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浅谈变频器U/f控制与矢量控制应用
　　【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。 中国论文网 /8/view-6746357.htm　　【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 变频调速系统矢量控制 　　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.
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变频器简介
变频器（Variable-frequency Drive，VFD）是应用变频技术与微电子技术，通过改变电机工作电源频率方式来控制交流电动机的电力控制设备。变频器主要由整流（交流变直流）、滤波、逆变（直流变交流）、制动单元、驱动单元、检测单元微处理单元等组成。通过改变电源的频率来达到改变电源电压的目的，根据电机的实际需要来提供其所需要的电源电压，进而达到节能、调速的目的，另外，变频器还有很多的保护功能，如过流、过压、过载保护等等。随着工业自动化程度的不断提高，变频器也得到了非常广泛的应用。1.按变换的环节分类：　　（1）交-直-交变频器，则是先把工频交流通过整流器变成直流，然后再把直流变换成频率电压可调的交流，又称间接式变频器，是目前广泛应用的通用型变频器。　　（2）可分为交-交变频器，即将工频交流直接变换成频率电压可调的交流，又称直接式变频器2.　按直流电源性质分类：　　（1）电压型变频器　　电压型变频器特点是中间直流环节的储能元件采用大电容，负载的无功功率将由它来缓冲，直流电压比较平稳，直流电源内阻较小，相当于电压源，故称电压型变频器，常选用于负载电压变化较大的场合。　　（2）电流型变频器　　电流型变频器特点是中间直流环节采用大电感作为储能环节，缓冲无功功率，即扼制电流的变化，使电压接近正弦波，由于该直流内阻较大，故称电流源型变频器（电流型）。电流型变频器的特点（优点）是能扼制负载电流频繁而急剧的变化。常选用于负载电流变化较大的场合。3.按主电路工作方法分类：电压型变频器、电流型变频器4.按照工作原理分类：可以分为V/f控制变频器、转差频率控制变频器和矢量控制变频器等5.按照开关方式分类：可以分为PAM控制变频器、PWM控制变频器和高载频PWM控制变频器6.按照用途分类：可以分为通用变频器、高性能专用变频器、高频变频器、单相变频器和三相变频器等。此外，变频器还可以按输出电压调节方式分类，按控制方式分类，按主开关元器件分类，按输入电压高低分类。7.按变频器调压方法：　　⑴、PAM变频器是一种通过改变电压源Ud 或电流源Id的幅值进行输出控制的。　　⑵、PWM变频器方式是在变频器输出波形的一个周期产生个 脉冲波个脉冲，其等值电压为正弦波，波形较平滑。8.按工作原理分：　　⑴、U/f控制变频器（VVVF控制）　　⑵、SF控制变频器（转差频率控制）　　⑶、VC控制变频器（Vectory Control 矢量控制)。9.按国际区域分类：　　⑴、国产变频器：浙江三科、欧瑞传动、森兰、英威腾、蓝海华腾、迈凯诺、伟创、美资易泰帝；　　⑵、欧美变频器：ABB、西门子、日本变频器富士三菱、韩国变频器、台湾变频器台达、香港变频器。10.按电压等级分类：　　⑴、高压变频器：3KV、6KV、10KV　　⑵、中压变频器：660V、1140V　　⑶、低压变频器：220V、380V11.按电压性质分类：　　⑴、交流变频器：AC-DC-AC（交-直-交）、AC-AC（交-交）　　⑵、直流变频器：DC-AC（直-交）12.变频器按主开关器件分为 IGBT GOT BJT 三种。13.变频器按机壳外型分为塑壳变频器、 铁壳变频器和柜式变频器。基本组成　　变频器通常分为4部分：整流单元、高容量电容、逆变器和控制器。　　整流单元：将工作频率固定的交流电转换为直流电。　　高容量电容：存储转换后的电能。　　逆变器：由大功率开关晶体管阵列组成电子开关，将直流电转化成不同频率、宽度、幅度的方波。　　控制器：按设定的程序工作，控制输出方波的幅度与脉宽，使叠加为近似正弦波的交流电，驱动交流电动机。工作原理1.概述变频器的工作原理是通过控制电路来控制主电路，主电路中的整流器将交流电转变为直流电，直流中间电路将直流电进行平滑滤波(电压型是将电压源的直流变换为交流的变频器，直流回路的滤波是电容。电流型是将电流源的直流变换为交流的变频器，其直流回路滤波是电感。)，逆变器最后将直流电再转换为所需频率和电压的交流电，部分变频器还会在电路内加入CPU等部件，来进行必要的转矩运算。2.整流器　　最近大量使用的是二极管的变流器，它把工频电源变换为直流电源。也可用两组晶体管变流器构成可逆变流器，由于其功率方向可逆，可以进行再生运转。3.平波回路　　在整流器整流后的直流电压中，含有电源6倍频率的脉动电压，此外逆变器产生的脉动电流也使直流电压变动。为了抑制电压波动，采用电感和电容吸收脉动电压（电流）。装置容量小时，如果电源和主电路构成器件有余量，可以省去电感采用简单的平波回路。4.逆变器　　同整流器相反，逆变器是将直流功率变换为所要求频率的交流功率，以所确定的时间使6个开关器件导通、关断就可以得到3相交流输出。以电压型pwm逆变器为例示出开关时间和电压波形。　　控制电路是给异步电动机供电（电压、频率可调）的主电路提供控制信号的回路，它有频率、电压的“运算电路”，主电路的“电压、电流检测电路”，电动机的“速度检测电路”，将运算电路的控制信号进行放大的“驱动电路”，以及逆变器和电动机的“保护电路”组成。　　（1）运算电路：将外部的速度、转矩等指令同检测电路的电流、电压信号进行比较运算，决定逆变器的输出电压、频率。　　（2）电压、电流检测电路：与主回路电位隔离检测电压、电流等。　　（3）驱动电路：驱动主电路器件的电路。它与控制电路隔离使主电路器件导通、关断。　　（4）速度检测电路:以装在异步电动机轴机上的速度检测器(tg、plg等)的信号为速度信号，送入运算回路，根据指令和运算可使电动机按指令速度运转。　　（5）保护电路：检测主电路的电压、电流等，当发生过载或过电压等异常时，为了防止逆变器和异步电动机损坏，使逆变器停止工作或抑制电压、电流值。点击屏幕右上角图标分享到朋友圈！
