变频器的原理及矢量控制的应用
设备部
李国栋
摘要：本文介绍了变频器基本原理。并从实际应用出发，介绍了变频器的各种应用模式。对变频器矢量控制模式的控制特点、电机参数的自学习，实际生产中的应用做了较祥细的论述。
变频器是电力电子技术，微电子技术，电机控制理论及自动控制技术高度发展的产物。如今，交流变频调速逐渐成为电气传动的主流，主要用于控制异步电动机的转速和转矩，不仅扩大了电动机的转速调节范围，使电动机转速能够从零速到高于额定转速的范围内变化，而且具有动态响应，工作效率高，输出特性好，使用方便等其它调速方案所无法比拟的特长。加上交流电动机对环境适应性强，维修简单，价格低，容易实现高速大容量的优势，使得以前直流电动机占主要地位的调速传动领域，正逐渐被交流电动机变频调速所取代。本文通过对变频器原理和变频器矢量控制原理的阐述，使大家从理论上对变频器的矢量控制有一个比较全面的认识。并结合自身的工作实践，描述分析了变频器矢量控制在实际生产中的应用，提高大家对变频器矢量控制特点的认识。
一、 变频器的基本原理 60ƒ1 交流电动机的转速表达式n= （1-SP ）9 (1-s) n 转速r/min ƒ1 定子供电频率Hz P 磁极对数 S 转差率
由上式可以归纳出交流电动机的3种调整方法：改变极对数P调整，改变转差率S调速和改变电源频率调速。改变磁极对数调速是有级的调速，转速不能连续调节。变转差率调速时，不调同步转速（即不改变电源频率）而是通过调节定子电压U1,转子电阻R2或采用电磁离合器来实现，存在着低速时，转差损耗较大，效率低的缺点。变频调速采用调节同步转速（即改变三相异步电动机的电源频率），可以由高速到低速保持有限的转差率，效率高，调速范围宽，精度高，是三相异步电动机比较理想的调速方案。
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实际应用中，变频器采用了调压调频技术，即在改变输出频率的同时改变输出电压。因为单纯的改变输出电压的频率，并不能正常调速。三相交流电机的转矩公式
Te =CmφmI2COSφTe：电磁转矩 Cm：转矩常数 φm：主磁通量(Wb)
I2:转子电流折算到定子侧的有交值（A） COSφ2:转子电路的功率因数
U1 而三相交流电机的主磁通φm≈ U1 定子相电压 v ƒ1 定子相电压频率 Hz N1 定子每相绕组串联的匝数 K 绕组系数
由上式可见，如果只改变ƒ1调速，当ƒ1上升，φm 下降，则拖动转矩Te下降，这样电动机的拖动能力会降低，对于恒转矩负载会因拖不动而堵转。如果调节ƒ1下降，则φm上升，又会引起主磁通饱和，励磁电流会急剧升高，使定子绕组电流严重增加，大于额定电流。这两种情况，在实际运行中都是不允许的。由此可知，只改变频率，实际上并不能正常调速。
变频器在调节输出电压频率ƒ1的同时，调节输出电压U1 的大小，通过U1和ƒ1配合实现不同类型的调频调压调速。
（一） 保持U1/ƒ1等于常数的，近似恒磁通(即恒转矩）的控制方式
U1
由于主磁通φm≈ 4.44 ƒ1N1K
在调节ƒ1时，比例调节U1，可以近似实现在频率ƒ1改变时，φm为常数即基本不变，实现近似恒转矩的控制方式，但电动机的最大拖动转矩
2
3PU1n
Tem= 2
4πƒ1n（R1/a+ R1/a +X1n ）
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1
1
2
4.44ƒ1N1K ƒ1n 额定频率 R1 定子每相电阻 X1n 定子每相—漏感抗
a 调频倍数，a=ƒ1/ƒ1n (实际频率与额定频率的比值)
从上式可知，定子绕级电压频率越低，则调频倍数a越小，所能形成的最大电磁转矩越小；定子绕组电压频率越高，则调频倍数a值越大，产生的电磁转矩也越大。也就是说U1/ƒ1等于常数的调频调压调速，并不是真正的恒转矩（恒磁通调速），低频低速时，由于在定子绕组电阻上产生的压降比例上升，用于形成主磁通的电压不足，造成主磁通φm下降，使最大拖动转矩明显不足，转差率明显增大；在高频调速时，调频倍数a接近1，定子绕组电源电压主要用于形成主磁通，定子绕组电阻上的压降可以忽略不计，最大转矩近似不变。实际应用中，采用变频器的V/ƒ即压频控制方式，在恒转矩负载时如果监视电机在不同频率下的输出转速，会发现频率高时，转差率小，而在低频时，转差率明显增大。 （二）保持Pm等于常数的恒功率控制方式和机械特性
