变频器的电机控制模式

1、 变频器变频器的电机控制模式的电机控制模式SSD 市场部市场部2005年11月SSD Marketing2概述概述n 变频器对电机有多种控制模式n 不同的控制模式可以使变频器适用于各种类型的电机和机械，可以获得不同的静态和动态性能n 电机控制模式包括：o开环V/F模式（两点或5点）o开环电压矢量控制模式（SVCU）o开环电流矢量控制模式（SVCI）o闭环速度控制模式（FVC）o转矩控制模式o同步电机控制模式oENA系统SSD Marketing3磁通矢量控制基础磁通矢量控制基础n 异步电机的磁通矢量控制的概念来自于直流电机，尤其是他励式异步电机，结构如下图所示。n 当直流电机的定子绕组两端加上

2、电压后，在定子绕组中就会流过恒定的电流Id,称为励磁电流就会在定子和转子的气隙中产生按空间分布的磁场，但每极磁通是恒定的，记为 f 。 fKf*Idn 在电机的转子绕组（称为电枢）中如果通过电流Iq，即电枢电流。则其与气隙磁通 f相作用，产生电磁转矩Tm，其关系为：其关系为：Tm=KT* f*Iqn 而转子以转速n在定子磁场中切割产生的感应电势即电动势E为： E=Ke * f*nn 当然转子绕组中流过电枢电流也会影响气隙磁场的分布，气隙磁场实际上是定子电流产生的磁场与电枢电流产生的磁场之和。但是每极磁通值基本不受影响。n 这样激磁电流，电枢电流，电动势，电磁转矩之间都是线性关系。直流电机直流电

3、机磁通电流磁通电流电枢电流电枢电流 s rSSD Marketing4磁通矢量控制基础磁通矢量控制基础n 三相异步电机的定转子电流，电压，感应电势，磁通等都是交变的，所以其控制比直流电机要复杂很多。n 但是三相异步电机的定子绕组是对称三相绕组，加上对称三相电压后产生的电流是对称三相电流，该电流流过三相对称绕组，在电机气隙中产生的磁场是沿空间呈正弦分布，幅值不变的旋转磁场，其转速为同步速，由频率和绕组极对数决定。n 转子绕组在气隙磁场中感应的电势以及由此产生的感应电流仍然是对称的正弦变化的，与气隙磁通和转速成正比。而产生的电磁转矩由气隙磁通和转子电流决定。n 这些关系与直流电机相比也是类似的。n

4、 而且，如果站在转子上看，定子，转子所产生的磁场也是静止且沿空间呈正弦分布的。n 所以，从根本上将，直流电机和异步电机的模型是类似的。同步电机也莫不如此。Id磁通磁通转矩转矩 r sIq异步电机异步电机SSD Marketing5磁通矢量控制基础磁通矢量控制基础n 磁通矢量控制的原理就是根据电机的数学模型，将电流和电压进行分解，从而将转矩和磁通解耦，变为如下关系：Flux r = K1 IdTorque C = K2 s Iq磁通与电流的Id 分量（直轴分量）成正比若磁通恒定，则转矩与电流的Iq 分量（交轴分量）成正比n 在矢量控制中，变频器将输出给电机的电流分成产生转矩的分量和产生磁通的分量

5、，分别称为有功分量和无功分量。n 这类似于他励式直流电机。n 磁通保持恒定，从而在一定的速度范围内获得恒定的转矩。n 矢量控制具有速度估算的功能，用以对转矩和磁通进行实时修正。n 这样相对于标量的V/F控制模式性能就好多了，如低速转矩，动态响应，速度精度等。n 如果要进行精确的磁通矢量控制，变频器内必须有电机的精确模型参数，如定转子电阻，漏电抗，激磁电抗等。SSD Marketing6V/F控制与磁通矢量控制的比较控制与磁通矢量控制的比较磁通矢量控制磁通矢量控制 V/F 控制控制自动补偿自动补偿 (RI 补偿和滑差补偿补偿和滑差补偿)手动补偿手动补偿 (原点电压原点电压U0)C/CnFrSFr

