矢量变频器在工业控制中的应用研究

刘娜*



矢量变频器在工业控制中的应用研究

刘娜*

（抚顺矿业集团技师学院/抚矿工学院，辽宁抚顺，113006）

随着工业控制的多元化和复杂性，变频器在工业控制中的应用越来越广泛。由于变频器具有性能良好、调速区间宽、运行平稳和智能化等优点，使得变频调速变得简单、可靠，对于控制精度较低的系统，普通变频器完全可以满足要求，对于控制精度较高，动态品质需要完善的系统，采用矢量变频器是一种很好的控制方案。在交流调速系统中，矢量控制技术是比较高效和完善的，替代传统的直流传动技术，表现出很好的鲁棒性和动态品质。

变频器；矢量控制技术；鲁棒性；动态品质

引言

现代控制技术朝着多元化和集成化发展，矢量技术在工业控制中呈现出多领域、多功能的态势，不仅仅使用在交流异步电动机的调速，而且对直流电动机变频调速也在大量使用。在一些控制要求较高的设备的控制系统中，如造纸、塑料袋加工等精密设备的系统，传统的变频器在调速宽度、稳定性方面劣势明显。矢量变频器技术就是将电动机的输入电流分解为励磁电流和力矩电流，将两者分开控制，使得交流电动机和直流电动机控制表现出类似的效果，从而规避了交流电动机在调速方面的局限性，提高了调速效果。在工业控制领域中，矢量技术主要用于分析交流电源，基于电动机电流分析的基础上来进行变频控制和调速的，但是需要建立数学模型来完成，数学模型可以不同。

变频调速是一种比较稳定、高性能的控制方法，是用来优化电动机的控制效果，但是如何解决变频器的干扰是非常棘手的问题。主要体现在变频器内部的直流变为交流的逆变器产生的阶跃信号使变频器对使用环境产生电气污染，对自动化设备产生扰动，甚者使控制系统不稳定，或者不可控。变频器的干扰主要来源于两种：一种是外部干扰。变频器内部采用了CPU和控制器组成的集成电路板，通过单片机控制的形式，利用接口技术来进行数据或信号的传输，这样集成的电路板在强磁场环境下很容易受到干扰，严重时会影响到输入信号，对变频器的输出产生影响。变频器的干扰排除可归纳为如下措施解决：保证良好的接地；变频器的input和output端加入电感式滤波器；变频器的电源布线应符合国家规定，电源线和信号线隔离，至少在150mm以上，做到横平竖直，不交叉，不同电压等级的电线应分布合理，避免电源的引入使变频器的干扰增加。二是变频器的内部干扰。变频器的输入和输出是交流电，交流电是典型的正弦波，其中含有大量的高次谐波，通过空气中的灰尘作为传输介质，对运行的变频器和其它设备构成干扰。矢量变频器能很好的将高次谐波滤掉，为系统的安全运行提供良好的技术支持。

1 矢量变频器工作原理

矢量控制技术就是将交流电源的三相通过等效表换在直角坐标系内表示，这样就是把定子的电流等效分解为磁通电流和转矩电流，把磁通和转矩的电流分离，达到独立控制磁通的转矩的效果，磁通的变化，通过楞次定律使得电动势发生变化。U/f控制中，当励磁不足或过剩都会对电动机的转矩造成一定的影响，励磁不足，转矩下降；励磁过剩，电流增大，电动机的铜损和铁损增加，对电动机的使用寿命造成一定的影响，所以磁通的电流是转矩恒定的保证。

矢量控制技术就是对定子电流的大小和方向进行闭环控制，通过坐标变换，将三相电流转换为直角坐标系下的磁场电流和转矩电流，根据建立起来的数学模型，通过相关计算得出转差率，就可以确定转子的位置。励磁和转矩通过不同的控制器独立输出来控制脉冲宽度，从而控制输出电压。