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变频器上的标记意思
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　　解释：‍　　变频器在电气图上的表示符号还没有标准，常见的有：VVVF，机床“U” ，“BP”，英文缩写：INV，“V/F”，UF等。变频器（Variable-frequency Drive，VFD）是应用变频技术与微电子技术，通过改变电机工作电源频率方式来控制交流电动机的电力控制设备。变频器主要由整流（交流变直流）、滤波、逆变（直流变交流）、制动单元、驱动单元、检测单元微处理单元等组成。变频器靠内部IGBT的开断来调整输出电源的电压和频率，根据电机的实际需要来提供其所需要的电源电压，进而达到节能、调速的目的，另外，变频器还有很多的保护功能，如过流、过压、过载保护等等。
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这三个为报警输出，AC常开（有报警则变闭合），BC常闭（有报警则变断开）；C1模拟信号输入4-20mA， FM模拟频率控制计（是输出0-10V信号），
11、12和13这三个是接频率设定电位器（12接可变触点），FWD正转启动信号输入端子， REV反转信号输入端子， P24就是提供24V电源，CM两个是一样的， 都是以上信号的公共端；Y1 Y2
晶体管输出端子，CME为其公共端； X1
X5 拓展节点输入信号，可修改参数来使相应端子作为功能端子，例如多段速调频控制就可以用的。
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从控制方式可以分为面板直接给定、通过通讯给定、从扩展的端子排给定。
一、面板直接给定
将主回路接好，按绿色按钮启动变频器，此时变频器显示速度为零，按增加，减少键来得到你所需要的速度；
二、通过通讯给定
2.1 功率部分设置
　 P060=8：功率部分定义
　 P070=98：变频器订货号
2.2 硬件定义
　 P060=4：电子版定义
　 P918=5：变频器的PROFIBUS地址
2.3 系统设定
　 P060=5：系统设定
　 P068=2：有dv/dt滤波器
　 P071=400：直流母线电压
　 P095=10：国际标准异步电机
　 P100=1：v/f控制
　 P101=380：电机额度电压
　 P102=119：电机额度电流
　 P103=36：电机励磁电流
　 P104=0.84：电机功率因素
　 P107=50：电机额度频率
　 P108=980：电机额度转速
　 P113=558：电机额度转矩
　 P350=119：所有电流量参考值
　 P351=380：所有电压量参考值
　 P352=49：所有频率量参考值
　 P353=980：所有转速量参考值
　 P354=558：所有转矩量参考值
　 P357=2.8：采样时间(ms)
　 P384.2=145：电机负载限制
　 P452=98：电机正转时最大频率或速度(％)
　 P453=98：电机反转时最大频率或速度(％)
2.4 参数设置
　 P060=1：回到参数设置菜单
　 P128=178.5：变频器最大输出电流
　 P462=2：加速时间
　 P463=0：加速时间单位(s)
　 P464=2：减速时间
　 P465=0：减速时间单位(s)
　 对以上所有参数设置完成后，开始对变频器CUVC板的I/O端子进行配置。
2.5 端口设置
　 X101/3端子：1#电机故障，X101/6端子：2#电机故障。
　参数设置：U221.1=11，U221.2=17，U221.3=1，P575=601。
　 X101/7端子：主接触器故障，X101/8端子：制动单元故障。
　参数设置：U222.1=19，U222.2=21，U222.3=1，P588=602。
　 X101/4端子：电机抱闸打开。
　参数设置：P654.1=275，P654.2=275。
　 X101/5端子：电机抱闸确认。
　 参数设置：P612=15。
　 X101/9端子：急停。参数设置：P555=22。
　为了实现手动模式和自动模式操作，进行以下设置。
2.6 自动模式设置
　 P：590=0：选择BICO数据组，对应控制字的bit30。
　 P554.1=3100：Src启停命令来自CB/TB Wordl bit0。
　 P443.1=3002：速度主给定来自CB／TB Word2。
2.7 手动模式设置
　 P590=1：选择BICO数据组，对应控制字的bit30。
　 P554.2=5：Src启停命令来自PMU。
　 P443.2=58：速度主给定来自PMU。
　 为了实现Driver与PLC之间的通讯，进行以下设置。
2.8 通讯设置
　 P734.1=32 Driver传给PLC的状态字1，即STATUS WORDl。
　 P734.2=24 Driver传给PLC的状态字2，即电机转矩。
　 P734.3=148 Driver传给PLC的状态字3，即速度实际值。
　 P734.4=22 Driver传给PLC的状态字4，即电机输出电流值。
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