浅谈变频器U/f控制与矢量控制应用
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【摘 要】交流变频调速系统主要用于控制异步电动机的转速和转矩，具有动态响应好、工作效率高、输出特性好、使用方便等优点。本文主要介绍变频调速系统中常用的两种控制方式：U/f控制和矢量控制，并结合生产实际描述分析这两种控制模式在现场生产中的应用，提高大家对变频调速系统控制模式的认识。
【关键词】变频调速系统；U/f控制；矢量控制
1 变频调速系统U/f控制
1.1 U/f控制的概念
U/f控制即恒压频比控制方式，它是采用SPWM正弦脉宽调制技术控制半导体器件开通和关断，将直流电压转变为一定形状的电压脉冲序列，实现频率和电压的控制，在调节输出频率?的同时，调节输出电压U的大小，通过U和?配合实现不同类型的调频调压来进行调速。解决了只改变频率进行调速：频率上升时，主磁通下降，拖动转矩下降，电动机的拖动能力降低，对于恒转矩负载因拖不动而堵转；频率下降时，主磁通上升，引起主磁通饱和，励磁电流急剧升高，使通过定子绕组的电流大于定子绕组额定电流，电机发热严重。在变频调速中基频以下常采用U/f恒磁通（恒转矩）调速，基频以上调速由于变频器输出电压无法大于额定输入电压因此只能恒功率调速。
1.2 U/f控制特性及应用
U/f控制是变频调速系统应用最普遍的调速模式，它通过调节电机供电电源电压和频率来进行调速因此该调速系统的机械特性可平滑地上下移动，转差率不变，调速时有很高的运行效率，但在基频下U/f（等于常数）调速并不是真正的恒磁通（恒转矩）调速，当电机在低频、低速运行时，由于变频器输出电压成正比地下降，电机满负荷运行时定子绕组电阻上产生的压降在电机输入电压中占的比例增大，反电动势比例减小，用于形成主磁通的电压不足，造成主磁通下降，使拖动转矩不足，带负载能力下降。
应用U/f控制模式时，首先根据变频器所带负载的特性选用合适的U/f曲线，U/f曲线是描述变频器输出电压与频率关系的曲线，一般通用性变频器U/f曲线有：直线形U/f曲线（适用于恒转矩负载如传送带），1.5次形U/f曲线（适用于风机，泵类变转矩性负载）及自定义形U/f曲线；其次根据设备在生产过程中是否需要低速满负荷运行来考虑是否采用适量补偿输出电压即是否设置变频器转矩提升量。正确预置转矩提升量十分重要，预置太小，可能电机磁通不足，电机输出转矩过小而无法带动设备运转，预置太大，又可能在电机轻载时引起电机磁路饱和，变频器因输出过电流而跳闸。在现场预置时，应以电机负荷率作为初步设定依据；最后根据生产设备惯性的大小及对电机启动加减速时间的要求来预置合适的变频器启动加速时间和停止减速时间曲线。
2.1 矢量控制的概念
变频调速系统矢量控制是依照直流电动机的特性，如图 1-1所示，当变频器得到给定信号后，首先把给定信号分解为两个互相垂直的磁场信号，励磁分量φM和转矩分量φT，与之对应的控制电流信号分别为 和 ，额定频率以下，当接到转速反馈信号需要调速时，励磁分量φM保持不变，只调整转矩分量φT，在额定频率以上，当接到转速反馈信号需要调速时，转矩分量φT保持不变，只调整励磁分量φM，然后把这两个静止的磁场信号经过一系列的等效变换，变换成等效的三相电流的控制信号控制异步电动机从而得到与直流电动机类似的机械特性，由于进行变换的是电流（代表磁通）的空间矢量，所以通过这种变换实现的控制方式叫作矢量控制。
2.2 矢量控制的特性
矢量控制是基于电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U/f压频控制中是涉及不到的。矢量控制变频器要在使用前必须进行电机参数的自动测量即电机辨识，不进行电机辨识变频器不能获取矢量控制所必须的参数，也就不能启动矢量控制功能。
根据是否采用脉冲编码器（PG）反馈电机转速，矢量控制可分为带编码器PG矢量控制（有速度反馈矢量控制）和无编码器矢量控制（无速度反馈矢量控制），有速度反馈的矢量控制系统具有机械特性硬，动态响应能力强，调速范围广等优点，无速度反馈的矢量控制系统因内部要通过输出电压和电流运行数据推算转速需要时间故其机械特性和动态响应能力都比有速度反馈矢量控制差一些，电机低频运行时，运行不够稳定。
2.3 矢量控制的应用
用户应用矢量控制变频调速系统时，首先必须进行电机辨识，电机辨识大致步骤：变频器与电机安装完毕，二者之间完成接线，把电机与其所带负载脱开。再向变频器输入电机额定参数和基本控制参数后，选择变频器矢量控制模式，按照变频器菜单提示启动变频器电机辨识功能。一般电机辨识所需时间在1.0～1.5min。如果实际条件不允许电机与负载脱开时，变频器在电机轻载条件下也能完成电机辨识，但在设备带负荷运行过程中矢量控制调速准确度差一些。需要注意，变频器进行电机辨识时电机是可能旋转的，要防止造成伤害。
矢量控制变频调速系统的调速范围：对于多数恒转矩负载，应用无速度反馈的矢量控制是最佳选择；凡无法进行电机辨识的场合，矢量控制均不适用。故矢量控制的应用是有限制的，主要限制有：
（1）矢量控制只能用于一台变频器控制一台电动机的情况下。
（2）电动机容量和变频器要求的配用电动机容量之间相差最多一个档。
3 两种控制方式的应用案例
3.1 U/f控制方式在黑水过滤系统中的应用
工艺过程简介：黑水过滤系统生产线，由真空过滤吸收装置和带式传送设备组成，传送设备由电机带动胶带及滤布运行。其工作流程是首先工业废水经喷头流到带式传送设备滤布上然后经滤布下的真空吸收装置吸收滤布上的水分使废水中的煤渣留在滤布上，最后留在滤布上的煤渣经过胶带传送排出。由于真空吸收过滤系统进行比较缓慢，所以要求传输设备运转速度不宜过快。现采用ABB变频器ACS550-023A-4驱动11KW电机
变频器主要参数设置：控制方式（9904）：选用U/f控制即标量控制。U/f曲线（2605）：线性U/f曲线。
经过变频器驱动的传送设备可以在低频8～12HZ平稳运行，转速可以灵活控制满足气化炉黑水过滤系统工艺需要。
3.2 矢量控制在捞渣机系统中的应用
工艺简介：捞渣机是气化炉用于排渣的主要设备，其设备主要由11KW异步电动机配备减速箱驱动，使其煤渣经轧板运输后排出。由于捞渣机长时间长周期运行，处于节能及工艺需求采用了ACS550-023A-4 ABB变频器调速运行。
变频器主要参数设置：控制方式选择（9904）：考虑到捞渣机属于恒转矩负载且又不在低频运行故采用无速度反馈的矢量控制即无传感器速度控制方式。
经过变频器调速后的捞渣机系统实现了节能效果，但由于变频器在采用矢量控制前做电机辨识时，电动机未能脱开负载，故矢量控制准确性一般。
4 结束语
通过介绍变频调速系统U/f控制、矢量控制的概念及现场实际应用情况，对于在哪种负载及工况下选择哪种控制方式具有重要意义。
参考文献：
[1]黎冰.变频器实用手册.北京：化学工业出版社.2011.
[2]史国生.交直流调速系统.北京：化学工业出版社.2006.
[3]DriveIT交流传动ACS550-01变频器用户手册.