2 矢量变频器的应用

矢量变频器的应用比较广泛，如造纸、轧钢、吹塑、供水系统、纺织机械、提升设备中的使用等，本文以提升设备为例来简述。

在提升设备中，电梯罐笼是通过电动机来完成上升和下降，而电动机就是通过变频器来完成控制，变频器接线端子和电动机相连，由其输出来实现电动机的启动、加速、减速和停止。PLC是变频器的控制核心，由事先设定的程序（梯形图、语句表、功能模块图）控制变频器的输入，环节如下：PLC根据外部信号接通内部程序，内部程序在执行过程中，综合反馈信号，通过分析和相关的运算给变频器发送指令，变频器负责执行。提升设备的启动和停止需要平稳，罐笼的位置和平层位置高度一致，矢量变频器需要给电动机预先设定磁场，这个时候电动机处于停止状态，由PLC给定开、关门信号，也就是延时时间的设定信号后，电动机打开抱闸，接近开关检测延时信号是否发出，如果发出，那么速度指令马上执行，电动机开始运转，带动罐笼上下运动。电动机从启动到平稳运行进过一个加速的过程，到达平层有一个减速的过程，这就涉及到加速和减速的时间问题，也就是上、下坡问题，这个矢量变频器内部可以人为设定，如果上下坡时间设定较短，罐笼抖动就会较大，通常设定为0.5s即可，当PLC收到某一层的上升或下降指令后，就会输出给变频器一个信号，到达平层后，电动机的抱闸指令开始执行，防止罐笼在到达平层后下滑或坠落。

矢量变频器的优点是当载重量为额定载重量的110%时，仍然能准确的停在平层，是因为转矩电流进行了二次分配，载重量小于额定载重量，转矩的电流就会适当的减小，降低电动机的额磨损，使得电动机可以长时间工作。矢量变频器还有脉冲编码定位技术，根据具体的位置设定好参数，罐笼上设定平层感应装置，代替了传统的加减速感应装置，这样通过罐笼和平层之间来完成，不需要每一个平层都设定感应装置，既节约了成本，又降低了故障率。

显然，矢量变频器应用到提升设备是一个不错的方案，那么变频器在客梯的控制中，还有一些相关的智能控制环节，如变频器在上升或下降平层侧面安装红外线传感器，当检测到信号时，变频器以工频（50Hz）来运行；当信号消失，变频器输出频率降低或不输出，电梯就会缓慢运行或停止运行。矢量变频器有强大的定时功能，当触发红外线传感器时，电梯正常运行，同时定时器开始计时，在一个计时周期内，红外线传感器再次触发，定时器重新定时，保证电梯一直在有人乘坐时保持正常运行速度。矢量变频器可以设定多个速度段，在早晚高峰的时候，可以采取高速运行区段，这样可以节约时间，平时，采取低速运行区段，既节约时间，又对电动机进行很好的保护，减少电动机的损耗。

3 结束语

变频器是变频调速的核心，选择什么样的变频器根据控制系统或使用设备的要求。在一些相对精密、控制要求较高、动态品质比较完善的设备中，采用矢量高性能变频器是一种很好的方案。高精度集成DSP，保证矢量控制的响应迅速、运行稳定、转矩电流独立控制、保证启动转矩的输出大、在一定范围内载重量超过额定载重量还可以平稳运行。矢量变频器在工作过程中，通过检测适当调整输出频率，使电动机工作在变频状态，减少电动机的电器损耗和机械损耗，延长电动机的电气寿命，可以设定多种速度，节能效果明显，智能化程度高，控制效果好。

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The Application of Vector Inverter in Industrial Control

LIU Na*

(fushun mining group technician college/miner college, Liaoning Fushun, 113006, China)

with the diversification and complexity of industrial control, the frequency converter is widely used in industrial control. Because the frequency converter has good performance, wide speed range, the advantages of stable operation and intelligent, makes frequency control of motor speed is simple, reliable, the low control precision of system and general inverter can completely meet the requirements, for high precision control, dynamic quality need to improve the system, adopts vector frequency converter is a kind of very good control scheme. In ac speed regulation system, vector control technology is relatively efficient and perfect, which replaces the traditional dc drive technology and shows excellent robustness and dynamic quality.

inverter; Vector control technology; Robustness; Dynamic quality

刘娜. 矢量变频器在工业控制中的应用研究[J]. 数码设计, 2017, 6(5): 43-44.

LIU Na. The Application of Vector Inverter in Industrial Control[J]. Peak Data Science, 2017, 6(5): 43-44.

10.19551/j.cnki.issn1672-9129.2017.05.017

TP473

A

1672-9129(2017)05-0043-02

2017-01-12；

2017-02-15。

刘娜（1983.3.26），女，辽宁抚顺，讲师，硕士学位，研究方向：电气控制。E-mail:1906382821@qq.com