变频器转矩提升与启动频率参数的设定
在变频调速技术成熟之前,直流电动机的调速特性被公认为就是最好的。究其原因,就是因为它具有两个十分重要的特点: (a) 磁场特点
它的主磁场与电枢磁场在空间就是互相垂直的,如图11(a)所示;
图11 直流电动机的特点
(b) 电路特点
它的励磁电路与电枢电路就是互相独立的,如图11(b)所示。 在调节转速时,只调节其中一个电路的参数。
(2) 变频器的矢量控制模式 (a) 基本构思
仿照直流电动机的控制特点,对于调节频率的给定信号,分解成与直流电动机具有相同特点的磁场电流信号i*m与转矩电流信号i*t,并且假想地瞧作就是两个旋转着的直流磁场的信号。当给定信号改变时,也与直流电动机一样,只改变其中一个信号,从而使异步电动机的调速控制具有与直流电动机类似的特点。
对于控制电路分解出的控制信号i*m与i*t,根据电动机的参数进行一系列的等效变换,得到三相逆变桥的控制信号i*a、i*b与i*c,对三相逆变桥进行控制,如图12所示。从而得到与直流电动机类似的硬机械特性, 提高了低频时的带负载能力。
图12 矢量控制框图
(b) 无反馈矢量控制模式与有反馈矢量控制模式
根据在实行矢量控制时,就是否需要转速反馈的特点,而有无反馈与有反馈矢量控制之分。
无反馈矢量控制就是根据测量到的电流、电压与磁通等数据,简接地计算出当前的转速,并进行必要的修正,从而在不同频率下运行时,得到较硬机械特性
变频器转矩提升与启动频率参数的设定
的控制模式。由于计算量较大,故动态响应能力稍差。
有反馈矢量控制则必须在电动机输出轴上增加转速反馈环节,如图12中的虚线所示。由于转速大小直接由速度传感器测量得到,既准确、又迅速。与无反馈矢量控制模式相比,具有机械特性更硬、频率调节范围更大、动态响应能力强等优点。
3、2 电动机数据的输入
如上述,要实现矢量控制功能,必须根据电动机自身的参数进行一系列等效变换的计算。而进行计算的最基本条件,就是必须尽可能多地了解电动机的各项数据。因此,把电动机铭牌上的额定数据以及定、转子的参数输入给变频器,就就是实现矢量控制的必要条件。
(1) 自动检测功能
从上面所举例子可以瞧出,进行矢量控制时,所需数据中的相当部分,一般用户就是很难得到的。这给矢量控制的应用带来了困难。对此,当代的许多变频器都已经配置了自动检测电动机参数的功能。但检测的具体方法,各种变频器不尽相同。
自动检测功能的英语名称就是auto-tuning, 故有的变频器直译为“自动调谐”功能, 也有的称之为“自学习”功能。
(2) 自动检测方法举例
以艾默生td3000系列变频器为例,其相关功能如下: 功能码f1、09用于选择自动检测功能,数据码就是: “0”—禁止自动检测; “1”—允许自动检测。
功能码f1、10用于实施自动检测,数据码就是: “0”—不进行自动检测; “1”—进行自动检测,步骤如下:
(a) 将电动机的铭牌数据预置给变频器(功能码f1、00～f1、05); (b) 将功能码f1、10预置为“1”;
(c) 按变频器键盘上的run键, 变频器将执行自动 检测。 检测完毕后, 自动转为“0”。
“2”—变频器设置了一个自动检测的操作程序(说明书中称为“调谐宏”)。当功能码f1、10预置为“2”时,该操作程序开始运行,并在显示屏上指导用户进行必要的功能预置与操作。检测完毕后,自动转为“0”。
3、3 转速反馈矢量控制中编码器的相关功能
当变频器的控制方式预置为有反馈矢量控制方式时,转速测定就是十分重要的一个环节。与变频器配用的测速装置大多采用旋转编码器。
(1) 旋转编码器的输出信号
与变频器配用的旋转编码器通常为二相(ａ相与b相)原点输出型, 其输出信号分为两相:ａ相与b相。两者在相位上互差90°±45°, 如图13(b)所示, 与分别就是a相与b相的“非”。每旋转一转,编码器输出的脉冲数可根据情况选择。例如, trd-j系列编码器的脉冲数从10p/r~1000p/r, 分16档可选。
z相为原点标记,其特点就是:每转一转,只输出１个相位固定的脉冲,作为原点的标志。 图13(a)所示就是编码器的引出线。
变频器转矩提升与启动频率参数的设定
图13 编码器的信号与接线
(2) 编码器与变频器的联接 主要有两种类型:
一种就是直接联接,例如艾默生td3000系列变频器与编码器之间的联接如图14(a)所示;
图14 编码器与变频器的联接