近似或严格的恒磁通控制方式，都要在调节频率ƒ1的同时，相应地调节输出电压U1进行调速，当调速达到额定工作点时，ƒ1=ƒ1n,且U1= U1m 。如果在额定工作点以后继续向上调，因为电源电压的和电动机允许工作电压的，也不能再跟随频率向上调节变频器的输出电压。因此，在额定工作点以后只能向上调频，不能向上调压，电压必须保持额定值不变，主磁通因电压频率ƒ1上升而下降，相应的电磁转矩下降。
电机功率P等于转矩与转速的乘积，随转速上升，转矩下降，出现近似的恒功率的状态。
2
二、变频调速系统的矢量控制
20世纪70年代初，德国学者Blaschhle等人首先提出了矢量控制变换这种控制思想。矢量控制成功的解决了交流电动机电磁转矩的有效控制，使异步电动机可以像他励直流电机那样控制，实现优良的动、静态调速特性，实现交流电动机高性能控制，因此矢量控制又称为解耦控制或矢量变换控制。发展趋势表明，矢量控制将淘汰标量控制，成为交流电动机传动系统的工业标准控制技术。
（一） 矢量控制的概念
从产生同样的旋转磁场为准则，在三相坐标系上的定子交流电流iA iB iC通过三相/
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两相变换，可以等效成两相静止坐标系上的交流电流iα iβ，再通过同步旋转变换，可以等效成同步旋转坐标系上的直流电流im 和it。
iα it 三相两同步旋等效直 相变换 转变换 流电动 iβ im B ipI 3/2 VR 机模型 A C
从整体上看，输入为A、B、C三相电压,输出为转速ω，是一台异步电动机。从内部看，经过3/2变换和同步旋转变换，变成一台由im和it输入，ω输出的直流电动机。既然异步电动机经过坐标变换可以等效成直流电动机，那么模仿直流电动机的控制策略，得到直流电动机的控制量，经过相应的坐标反变换，就能够控制异步电动机了。由于进行坐标变换的是电流（代表磁通）的空间矢量，所以这样通过坐标变换实现的控制系统叫作矢量控制系统。 3/2 电流 ω
给定 控 制 器 it VR im， iα 变 换 ’’’ iβiA 控制 iA 3/2 变频 变 iB 器 iB 换 Iα VR iβ 等效 it 直流 电动 机模 型 im ω
I iC iC W1 反馈信号
（二）矢量控制时，异步电动机数学模型参数的获得
矢量控制是基于电动机多项静态和动态参数，经过复杂算法运算得到的高精度动态控制。这些参数在V/ƒ控制即电压频率控制中是涉及不到的，并且大部分的电动机的说明书中都没能提供。三相异步电动机除电动机铭牌上提供的额定参数外，矢量控制所必须的电动机参数有： 转子的时间常数或磁化时间，祛磁时间，定子线间电阻，电缆电阻，转子电阻，定子漏感，转子漏感，主电感等。做为一般用户，这些参数是很难得到的，为此矢量控制变频器都设计了变频器自学习电动机参数的功能。不进行自学习，变频器不能获得矢控制所必须的参数，
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也就不能启动矢量控制功能。
当变频器与电动机安装完毕，二者之间完成接线。把电动机与其所驱动的设备或负载脱开。在向变频器输入电动机额定参数和基控制参数后，可选择矢量控制模式，再按变频器菜单提示启动变频器的自学习功能。这时变频器向电动机输出不同电压和不同时间长度的三相电流，可以在电动机完全不转或稍有转动的情况下，计算矢量控制所需的电动机参数。所经历时间从几十秒到1—5分钟不等，总之要保证变频器获得全部必须参数。
在做变频器对三相异步电动机的自学习时要保证电动机与负载脱开，最好是电机单体状态。实际条件不允许时，电动机与减速机联接但已脱开减速机负载的情况下，也能完成自学习，并能实现设备带载运行时的矢量控制。但要注意，自学习时电机是可能旋转的，要防止因引造成伤害。
（三）、矢量控制的特点