6、S51013100%200 %C/CnF hzF hzSSD Marketing7V/F控制与磁通矢量控制的比较控制与磁通矢量控制的比较n V/F控制控制模型简单，不需要精确的电机模型，只需要（额定电压，额定频率）和原点电压就可以了。n 磁通矢量控制需要知道电机的铭牌参数，并需要进行自整定，以确定磁通矢量控制所需要的电机模型。n 磁通矢量控制可以根据负载的情况进行精确的滑差补偿，以及低频RI补偿，从而获得较高的速度精度，较宽的调速范围和快速的动态响应，以及优越的低速性能。n V/F控制在低速段只能有固定的低频电压补偿，在运行过程中只能根据电流的大小进行不精确的手动滑差补偿，所以其静态和动态驱动

7、性能与磁通矢量控制都有一定的差距。n 但V/F控制适用于特殊参数电机，并联电机，非匹配电机以及比较特殊的负载，或者处于节能的目的，进一步降低磁通的场合。SSD Marketing8转矩与电流的关系转矩与电流的关系 50% In1.5 In2 In转矩转矩“Id” = 磁通磁通100%162%220%0.5 In0%例如：某电机的励磁电流分量例如：某电机的励磁电流分量 Id = 50% of In n 在磁通恒定的情况下，转矩与有功电流呈正比关系。n 而有功电流与磁通电流正交，其和为总的电机电流。n 所以转矩与电流的关系，与电机的类型和大小，以及参数的优化有一定关系。n 例如，假设变频器的电流过

8、载能力为1.5In，则对0.75KW电机的过转矩能力为1.85Tn，而15KW电机的过转矩能力为1.72Tn。典型值典型值 SSD Marketing9电压磁通矢量控制（电压磁通矢量控制（SVCU）+-(d,q) (a,b,c)速度估算速度估算电压计算电压计算电流调节电流调节电流测量电流测量(d,q) (a,b,c)电机电机转速调节转速调节电流电流/转矩限幅转矩限幅 Iq ref磁通计算磁通计算电流互感器电流互感器Vd, VqPWMIq s refId ref积分积分 estId Iq滑差补偿滑差补偿+ consIdVcVaVbSSD Marketing10电压磁通矢量控制（电压磁通矢量控制（

9、SVCU）的驱动特性之的驱动特性之400V/11KW电动机象限电动机象限SSD Marketing11电压磁通矢量控制（电压磁通矢量控制（SVCU）的驱动特性之的驱动特性之400V/11KW低速特性低速特性SSD Marketing12电压磁通矢量控制（电压磁通矢量控制（SVCU）性能性能o良好的动态特性o根据电机参数及设定的优化 (电流限幅可从变频器额定电流In的150% 至165% 调整)，过载能力达170%甚至超过 200%o在1Hz的频率下可产生额定转矩（参数优化后0,5Hz）o最高输出频率 500Hzo速度精度（误差）不超过滑差的10 %o调速范围1: 50 (参数优化后1:100）

10、o可用于拖动并联电机SSD Marketing13电压磁通矢量控制（电压磁通矢量控制（SVCU）性能）性能n 电压矢量控制折中了性能和鲁棒性.n 仅仅在开环模式有效n 上述性能对同等规格电机和小一档电机获得保证n 传感器反馈（光电编码器或测速发电机）可以提高静态速度精度n 这种模式体现在：oATV71的开环电压矢量控制模式oATV58的标准控制模式oATV38在nrd=no时的时的控制模式oATV31当Uftn时的控制模式oATV11的标准控制模式n 应用 :o提升o一般物料处理设备o需要低速转矩的机械o并联电机，磁阻同步电机o带ENA功能的不平衡负载SSD Marketing14开环的电流磁

