变频器矢量控制的原理及应用

高 伟 张 伟

(河南煤化精细化工有限公司，河南 鹤壁 458000)

近年来，随着电力电子技术、计算机技术、自动控制技术的迅速发展，交流传动与控制技术成为目前发展最为迅速的技术之一，电气传动技术面临着一场历史革命，及交流调速取代直流调速和计算机数字控制技术取代模拟控制技术已成为发展趋势。电机交流变频技术是当今节电、改善工艺流程以提高产品质量和改善环境、推动技术进步的一种主要手段。变频调速以其优异的调速和气制动性能，高效率、高功率因数和节电效果，广泛的适用范围及其他许多优点而被国内外公认为最有发展前途的调速方式。

一 变频调速系统的标量控制

目前较为简单的一类变频器是V/F控制(简称标量控制)，它就是一种电压发生模式装置，对调频过程中的电压进行给定变化模式调节，常见的有线性V/F控制(用于恒转矩)和平方V/F控制(用于风机水泵变转矩)。

标量控制的弱点在于低频转矩不够(需要转矩提升)、速度稳定性不好(调速范围1∶10)，因此在重载设备使用过程中被逐步淘汰，而矢量控制的变频器正逐步进行推广。

二 变频调速系统的矢量控制

矢量控制成功的解决了交流电动机电磁转矩的有效控制，使异步电动机可以像他励直流电机那样控制，实现优良的动、静态调速特性，实现交流电动机高性能控制，因此矢量控制又称为解耦控制或矢量变换控制。发展趋势表明，矢量控制将淘汰标量控制，成为交流电动机传动系统的工业标准控制技术。

(一)矢量控制的概念

从产生同样的旋转磁场为准则，在三相坐标系上的定子交流电流iA iB iC通过三相/两相变换，可以等效成两相静止坐标系上的交流电流iαiβ，再通过同步旋转变换，可以等效成同步旋转坐标系上的直流电流im和it。

输入为A、B、C三相电压，输出为转速ω，是一台异步电动机。经过3/2变换和同步旋转变换，变成一台由im和it输入，ω输出的直流电动机。既然异步电动机经过坐标变换可以等效成直流电动机，那么模仿直流电动机的控制策略，得到直流电动机的控制量，经过相应的坐标反变换，就能够控制异步电动机了。由于进行坐标变换的是电流(代表磁通)的空间矢量，所以这样通过坐标变换实现的控制系统叫作矢量控制系统。

(二)矢量控制时，异步电动机数学模型参数的获得

矢量控制是基于电动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V/f控制即电压频率控制中是涉及不到的，并且大部分的电动机的说明书中都没能提供。三相异步电动机除电动机铭牌上提供的额定参数外，矢量控制所必须的电动机参数如下:

转子的时间常数或磁化时间，祛磁时间，定子线间电阻，电缆电阻，转子电阻，定子漏感，转子漏感，主电感等。做为一般用户，这些参数是很难得到的，为此矢量控制变频器都设计了变频器电机辨识运行的功能。该参数控制着变频器自校正的过程，称为电机辨识运行。在这个过程中，变频器控制电机的运行，创建电机模型，从而达到辨识电机特性，并优化控制的目的。做法如下:

当变频器与电动机安装完毕，二者之间完成接线。把电动机与其所驱动的设备或负载脱开。在向变频器输入电动机额定参数和基控制参数后，可选择矢量控制模式，再按变频器菜单提示启动变频器的电机辨识功能。这时变频器向电动机输出不同电压和不同时间长度的三相电流，可以在电动机完全不转或稍有转动的情况下，计算矢量控制所需的电动机参数。所经历时间从几十秒到1—5分钟不等，总之要保证变频器获得全部必须参数。

在做变频器对三相异步电动机进行辨识时要保证电动机与负载脱开，最好是电机单体状态。实际条件不允许时，电动机与减速机联接但已脱开减速机负载的情况下，也能完成电机辨识，并能实现设备带载运行时的矢量控制。但要注意，电机辨识时电机是可能旋转的，要防止因引造成伤害。

(三)矢量控制的特点

根据矢量控制时，是否采用脉冲编码器(PG)反馈电动机转速，矢量控制可分为带编码器PG矢量控制和无编码器矢量控制。

矢量控制相对于标量控制而言，其优点有:对于给定值改变和负载改变有很短的上升时间，有较好的控制性能;实现极低速时的平滑运行;适应于重载运行需要的大力矩;高精度的速度和力矩控制;在零速时可输出全部停车转矩。

当然相对于标量控制而言，矢量控制的结构复杂、计算烦琐，而且必须存贮和频繁地使用电动机的参数。矢量控制分无速度传感器和有速度传感器两种方式，区别在于后者具有更高的速度控制精度(万分之五)，而前者为千分之五，但是在数控车床中无速度传感器的矢量变频器的控制性能已经符合控制要求，所以这里推荐并介绍无速度传感器的矢量变频器。

三 变频器矢量控制的应用

我公司有隔膜计量泵7台，其运行原理为管道进出口处有两个止回阀，电机带动连杆及活塞左右运动，并驱动膜片，膜片由于拉伸处于凹、凸状态，每次按照一定的量打入管道中。采用变频控制使得可以根据需要调节膜片运动的次数，转速越高，膜片运动也快，量也就越大。此种运行工况要求较大的起动转矩，并且在吸入物料时需要的力矩较小，打出时需要的力矩较大，使得变频器输出电流波动较大，最小10A左右，而最大可达37A左右。该计量泵最初采用 ABB ACS510 59A 30KW变频器，控制方式为无传感器矢量控制，频率给定是:由DCS后台提供的4-20mA模拟量信号，电动机为普通22KW三相异步电动机。在开车初期变频器经常报过流，复位后依然报过流，设备无法正常运转。后查阅变频器说明书及相关资料，ABB510系列变频器为标量控制，主要用于风机、水泵等轻载，转矩要求恒定的设备，无法满足隔膜计量泵的工艺要求。

针对上述情况，将 ABB 510系列变频器升级为 ABB ACS550 59A矢量控制变频器，并在电机安装时进行了电机辨识，采集了电机的参数。由于采用了矢量控制，能够提供大的力矩，变频器运行在10A—37A之间，相对较稳定，没有再报“过流”故障。

这个变频器的应用案例表明，根据设备运行工况的特点，合理选用变频器即可实现较高精度的速度控制。