1、本 期 策 划Survey综 述 20 自动化博览 2 0 0 7 年1 2 月刊 李方园（1 9 7 3 ） 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。 摘要：根据不同的变频控制理论，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V C 的一种） 、闭环矢量控制方式（即有速度传感器矢量控 制V C 的一种） 、转矩控制方式（矢量控制V C 或直接转矩控制D T C ）等。这 些控制方式在变频器通电运行前必须首先设置。
2、 本文主要阐述的就是变频器 的这几种控制方式。 关键词：变频器 ； 控制方式 ； 矢量控制 ； 直接转矩控制 Abstract: According to the different AC inverters control principles, the control method can be divided into four kinds, including V/f control , sensorless VC control , closed-loop VC contrl and torque control. For these control methods , the us
3、ers should set them after the power on of AC inverte. Then AC inverter can run in condition. This paper will describe the control methods setting. keywords:AC inverter; control method; vector control; DTC control 通常意义上讲的低压变频器，其输出电压一般为 2 2 0 6 5 0 V 、输出功率为 0 . 2 4 0 0 k W 、工作频率为 0 8 0 0 H z 左右， 变频器的主
4、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（V C ）模式 （3 ） 直接转矩控制（D T C ）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 V C 的一种） 、 闭环矢量控制方式（即有速度传感器矢量控制V C 的一种） 、转 矩控制方式（矢量控制 V C 或直接转矩控制 D T C ）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
5、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f x 时，U x 的表达式为U x / f x = 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 变频器的控制功能 第1 讲 变频器的控制方式（上） 李方园 A C I n v e t e r s C o n t r o l F u n c t i o n 本 期 策 划Survey综 述 2 0 0 7 年1 2 月刊 自动化博览 21 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
6、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 f b 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 5 0 H z或 6 0 H z 。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 V m a x表示。 当电动机的运行频率超过基本运行频率f b 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 C P
7、U 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 E V 2 0 0 0变频器有三种特定曲线 （图 2 a ） ，曲线1
8、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 P o w e r F l e x 4 0 0 变频器有 4 种定义的曲线（如图 2 b ） ，其定义 的方式是在电动机额定频率一半（即 5 0 F N）时的输出电压 是电动机额定电压的 3 0 时（即 3 0 V N）为曲线 1 ，3 5 VN 为曲线 2 ，4 0 V N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。 图2 预定义V / f 曲线 a
9、 ) 艾默生E V 2 0 0 0 b ) A B P o w e F l e x 4 0 0 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。 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
10、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（F 1 ，V 1 ） 、 （F 2 ，V 2 ） 、 （F 3 ，V 3 ） ， 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 1 . 3 V / f 曲线转矩补偿 变频器在启动或极低速运行时
11、，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 转矩补偿 图 4 中，V 0表示手动转矩提升电压、V m a x 表示最大输出 电压、f 0表示转矩提升的截止频率、fb表示基本运行频率。 对于 V 0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 V 0 值； （2 ）当电动机容量小于
12、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 V 0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 V 0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 本 期 策 划Survey综 述 22 自动化博览 2 0 0 7 年1 2 月刊 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 f 0，在有些变频器中是固定的频率值，如 A B B A C S 5 5 0 变频器 f 0 2 0 H z 、罗克韦尔A B P o w
13、e r F l e x 4 0 0 变频器 f 0 2 5 H z ；有些变频器是可以设置的，如艾默生 E V 2 0 0 0 变频器 f 0 0 5 0 % 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 V 0在 0 2 0 %或 3 0 U m a x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
14、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 9 0 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
15、冲信号输出即可与变频器的 P G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2 0 0 0 个方波时，每一个方波周期表示为3 6 0 / 2 0 0 0 ，其 最大的响应频率达到 1 0 0 k H z 左右。 图 5 所示为旋转编码器 P G 与变频器V F 组成的闭环V / f 控 制。图 5 a 中，P S + / P S - 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 ) P G 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 闭环V / f 控制为了获得良好的
16、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 5 b 所示为参数设置情况。 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P 0 2 值，然后，在无振动范围内减小设定 I 0 2 值。监视变频器的输出电流，并且确认达到变频器额定电 流 5 0 以下的输出电流，超过 5 0 时，请减小 P 0 2 值，增大 I 0 2 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P 0 1 值， 然后，在无振动范围内减小设定 I 0 1 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P 0 1 值，增大I 0 1 值，停止时发生 下冲超调，请减小 P 0 2 值，增大 I 0 2 值。 带 P G 闭环 V / f 控制系统要注意以下几点： （1 ）一般编码 器为 5 3 6 V 工作电源，因此必须要选用合适的 P G 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