11、通矢量控制（开环的电流磁通矢量控制（SVCI）+-(d,q) (a,b,c)速度估算速度估算电压计算电压计算电流调节电流调节 电流测量电流测量(d,q) (a,b,c)电机电机速度调节速度调节电流电流/转矩限幅转矩限幅 Iq ref磁通计算磁通计算电流互感器电流互感器Vd, VqPWMIdIq s refId ref积分积分 estId Iq滑差补偿滑差补偿+电磁感应估算电磁感应估算 consIdVcVaVbSSD Marketing15开环的电流磁通矢量控制（开环的电流磁通矢量控制（SVCI）驱动性能之驱动性能之400V/11KW的转矩特性曲线的转矩特性曲线SSD Marketing16开环

12、的电流磁通矢量控制（开环的电流磁通矢量控制（SVCI）驱动性能之驱动性能之400V/11KW的转矩特性曲线（低速段）的转矩特性曲线（低速段）SSD Marketing17开环的电流磁通矢量控制（开环的电流磁通矢量控制（SVCI）的驱动性能）的驱动性能n 整体性能可与电压矢量控制相比n 总是具有更好的转矩精度和更好的弱磁制动能力n 同等规格的电机可以并联于变频器下方n 1Hz时可以输出满转矩,(优化后0,5hz)n 速度精度误差 =额定滑差的10 %n 调速范围1: 50 (优化后1:100)n 转矩调节模式 :o精度15%o最高可达额定转矩(Cn)的 +/-300%SSD Marketing1

13、8闭环的电流磁通矢量控制（闭环的电流磁通矢量控制（FVC）+-(d,q) (a,b,c)速度测量速度测量电压计算电压计算电流调节电流调节电流测量电流测量(d,q) (a,b,c)电机电机速度调节速度调节电流电流/转矩限幅转矩限幅 Iq ref磁通计算磁通计算电流传感器电流传感器Vd, VqPWMIdIq s refId ref积分积分 estId Iq滑差补偿滑差补偿+激磁的估算激磁的估算 consIdVcVaVb编码器编码器SSD Marketing19闭环的电流磁通矢量控制（闭环的电流磁通矢量控制（SVCI）驱动性能之驱动性能之400V/11KW的转矩特性曲线的转矩特性曲线SSD Mark

14、eting20闭环的电流磁通矢量控制（闭环的电流磁通矢量控制（SVCI）驱动性能之驱动性能之400V/11KW的转矩特性曲线（低速段）的转矩特性曲线（低速段）SSD Marketing21闭环的电流磁通矢量控制（闭环的电流磁通矢量控制（SVCI）的驱动性能）的驱动性能n 电动机和发电机象限可获得零速转矩n 速度精度误差可达电机额定转速的 0,01%*n 调速范围可达1: 1000*n 带宽:o0.37 to 2.2kW50Hzo3 to 7.5kW30Hzo7.5 to 75kW15Hzo280 kW 8 Hz o500 kW 5 Hzo不能适用于并联电机o转矩调节模式 : 精度 5% 最大可

15、达额定转矩(Cn)+/-300%* 典型值，与脉冲编码器的分辨率有关典型值，与脉冲编码器的分辨率有关SSD Marketing22电流磁通矢量控制（电流磁通矢量控制（SVCI）的驱动性能）的驱动性能o非常卓越的动态速度和转矩特性o瞬态过转矩从170%至超过 200%, 取决于电机及其设定的优化 (电流限幅可在变频器额定输出电流的 150% 到165%)o最高输出频率 500Hzo需要电机的铭牌信息，需要进行自整定o磁通反馈功能改进了无制动电阻情况下的制动能力.o电流矢量控制模式可以提高变频器输出转矩和转速的动静态性能o需要对电机性能有良好的理解o与 ATV58F的相关功能兼容o在开环和闭环方式

16、有效n 应用 :o垂直提升运动o快速处理机械o快速物料搬运 o定位o需要转矩控制功能的场合SSD Marketing23压频比模式（压频比模式（V/F）(d,q) (a,b,c)电压计算电压计算电流调节电流调节电流测量电流测量(d,q) (a,b,c)电动机电动机电流限幅电流限幅 Iq ref磁通计算磁通计算电流互感器电流互感器Vd, VqPWM s refId ref积分积分 consVcVaVbU0 refId IqSSD Marketing24两点压频比模式两点压频比模式n UNS 和FRS 定义了电机的额定工作点.n U0 是0Hz时施加在电机上的（提升）电压定子电压定子电压 输出频率