另一种类型以安川vs-616g7系列变频器为例,须配置专用的pg速度控制卡,如图14(b)所示。将控制卡pg-b2插入变频器的相关插座4cn中,再将pg的引出线接至控制卡上。 (3) 编码器脉冲数的选择
一般说来,电动机在最高频率下工作时,编码器的脉冲频率以接近于20khz为佳,即:
式(18)中: p0—编码器每转的脉冲数,p/r。
3、4 矢量控制的应用要点 (1) 应用矢量控制的注意点
由于矢量控制必须根据电动机的参数进行一系列的演算,因此,其使用范围必将受到一些限制。 (a) 电动机的容量
电动机的容量应尽可能与变频器说明书中标明的“配用电动机容量”相符,最多低一个档次。
变频器转矩提升与启动频率参数的设定
例如,变频器的“配用电动机容量”为45kw,电动机的下一档容量为37kw。则该变频器只能在配接45kw或37kw的电动机时,矢量控制功能就是有效的。 (b) 电动机的磁极数
以2p=4(4极电动机)为最佳,要注意说明书中对磁极数的规定。 (c) 电动机的型号
以生产变频器的同一家公司生产的标准电动机或变频调速专用电动机为最佳,一般的通用电动机也都可用。但特殊电动机(如高转差电动机等)则不能用。 (d) 电动机的台数
矢量控制只适用于一台变频器控制一台电动机的场合。
(2) 速度控制的pid功能
当采用有反馈矢量控制模式时,变频器存在着一个转速反馈的闭环系统,并且为此专门配置了pid调节系统。以利于在调节转速的过程中,或者拖动系统发生扰动(负载突然加重或减轻)时,能够使控制系统既反映迅速,又运行稳定。
因此,在具有矢量控制功能的变频器中,有两套pid调节功能: (a) 用于速度闭环控制的pid调节功能;
(b) 用于系统控制(例如供水系统的恒压控制等)的pid调节功能。
两种pid调节功能中,p(比例增益)、i(积分时间)、d(微分时间)的作用对象不同,但原理就是相同的。
(2) 矢量控制的主要优点 ·低频转矩大
即使运行在1hz(或0、5hz)时, 也能产生足够大的转矩,且不会产生在v/f控制方式中容易遇到的磁路饱与现象。 ·机械特性好
在整个频率调节范围内,都具有较硬的机械特性,所有机械特性基本上都就是平行的。 ·动态响应好
尤其就是有转速反馈的矢量控制方式,其动态响应时间一般都能小于100ms。 ·能进行四象限运行。 4 转矩控制功能
4、1 转矩控制与转速控制的区别 (1) 转速控制的特点
迄今为止,我们所讨论的变频调速,都就是以控制电动机的转速为目的的,其基本特点有: (a) 变频器输出频率的大小(从而电动机转速的高低)随给定信号的大小而变;
(b) 电动机的转矩大小就是不能控制的, 它总就是与负载的阻转矩处于平衡状态。因此, 就是随负载的轻重而随时变化的; (c) 电动机转矩的限值就是受发热与过载能力(取决于临界转矩)制约的。
(2) 转矩控制的特点
转矩控制就是矢量控制模式下的一种特殊控制方式。其主要特点就是:
(a) 给定信号并不用于控制变频器输出频率的大小, 而就是用于控制电动机所产生的电磁转矩的大小,如图15所示:当给定信号为10v时,电动机的电磁转矩为最大值tmax(如图中之状态①);当给定信号为5v时,电动机的电磁转矩为tmax/2(如图中之状态②)。
(b) 电动机的转速大小取决于电磁转矩与负载转矩比较的结果,只能决定拖动系统就是加速还就是减速,其输出频率不能调节,很难使拖动系统在某一转速下等速运行。
变频器转矩提升与启动频率参数的设定
图15 转矩控制的概念
如果给定的电动机转矩不变(等于tmx),而负载转矩变化,系统的运行如图16(a)中之曲线③所示:
图16 转矩控制时的转速
当负载转矩tl小于tmx时,拖动系统将加速,并且一直加速至变频器预置的上限频率,拖动系统将按上限转速ｎh运行; 当负载转矩tl超过tmx时, 拖动系统将减速;
当负载转矩tl又小于tmx时, 拖动系统又加速到上限转速nh。
如果负载转矩不变,而给定的电动机转矩变化(等于tl),则系统的运行如图16(b)中之曲线③所示: 当电动机转矩小于负载转矩时,转速为0;
当电动机转矩大于负载转矩时,拖动系统开始加速,加速度随动态转矩(tj=tm-tl)的增加而增加。
4、2 转矩控制与转速控制的切换 (1) 切换的必要性
由于转矩控制时不能控制转速的大小,所以,在某些转速控制系统中,转矩控制主要用于起动或停止的过渡过程中。当拖动系统已经起动后,仍应切换成转速控制方式,以便控制转速。
(2) 切换的时序图
切换的时序图如图17所示。
变频器转矩提升和启动频率参数的设定
