《变频器世界》小孙学变频 | 机械特性的改善

机械特性的改善

这一天，小孙一坐下来，就问：“变频调速的性能有没有可能和直流调速一样好？”

矢量控制的基本思想 “当然可以啊。但我们首先要弄清楚直流电动机的调速性能为什么好？”张老师说着，找出了图2－35，然后说：“直流电动机的主要特点是：

（1）磁路特点 如图（a）所示，它有两个互相垂直的磁场：一个是主磁场，其磁通υ0由主磁极产生；另一个是电枢磁场，其磁通υa由电枢电流产生。 

（2）电路特点 如图（b）所示，其主磁极的励磁电路和电枢电路是互相独立的。当调节电枢电压时，励磁电流是不变的；当调节励磁电流时，电枢电压是不变的。

 直流电动机的主要调速方法是调节电枢电压，经过电流反馈和转速反馈两个闭环后，其机械特性如图（c）之下部所示，是十分理想的调速特性，但它只能用于额定转速以下的调速。在额定转速以上，只能用调节励磁电流的方法来调速。由于电流反馈和转速反馈不能作用到励磁回路，所以，其机械特性较软，如图（c）之上部所示。

变频调速中的矢量控制方式就是仿照直流电动机的特点，当变频器得到给定信号后，首先由控制电路把给定信号分解为两个互相垂直的磁场信号：励磁分量υm和转矩分量υt，与之对应的控制电流信号分别为im*和it*。并且，在额定频率以下，当接到转速反馈信号需要调整时，励磁分量υm保持不变，只调整转矩分量υt，以模拟直流电动机在额定转速以下的调速特点。而在额定频率以上，当接到转速反馈信号需要调整时，转矩分量υt保持不变，只调整励磁分量υm，以模拟直流电动机在额定转速以上.的调速特点，如图2－36（a）所示。

 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ia*、ib*和ic*，使异步电动机在额定频率以下调速时，每相电流中的励磁电流i0保持不变，只调整转矩电流i2’，而在额定频率以上调速时，每相电流中的转矩电流i2’保持不变，只调整励磁电流i0，从而得到与直流电动机类似的机械特性，如图（b）所示。 由于异步电动机的励磁回路和转矩回路事实上并未分开，所以，矢量控制时，在额定转速以上的机械特性，要比直流电动机好。”

电动机参数的自动测量 

“根据什么来进行等效变换呀？”小孙感到既新鲜，又莫名其妙。 

“根据电动机本身的参数，主要有两类： （1）铭牌数据

就是电动机铭牌上标明的额定数据，如图2－37（a）所示。变频器需要的数据主要有：额定容量、额定电压、额定电流、额定转速、额定效率等。 

（2）等效电路数据 如图（b）所示，主要有：定子绕组的电阻和漏磁电抗，转子等效电路的电阻和漏磁电抗，以及空载电流等。” “这铭牌数据倒好说，可是，等效电路的数据电动机说明书上是不提供的呀。”小孙说。

 “变频器可以自己测量么。”张老师说。 “变频器自己测量？它是怎么测量的？”小孙感到很奇怪。 “在电机学里，异步电动机只要做两个试验，如图2－38

（1）空载试验 就是电动机加额定电压，让电动机空转，测量出空载电压u0和空载电流i0，如图（a）所示。 （2）堵转试验（也叫短路试验） 

把电动机的转子堵住，定子绕组上施加15～25%un的低电压。测量短路电压uk和短路电流ik，如图（b）所示。

根据这几个数据，通过作‘园图’，就可以把所有参数都计算出来。 在变频器里：

 （1）变频器的输出电压是可以通过改变脉冲的占空比而任意调节的，所以，在不需要调压器的情况下，也可以进行堵转试验。 

（2）通过‘园图’进行的全部计算，变频器中的计算机都可以迅速完成。” “那么，变频器只要一接上电动机，就自动进行参数的测量了？”小孙问。

“不，要通过一定的操作来进行测量，操作的步骤，各种变频器的说明书上都进行了具体的指导。大致的步骤如下：

（1）使电动机脱离负载（实在不能脱离时，须参照说明书的有关规定）； 

（2）输入电动机的额定数据； 

（3）使变频器处于“键盘操作”方式； 

（4）将自测定功能预置为“自动”方式； 

（5）按下“运行（ｒｕｎ）”键，电动机将按照预置的升速时间升速至一定转速（约为额定转速的一半），然后又按照预置的降速时间逐渐降速并停止，当显示屏上显示“自测定结束”时，自测定过程即告完成，约需1.0～1.5min左右。” 

