变频器矢量控制的应用

变频器矢量控制的应用

作者：李国栋

来源：《数字化用户》2013年第15期

【摘 要】本文从实际应用出发，对变频器矢量控制模式的特点和调试进行了较祥细的论述。

【关键词】变频调速 矢量控制

在实际生产中变频器采用了调压调频技术，通过调整输出到电动机定子绕组上的电压幅度大小和电压频率高低来实现不同控制模式的调速方式。

1.变频器控制输出的电压幅度和电压频率的比值为常数时，基本实现恒磁通、恒转矩运行。但在低频时的转差率增加，最大扭矩下降；高频时，转差率减小，转矩基本恒定。 2.输出功率不变的方式，即电动机的转速上升，输出扭矩下降：电压频率超过电动机的额定频率时，频率继续上调时，电压幅度不能够超过额定电压，导致主磁通因电压频率上升而下降，输出的转矩下降，出现近似恒功率的状态。

3.采用矢量运行方式，在整个变速范围内，有效的控制输出转矩和转差率，调速效果接近直流电动机调速：变频器在给定值改变或者负载有明显变化时，能够更好的控制转速变化；尤其是输出给定子绕组的电压频率在较低范围时，转子的旋转速度相应的变得较慢，采用该运行模式，输出转矩可以得到更好的控制，转差率也能够和电压频率较高时的转差率基本一致；在转子完全静止时，也能够输出额定转矩。

变频器在矢量运行模式时，按照有没有采用转速反馈，可以采取两种控制方式：回转系统带旋转编码器的类型和不带旋转编码器的类型。下面接合某生产线变频驱动设备的调试过程，描述变频器矢量控制的特点和调试要求。

某生产线，由三条带式传送设备前后串联组成。前端的是铺装预压机，中部是板坯运输给料机，后部是压制成型机。这三部分由不同的厂家制造，也配套了不同的变频器驱动系统。 1.铺装预压机采用OMRON 3G3RV—B4450 45KW变频器驱动普通45KW三相异步电动机。采用无传感器矢量控制，频率给定方式：由压制成型机提供的4-20mA模拟量信号为主，以手动微调电位器0-10V模拟量信号为辅。电动机的输出轴采用带传动把动力输送到摆线针轮减速机的输入轴，其输出轴的转速大幅度下降，扭矩大幅度上升，通过刚性联轴器驱动铺装皮带的主动带轮。

2.板坯运输给料机由西门子MICROMASTER440 7.5KW变频器驱动。频率给定由压制成型机提供4—20A模拟量信号。电动机与蜗轮蜗杆式减速机采用刚性联轴器联接，减速机输出

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轴与驱动辊也采用刚性联轴器联接。按照无传感器矢量控制要求，变频器对电动机进行自学习，但电动机与驱动设备没有脱开，驱动的负载较大导致自学习失败。要脱开电机与减速机的联接又较因难，于是该变频器就改用了V/ƒ压频控制。

3.压制成型机由西门子MICROMASTER440 75KW变频器驱动，电动机为75KW变频调速电机，由减速机降速驱动生产设备。变频器的频率给定方式：PLC提供的4-20mA信号为主，以手动微调电位器0-10V信号为辅。变频器采用无传感器矢量模式，对电动机单体进行自学习。完成自学习后，矢量控制自动投入。

该生产线工作流程是：物料进入铺装成型机的铺装室内，在铺装皮带上按先细料后粗料再细料的粒度分层，平铺形成原始板坯。由铺装皮带输送进入预压区，由预压辊对原始坯品板。在板坯的成型输送过程中，要求三条运输带保持完全一致的的线速度。否则，将会导致板坯断裂或打褶。所以在速度控制上，变频器要求采用无传感器矢量控制，提高速度控制精度。全部变频器由相同的4-20mA信号作为频率给定，实现速度的同步变化。三条传送带间可能存在微小速度差别，因此给铺装带和压制成型带加装了就地速度微调，在较小范围内修正运行速度使三条传送带达到完全同步。经过无料试运行，对各带速度进行监控，对控制参数进行调整优化，实现了三条传送带速度的同步。给料试验，能够保证板坯的正常运行，无开裂和打褶。 初次加压，使其厚度下降，密度上升，形成初步强度。预压后板坯脱离铺装皮带进入板坯运输皮带，再经板坯运输给料机输送进入压制成型机。板坯在压制成型机中受到高压和加热，达到最终要求的密度和强度，成型板从压制成型机引出后经在线切载，形成要求长度尺寸的成 在试生产过程中，发现了板坯运输机蜗轮蜗杆减速机发热严重，磨损迅速，存在选型不当的情况。经与减速机厂家沟通后，换用齿轮蜗轮联合式减速机。速比和电动机极数都发生了变化。经过计算后，对板坯运输机变频器参数进行了重新设置，但仍使用了V/ƒ压频控制模式之后进行无料试运行，发现板坯带速度同步提升能力差，低速时低于同步速度，高速时高于同步速度。为实现同步运行，因此扩大了铺装机和成型机微调控制速度的范围。经手动微调，可以实现三条带的空载同步。给料试车后，发现板坯运输带速度同步性能变差。低速时，严重低于同步转速，高速时又明显高于同步转速，无法实现三条带速度的同步提升，板坯不是开裂就打褶，并且微调也无法在低速到高速范围内全都捕捉到同步，无法实现正常生产。

经过对更换前后的电机减速机总成进行了参数对比。发现原机电机为6极，960转/分的额定转速，减速机速比为63；新机电极为4极，1450转/分的额定转速，减速机速比为32.60 。这样，在相同的减速机输出轴转速情况下，原机电机转速是新机电机的转速的2.9倍。也就是说，达到相同的皮带运行速度时，新机要输入比原机低2.9倍的频率。由此发现，新电机减速机总成在生产所需运行速度范围内，运行在较低的频率范围。当变频器采用V/ƒ压频控制模式，在低端频率时，转差率明显上升；随输出频率上升，转差率又下降。最高工作转速时转差率与最低工作转速时转差率相差十分明显，无法实现高精度要求的同步调速要求。鉴于这种情况，是必须采用矢量控制才能满足运行要求。于是，把新电动机从减速机上拆下，对变频器运

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行模式进行更改，采用无传感器矢量控制。变频器对电动机进行了单体自学习，自学习成功后，无传感器矢量控制模式自动投入。

进行无物料试运行和有料生产运行，三条传送带的速度同步性很好，微调电位器时调速范围很小即可满足要求。进行连续生产，整个系统稳定可靠，达到设计要求。

这个变频器的应用案例表明：根据生产装置的特点，合理应用变频器的无传感器矢量控制即可实现较高精度的速度控制。尤其在低频时，可实现高性能的转矩特性。传统的V/ƒ压频控制，无法实现低端频率时恒转矩的稳定输出，转差率明显增大，实现不了高精度的速度控制。 参考文献：

[1] 宋书中 常晓玲 《交流调速系统》 机械工业出版社 2007年7月第2版 [2] 莫正康 《半导体变流技术》 机械工业出版 2007年一月第2版 作者简介：

李国栋，男，1975.03 14 汉