同V/ƒ压频控制相比，矢量控制有如下优点：
1、对于给定值改变和负载改变有很短的上升时间，有较好的控制性能。 2、实现极低速时的平滑运行和高力矩高精度的速度和力矩控制。 3、在零速时可输出全部停车转矩。
根据矢量控制时，是否采用脉冲编码器（PG）反馈电动机转速，矢量控制可分为带编码器PG矢量控制和无编码器矢量控制。与压频控制特性对比如下表：
无PG 速度控制范围 速度控制精度 起动力矩
三、 变频器矢量控制的应用
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矢量控制 带PG 1：1000 ±0．02% Or/min时150% 无PG 1：40 ±2-3% 3H8时150% V/ƒ控制 带PG 1：40 ±2-3% 3H8时150% 1：100 ±0．2% 1H2时150% 交流变频器调速系统正在以其体积小，重量轻，通用性强，保护功能完善，可靠性高，操作简便等优点，广泛应用于传送带，挤压机，提升机及风机泵类等负载。变频器传动产品的高精度控制及高效节能特性在冶金、制浆、造纸、石化、空调制冷、供水、建材、印刷及纺织等很多领域也都获得了广泛应用。 （一）变频器传动常见的负载特性
变频器和电动机的型号取决于应用对象的负载特性，即负载要求的速度范围和转矩。不同负载具有不同的速度，转矩特性。
1、恒转矩：如果在整个频率调节范围内，驱动对象都需要恒定的转矩，输出的功率与转速成正比。例如皮带运输机、压缩机。
2、恒功率：功率一定，转矩与转速成反比。如卷扬机，平面加工车床，回转式切割机。 3、变转矩或递减转矩：转矩随转速降低而减少，如泵类风机等流体负荷。水泵的轴功率与转速的立方成正比，转矩与转速的平方成正比。
变频器控制输出电压的频率和大小，根据负载需要可能实现的控制特性有： 1、 线性特性的V/ƒ压频控制：近似恒转矩，但低频控制精度低。
2、平方特性的V/ƒ压频控制：可以产生平方转矩特性，适于离心式风机和离心水泵。 3、可编程的V/ƒ压频特性：可由用户定义控制特性，实现根据转速改变相应转矩。 4、无编码器矢量控制，可以在整个变速范围内提供优良的控制特性：（1）高性能的转矩特性；（2）对冲击负载具有快速响应特性；（3）可保持较高的速度精度。
5、带编码器矢量控制：可以提供简易伺服驱动和高精度速度控制，在OHz时仍保持较高的输出转矩。
（二）变频器矢量控制的应用案例
某生产线，由三条带式传送设备组成。前端的是铺装预压机，中部是板坯运输给料机，后部是压制成型机。这三部分由不同的厂家制造，也配套了不同的变频器驱动系统。
1、铺装预压机采用OMRON 3G3RV—B4450 45KW变频器。控制方式为无传感器矢量控制，频率给定是：由压制成型机提供的4-20mA模拟量信号为主，再叠加手动微调电位器0-10V模拟量信号为辅的方式。电动机为普通45KW三相异步电动机。电动机采用多根三角带驱动摆线
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针轮减速机，经减速机降速后再驱动铺装皮带。
2、板坯运输给料机由西门子MICROMASTER440 7.5KW变频器驱动。频率给定由压制成型机提供4—20A模拟量信号。电动机与蜗轮蜗杆式减速机采用刚性联轴器联接，减速机输出轴与驱动辊也采用刚性联轴器联接，设备到安装现场时，已经成套组装完毕。变频器的控制方式拟采用无传感器矢量控制。在做变频器对电动机的自学习时，因为电动机没有与减速机脱开，减速机又驱动着传送皮带，电机驱动的负载较大而导致自学习失败。如果要脱开电机与减速机的联接又较因难。于是该变频器就改用了V/ƒ压频控制。
3、压制成型机由西门子MICROMASTER440 75KW变频器驱动，电动机为75KW 4极变频调速电机，采用三角皮带驱动摆线针轮减速机。变频器的频率给定机：PLC提供的4-20mA模拟量信号为主，再加以手动微调电位器给定的0-10V模拟量信号为辅助信号。为提高速度控制精度，采用无传感器矢量控制模式，拆下电动机皮带轮上的三角皮带，变频器对电动机单体进行自学习。完成自学习后，矢量控制模式自动投入。