“可是，我们有不少机器里的电动机是很难与负载脱开的呀。”小孙说。

 “不要紧，你可以选择‘静止自动测量’，就是说，只做堵转试验，空载试验不做了。那空载电流怎么办呢？通常，空载电流约为额定电流的40%。当然，其准确度要差一些。 所以，各变频器的说明书里都要你事先选择‘旋转自动测量’或‘静止自动测量’。” 小孙在书包里找出了两本变频器的说明书，翻找自动测量功能，竟没有找到。于是用一种询问的目光把说明书交给张老师。

 “啊，这里面有一个翻译上的问题。自动测量这个功能，英语里用的是auto-tuning，tuning的基本含义，是对准的意思。就是说，自动对准某一台电动机。因为在中国，tuning首先出现在收音机的词汇里，收音机对准某一个频道叫作调谐。所以，这本说明书里，就叫做自动调谐了。这另一本里叫自学习，还有叫自整定的，这当然给用户带来不便，其实，只要仔细地阅读它的内容，也就知道了。”

矢量控制的转速反馈 

“这里的转速反馈，是用什么来反馈的？用不用测速发电机？”小孙又问。

测速发电机已经过时了，现在普遍采用旋转编码器。”张老师又找出了图2－39，然后说：“瞧，只须把编码器套在电动机轴上，把编码器的各端子和变频器相接就可以了。编码器通常有两相：a相和b相，其接线端子分别是a和a，b和b，也有的叫a＋和a－，b＋和b－的。有的变频器有专门和编码器相接的

端子，可以直接相接，如图（a）所示。也有的变频器上没有专门和编码器相接的端子，必须通过专用的附件进行联接，如图（b）所示。

” “可是??”小孙思索着说：“一般的电动机好像没有那么长的轴，来装编码器呀？

“是的，只有变频电动机才可以直接套编码器，普通电动机要加附件，如图2－40所示。对于轴套型编码器，要在电动机输出轴的另一侧，把外罩孔扩大，在电动机轴上附加一个过渡轴，再把编码器套在过渡轴上，编码器的不动部分固定在外罩上，如图（a）所示。但这种方法对过渡轴和电动机轴之间的同心度要求很高，安装时比较困难。可以改用轴型编码器，它需要附加一个过渡轴套，如图（b）所示。因为过渡轴套都是按照标准尺寸设计的，就不存在同心度的问题了。”

 “这里还有一种‘无反馈矢量控制’方式，是不需要转速反馈的吧？”小孙指着说明书说。

 “严格地说，所谓有反馈矢量控制，是指有外部转速反馈的矢量控制；而所谓无反馈矢量控制，是指没有外部转速反馈的矢量控制。就是说，转速反馈实际上是都需要的。只是，有反馈矢量控制因为有编码器反馈，所以反馈速度快，动态响应的能力比较强。无反馈矢量控制的转速反馈信号，是通过变频器的输出电压和电流计算出来的，计算当然需要时间，所以，反应较慢，动态响应能力就差一些。除此以外，无反馈矢量控制在很低频率下运行时，有时不够稳定。” 

“矢量控制在各种情况下都能应用吗？”小孙又问。

矢量控制的应用范围

 “变频器在进行等效变换的计算时，除了上面所说的各种参数外，还常常要加入一些特定的系数，这些系数与电动机的容量和磁极对数有关，通常，变频器是以容量相当的4极电动机为基本模型，来决定这些系数的。因此，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。当一台变频器控制多台电动机时，电动机的参数就无所适从了，矢量控制将无效。 

（2）电动机容量和变频器要求的配用电动机容量之间，最多只能相差一个档次。例如，变频器要求的配用电动机容量为7.5kw，则配用电动机的最小容量为5.5kw，对于3.7kw的电动机，等效变换的结果就不准确了。 

