矢量控制

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纺织机械得益于变频器的高速性能 纺织机械得益于变频器的高速性能

当一个变频器推销员试图卖给你一个变频器的话,'矢量控制'一词迟早会出现。早先的文章只描述了永磁电机和类似的机器需要矢量控制。那么究竟什么是矢量控制,以及为什么它'好'?


好吧,让我们回到最基本的。在第一篇文章中,我们描述了感应电动机的速度如何由外加频率控制,以及磁通(产生转矩)如何依赖于外加电压(在定子中产生磁化电流)。现在,为了保持电机的最佳磁通,非矢量控制的变频器将保持电压和频率之间的线性关系;也就是说,当频率从标称值降低时,电压按比例降低。因此,50Hz时的400V变成37.5Hz时的300V,然后是200V、25Hz等等。稍微有变化的地方,是在低频时增加电压来克服损耗,这也是常见的做法。电压到频率(V/ f)变频器的基本控制如图1所示。



图1 V/F变频器控制系统框图


调制器将电压和频率需求转换为必要的脉冲,以驱动逆变器中的IGBT。测量的电流用于?;さ缁捅淦灯?,通过降低频率或根据需要进行跳闸?;?。


然而,简单地保持V/F关系并不总能提供理想的性能。电机特性随温度变化,在低速时很难获得正确的磁通水平。因此,变频器制造商得尝试测量磁化电流(磁通产生电流,由外加电压设定)并相应地调整输出电压,而不是依赖于线性关系。这只能起点效果,但为了精确控制,特别是在低速时,必须实时测量和控制产生磁通和转矩的电流。因此,当电机外加相电压旋转时,这些电流的位置和大小非常重要,也就是说,它们是矢量型的值。


所以现在,我们不在特定设定点产生特定的电压和频率,而是尝试直接控制电机磁通和转矩,并不断调整控制,以获得我们想要的设定值。矢量变频器的(简化的)控制系统如图2所示。

图2 矢量变频器控制系统框图


从图2中可以看出,用户的设定点需求被转换为速度和转矩需求,以及磁场和磁通需求,这是矢量控制系统的一部分。


要做到这一切,我们需要一些相当复杂的数学,以及精确的电流测量。我们还需要知道我们控制的电机的特性。


我们现在可以用功能强大的微处理器来计算。我们也可以凭借相当准确的霍尔效应装置来测量输出(电机)电流。这些特性曾使得矢量变频器非常昂贵,但现在已经几乎不增加变频器的成本了。


如果你比较图1和图2,你会发现矢量控制要复杂得多。


为了确定电机的特性,我们主要依靠用户凭借正确的信息来配置变频器。通过将电机电流、电压和功率因数的正确值设置成适当的参数,为变频器提供基本信息。但是,通过运行“自动调谐”可以获得额外的信息,大多数矢量变频器在选择矢量控制时都会要求用户运行此功能。在几秒钟内,变频器测量附加因素,如初级电感和定子电阻,这将有助于建立一个准确的模型,使矢量控制更容易。


顺便说一句,变频器还考虑了运行期间电机的温度(根据电机信息和负载计算),因为这会影响电机的许多特性,因此在冷却的电机上执行自动调谐非常重要。


过去,为了实现良好、可靠的矢量控制,我们建议使用编码器来提供精确的速度,从而提供转子位置信息。如今,随着数学建模的加快和改进,编码器已不再那么必要了。然而,在某些应用中,如电梯和起重机,它仍然是首选。如果没有安装编码器,变频器将使用电机模型来计算转子的速度和位置。


变频器现在不是通过直接设置输出频率(如V/F控制)来控制电机速度,而是通过控制电机转矩和磁通。因此,现在操作器或PLC的设定值被转换为磁通和转矩要求,如图2所示?;谎灾?,变频器说“根据对电机的了解,我们需要多少转矩和磁通量来保持所要求的速度?由于变频器直接控制转矩和磁通,因此与传统的V/F操作相比,其性能得到了改善。矢量变频器对突发负载的响应更好,通常效率更高,并且可以更容易地控制不同类型的电机,如前一篇文章中描述的永磁电机和同步磁阻电机。速度调节也更好,因为滑差是自动计算的。


图2还显示了输出电流在变频器内部受到监控,并分成产生转矩和磁通的部分。这些测量值被反馈到转矩和磁通控制器中,因此我们对这些电流进行闭环控制,包括求和点、增益等,其方式与其他闭环控制器相同(参见先前关于闭环控制的文章)。


因为我们测量所有三个电流,所以需要将它们转换并分成一个磁通电流(即磁化电流)和一个转矩电流(即负载电流)。这些数学变换还用于将磁通和转矩需求的电流(从设定点和求和点)转换回三相,然后转换为驱动逆变器功率部分的调制信号。


您还将注意到,估计的速度(根据磁通和转矩电流以及电机模型计算)在第三个闭环中反馈,这次是控制电机速度。


因此,矢量控制系统需要大量的测量和计算,包括三个闭环控制器。在矢量控制的早期,很难稳定所有的东西,有些变频器很难可靠地设置和运行,特别是没有编码器的情形。如今对电机模型的更好理解使得矢量控制简单可靠。


矢量控制提供了更好的速度保持能力,更好的响应负载突然变化的能力,以及大大提高了在低速时的转矩。电机运行效率更高,发热更少。


英泰变频器一直致力于提供简单,有效且易于设置的矢量控制。P2变频器现在提供全面的矢量控制功能,如转矩控制功能和低速时出色的转矩输出能力。E3变频器则包含一个简化的矢量控制,以提高性能。


对于任何变频器,请记住设置正确的电机参数并遵循设置程序。这在使用永磁、同步磁阻和类似电机时尤为重要。不过别担心,我们的网站里有很多的帮助手册和应用指南。