该生产线工作流程大致情况是：施胶混合后的物料进入铺装成型机的铺装室内，经铺装机按先表层后芯层再表层的顺序，把不同粒度的物料，在铺装皮带上按先细料后粗料再细料的粒度分层，平铺形成原始板坯。由铺装皮带输送进入预压区，由预压辊对原始坯初次加压，使其厚度下降，密度上升，形成初步强度。预压后板坯脱离铺装皮带进入板坯运输皮带，再经板坯运输给料机输送进入压制成型机。板坯在压制成型机中受到高压和加热，达到最终要求的密度和强度，成型板从压制成型机引出后经在线切载，形成要求长度尺寸的成品板。
在板坯的成型输送过程中，要求三条运输带保持完全一致的的线速度。否则，将会导致板坯断裂或打褶，都无法形成合格板坯。所以在速度控制上，一方面尽量采用无传感器矢量控制，提高速度控制精度。另一方面采用相同的4-20mA模拟量作为频率给定,实现速度的同步提高和降低。考虑到三条传送带间可能存在的微小速度差别，就把板坯带速度为基准，给铺装带和压制成型带加装了就地速度微调，在较小范围内修正运行速度使三条传送带达到完全同步。
经过无料试运行，对各带速度进行监控，对控制参数进行调整优化，实现了三条传送带速度的同步上升和下降，并可微调到完全同步。给料试验，能够保证板坯的正常运行，无开
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裂和打褶。从电器控制角度看，系统是合理实用的。
在试生产过程中，发现了板坯运输机蜗轮蜗杆减速机发热严重，磨损迅速，存在选型不当的情况。经与减速机厂家沟通后，换用齿轮蜗轮联合式减速机。速比和电动机极数都发生了变化。经过计算后，对板坯运输机变频器参数进行了重新设置，但仍使用了V/ƒ压频控制模式之后进行无料试运行，发现板坯带速度同步提升能力差，低速时低于同步速度，高速时高于同步速度。为捕捉同步运行，因此扩大了铺装机和成型机微制速度的范围。经手动微调，可以捕捉到三条带的同步点。给料试车后，发现板坯运输带速度同步性能变得更差。低速时，严重低于同步转速，高速时又明显高于同步转速，无法实现三条带速度的同步提升，板坯不是开裂就打褶，并且微调也无法在低速到高速范围内全都捕捉到同步。这种情况根本无法实现生产。
针对这一情况，调试人员又对更换前后的电机减速机总成进行了参数对比。发现原机电机为6极，960转/分的额定转速，减速机速比为63；新机电极为4极，1450转/分的额定转速，减速机速比为32.60 。这样，在相同的减速机输出轴转速情况下，原机电机转速是新机电机的转速的2.9倍。也就是说，达到相同的皮带运行速度时，新机要输入比原机低2.9倍的频率。由此发现，新电机减速机总成在生产所需运行速度范围内，运行在较低的频率范围。当变频器采用V/ƒ压频控制模式，在低端频率时，转差率明显上升；随输出频率上升，转差率又下降。最高工作转速时转差率与最低工作转速时转差率相差十分明显，无法实现高精度要求的同步调速要求。鉴于这种情况，是必须采用矢量控制才能满足运行要求。于是，把新电动机从减速机上拆下，对变频器运行模式进行更改，采用无传感器矢量控制。变频器对电动机进行了单体自学习，自学习成功后，无传感器矢量控制模式自动投入。
进行无物料试运行和有料生产运行，三条传送带的速度同步性很好，微调电位器时调速范围很小即可满足要求。进行连续生产，整个系统稳定可靠，达到设计要求。
这个变频器的应用案例表明：根据生产装置的特点，合理应用变频器的无传感器矢量控制即可实现较高精度的速度控制。尤其在低频时，可实现高性能的转矩特性。传统的V/ƒ压频控制，无法实现低端频率时恒转矩的稳定输出，转差率明显增大，实现不了高精度的速度控制。
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U1 参考文献：
[1] 宋书中 常晓玲 《交流调速系统》 机械工业出版社 2007年7月第2版 [2] 莫正康 《半导体变流技术》 机械工业出版 2007年一月第2版
[3]上海电器科学研究所 《中小型电机设计手册》 机械工业出版社 1995年7月第一版
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