（3）磁极数一般以2、4、6极为宜，极数较多时须查阅有关说明书（不同变频器对极数的限制也不一样）。 

（4）特殊电动机不能使用矢量控制功能。如力矩电动机、深槽电动机、双鼠笼电动机等，因为这些电动机的相关系数也是比较特殊的。”

 “在哪些场合，应使用矢量控制功能？”小孙又问。

 “现在，许多用户因为对变频器不够熟悉，大多采用v／f控制方式。实际上，对于多数恒转矩负载来说，用无反馈矢量控制应该是最佳选择。而在下列情况下，则以采用有反馈矢量控制为好： 

（1）要求有较大调速范围者，例如兼有铣、磨功能的龙门刨床； 

（2）对动态响应能力有较高要求者，例如某些精密机床； 

（3）对运行安全有较高要求者，例如起重机械等。”

直接转矩控制 

“abb变频器的说明书上说，它用的是最先进的直接转矩控制，是不是真的比矢量控制还优越？”小孙问。 

“例如我们这里的空调，它不是变频调速的，它是怎样实现恒温的呢？”张老师问。 “那很简单，当温度超过设定温度时，致冷机就开起来，而当温度低于设定温度时，就关掉致冷机。”小孙回答，他感到疑惑，不知道张老师葫芦里卖的什么药。 “转矩控制的基本思想与此类似。它把给定信号分解成一个转矩信号和一个磁通信号。当实际转速高于给定值时，它就关断IGBT管，使电动机因失去转矩而减速；而当实际转速低于给定值时，它又使IGBT管导通，电动机因得到转矩来加速。显然，这种做法是不可能得到一个稳定状态的，因此，它是以很高的频率处于不断的切换过程中，在自动控制技术中，把它叫砰－砰（band－band）控制。” 

“那它还要不要spwm调制呢？”小孙疑惑地问。 “当然就不需要了，这也就是它先进的地方。因为它不需要进行繁杂的spwm运算，以及矢量控制所必须的等效变换的计算。所以，反应快，动态响应能力强。

 但同时，也出现了一些新的问题，主要有： 

（1）因为电动机始终处于交替地通电和断电的状态，所以，其电磁转矩具有轻微的脉动。根据分析，当频率等于28hz时，脉动最小，频率较高和较低时，脉动较大。频率较高时，因为电动机的运行速度快，其机械惯性可以把转矩的脉动掩盖过去。但在低频运行时，就明显地是个缺点了。这是从原理上说的，实际的产品中，是已经采取了补救措施的。但因此，还不能说，它是比矢量控制更加优越的控制方式。 

（2）与spwm相比，其脉冲频率稍低，故噪音稍大。 

（3）所需电动机参数少，只需知道定子一相绕组的电阻就可以了。因此，自动测量比较简单，在一般情况下，在初次启动电动机时，就已经能够进行识别。 

（4）因为脉冲频率稍低，故电流的冲击稍大，变频器与电动机之间，最好接入输出电抗器。”

小 孙 的 笔 记

1．矢量控制是仿照直流电动机的特点，使异步电动机的变频调速系统具有和直流电动机类似的机械特性曲线簇。 2．有反馈矢量控制是指外部有转速反馈（旋转编码器）的矢量控制，它具有机械特性很硬，动态响应能力强，调速范围广等优点。

3．无反馈矢量控制是指没有外部转速反馈的矢量控制，实际上内部也是有转速反馈的，不过，其转速是通过输出电压和电流等运行数据推算出来的。推算需要时间，且精度也逊于编码器的实测结果。所以，其机械特性的硬度和动态响应能力都比有反馈矢量控制差一些。此外，频率很低时，运行也不够稳定。 

4．因为矢量控制需要根据电动机的参数进行等效变换，故使用前必须进行电动机参数的自动测量。同时，凡无法准确测定电动机参数的场合，矢量控制均不适用。 

5．直接转矩控制实际上是利用电子技术的快速性对电动机进行时通时断的控制方式。它比矢量控 制简捷而快速，故动态响应能力好。但因此也带来了某些不尽如人意的缺点。