17、输出频率U0UNSFRSSSD Marketing255点压频比模式点压频比模式n 5 个点 U1:F1至 U5:F5可以使V/F曲线与负载转矩相对应n 例如，对高速电机可以避免共振现象F5定子电压定子电压U0UNSF1F2F3F4U1U3U5U2U4频率频率负载转矩负载转矩SSD Marketing26压频比模式（压频比模式（V/F）的性能）的性能原点电压和V/Hz曲线可调整最高频率 1000Hz，调速范围1: 10速度精度误差可能大于滑差5Hz起满转矩 (优化后)性能有所降低的试验设备的可能方案允许控制额定功率小于变频器额定输出1/10的电机n 压频比模式无矢量控制n 不需要速度估算，或滑

18、差补偿n 可能的两种曲线: 2点式U/f 和 5点式U/Fn 典型应用 :o特殊电机或未知电机o高速电机o并联电机（不同规格）o不同数目的电机，可能在运行中切换o单相电机o通过变压器供电的电机o小规格电机试验SSD Marketing27同步电机控制模式同步电机控制模式+-(d,q) (a,b,c)Speed Estimation Voltage CalculationCurrent RegulationCurrent measurement(d,q) (a,b,c)MotorSpeed RegulationCurrent/Torque LimitationIq refFlux Calcula

19、tionCurrent SensorsVd, VqPWMIq s refId refIntegration estId Iq consIdVcVaVbSSD Marketing28同步电机控制的驱动特性之同步电机控制的驱动特性之变频器变频器: 2.2kW, 400V3相相电机电机: Pn=1.1kW, FrS=150Hz, UnS=295V, nCr=2.6A , nSP=3000tr/mn LDA=LQA=3000, RSA=4770, PHA=161, NTQ = 3.5Nm , PPN = 3SSD Marketing29同步电机控制模式同步电机控制模式n 在全速段范围内和加减速过程中保

20、证同步n 调速范围50n 速度精度0.1%n 额定力矩起始频率为1Hz (50 Hz 电机，对于150 Hz 电机是3Hz) n 可提供170到200以上的过力矩，视电机和变频的优化设置（将变频器电流限幅从150调至165）n 可放大变频器以实现驱动额定力矩36倍同步电机的能力n 运行在额定速度以上也具有矢量控制的性能(pseudo-defluxed).n 不能通过LI（逻辑输入）实现力矩控制和直流注入n 可以利用特殊参数进行优化n 同步电机控制方式可用于控制永磁同步电机的有极或无极调速n 仅适用于电机开环控制方式n 具有开环电压矢量控制的性能n 应用:o纺织机械，螺旋式绕线筒o应用于为减小电

21、机尺寸而采用同步电机的场合SSD Marketing30ENA 系统系统n ENA是对驱动不平衡负载机械的电机控制算法的自适应功能n 它允许 :o不带制动电阻的操作不带制动电阻的操作o机械约束的减少机械约束的减少o减少电源电流的波动减少电源电流的波动o实现能量的节省实现能量的节省n 应用类型 :o抽油机o挤压机械o石头切割锯 .SSD Marketing31ENA 功能功能n 它能在电机控制菜单中击 (ENA=yes), 仅仅在电压矢量时有效(CTR = SVCU)n 在发电象限ENA功能强制转矩到0(TLIP=0).这避免在一个旋转的不平衡负载上使用制动电阻制动电阻。n 2 个特定的速度环增益设定允许机械应力的限制并实现节能的最佳化。o比例增益 ENA (GPE)o积分增益 ENA (GIE) Estimated Speed FeedbackTorque limitation+-GPE GIEActive Speed ReferenceTLIP=0Applied TorqueSSD Marketing32ENA 功能功能载荷载荷ResistiveOverhauling速度给定速度给定速度速度HSPAVS 平均速度平均速度较容易地显示平均速度较容易地显示平均速度 (AVS)和减速比和减速比 (RAP)SSD Marketing33控制模式概览控制模式概览SVC U