矢量控制，頻率給定是:由DCS后臺(tái)提供的4-20mA模擬量信號(hào)，電動(dòng)機(jī)為普通22KW三相異步電動(dòng)機(jī)。在開(kāi)車初期變頻器經(jīng)常報(bào)過(guò)流，復(fù)位后依然報(bào)過(guò)流，設(shè)備無(wú)法正常運(yùn)轉(zhuǎn)。后查閱變頻器說(shuō)明書及相關(guān)資料，ABB510系列變頻器為標(biāo)量控制，主要用于風(fēng)機(jī)、水泵等輕載，轉(zhuǎn)矩要求恒定的設(shè)備，無(wú)法滿足隔膜計(jì)量泵的工藝要求。

針對(duì)上述情況，將 ABB 510系列變頻器升級(jí)為 ABB ACS550 59A矢量控制變頻器，并在電機(jī)安裝時(shí)進(jìn)行了電機(jī)辨識(shí)，采集了電機(jī)的參數(shù)。由于采用了矢量控制，能夠提供大的力矩，變頻器運(yùn)行在10A—37A之間，相對(duì)較穩(wěn)定，沒(méi)有再報(bào)“過(guò)流”故障。

這個(gè)變頻器的應(yīng)用案例表明，根據(jù)設(shè)備運(yùn)行工況的特點(diǎn)，合理選用變頻器即可實(shí)現(xiàn)較高精度的速度控制。