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由圖1中可以看出，當電動(dòng)機的運行頻率高于一定值時(shí)，變頻器的輸出電壓不再能隨頻率的上升而上升，我們就將該特定值稱(chēng)之為基本運行頻率，用fb表示。也就是說(shuō)，基本運行頻率是指變頻器輸出最高電壓時(shí)對應的最小頻率。在通常情況下，基本運行頻率是電動(dòng)機的額定頻率，如電動(dòng)機銘牌上標識的50Hz或60Hz。同時(shí)與基本運行頻率對應的變頻器輸出電壓稱(chēng)之為最大輸出電壓，用Vmax表示。 對于其他特殊的負載，如同步電動(dòng)機，則可以通過(guò)設置用戶(hù)自定義V/ f曲線(xiàn)的幾個(gè)參數，來(lái)得到任意V/ f曲線(xiàn)，從而可以適應這些負載的特殊要求和特定功能。自定義V/ f曲線(xiàn)一般都通過(guò)折線(xiàn)設定，典型的有三段折線(xiàn)和兩段折線(xiàn)。 1.3 V/f曲線(xiàn)轉矩補償
李方園（1973 －）
男， 籍貫浙江舟山，畢業(yè)于浙江大學(xué)電氣自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)，高級工程師，長(cháng)期從事于變頻器等現代工控產(chǎn)品的應用與研究工作。
通常意義上講的低壓變頻器，其輸出電壓一般為220～650V、輸出功率為0.2～400kW、工作頻率為0～800Hz左右，變頻器的主電路采用交－直－交電路。根據不同的變頻控制理論，其模式主要有以下三種：
（1） V/f=C的正弦脈寬調制模式
（2） 矢量控制（VC）模式
（3） 直接轉矩控制（DTC）模式
針對以上三種控制模式理論，可以發(fā)展為幾種不同的變頻器控制方式，即V/f控制方式（包括開(kāi)環(huán)V/f控制和閉環(huán)V/f控制）、無(wú)速度傳感器矢量控制方式（矢量控制VC的一種）、閉環(huán)矢量控制方式（即有速度傳感器矢量控制VC的一種）、轉矩控制方式（矢量控制VC或直接轉矩控制DTC）等。這些控制方式在變頻器通電運行前必須首先設置。
1 V/f控制方式
1.1 基本概念
眾所周知，變頻器V/f控制的基本思想是U/f=C，因此定義在頻率為fx時(shí)，Ux的表達式為Ux/fx=C，其中C為常數，就是“壓頻比系數”。圖中所示就是變頻器的基本運行V/f曲線(xiàn)。
圖1 基本運行V/f曲線(xiàn)
當電動(dòng)機的運行頻率超過(guò)基本運行頻率fb后，U/f不再是一個(gè)常數，而是隨著(zhù)輸出頻率的上升而減少，電動(dòng)機磁通也因此減少，變成“弱磁調速”狀態(tài)。
基本運行頻率是決定變頻器的逆變波形占空比的一個(gè)設置參數，當設定該值后，變頻器CPU將基本運行頻率值和運行頻率進(jìn)行運算后，調整變頻器輸出波形的占空比來(lái)達到調整輸出電壓的目的。因此，在一般情況下，不要隨意改變基本運行頻率的參數設置，如確有必要，一定要根據電動(dòng)機的參數特性來(lái)適當設值，否則，容易造成變頻器過(guò)熱、過(guò)流等現象。
1.2 預定義的V/f曲線(xiàn)和用戶(hù)自定義V/f曲線(xiàn)
由于電動(dòng)機負載的多樣性和不確定性，因此很多變頻器廠(chǎng)商都推出了預定義的V/f曲線(xiàn)和用戶(hù)自定義的任意V/f曲線(xiàn)。
預定義的V/f曲線(xiàn)是指變頻器內部已經(jīng)為用戶(hù)定義的各種不同類(lèi)型的曲線(xiàn)。如艾默生EV2000變頻器有三種特定曲線(xiàn)（圖2a），曲線(xiàn)1為2.0次冪降轉矩特性、曲線(xiàn)2為1.7次冪降轉矩特性、曲線(xiàn)3為1.2次冪降轉矩特性。羅克韋爾AB PowerFlex 400變頻器有4種定義的曲線(xiàn)（如圖2b），其定義的方式是在電動(dòng)機額定頻率一半（即50％FN）時(shí)的輸出電壓是電動(dòng)機額定電壓的30％時(shí)（即30％VN）為曲線(xiàn)1，35％VN為曲線(xiàn)2，40％VN為曲線(xiàn)3，VN為曲線(xiàn)4。這些預定義的V/f曲線(xiàn)非常適合在可變轉矩（如典型的風(fēng)機和泵類(lèi)負載）中使用，用戶(hù)可以根據負載特性進(jìn)行調整，以達到最優(yōu)的節能效果。
a)艾默生EV2000 b)AB PoweFlex 400
圖2 預定義V/f曲線(xiàn)
以三段折線(xiàn)設定為例（如圖3），F通常為變頻器的基本運行頻率，在某些變頻器中定義為電動(dòng)機的額定頻率，V通常為變頻器的最大輸出電壓，在某些變頻器中定義為電動(dòng)機的額定電壓。如果最大輸出電壓等于額定電壓或者基本運行頻率等于額定頻率，則兩者是一回事，如果兩者之間數值不相等，就必須根據變頻器的用戶(hù)手冊來(lái)確定具體的數據。圖中給出了三個(gè)中間坐標數值，即（F1，V1）、（F2，V2）、（F3，V3），用戶(hù)只需填入相應的電壓值或電壓百分比以及頻率值或頻率百分比即可。如果將其中的兩點(diǎn)重合就可以看成是二段折線(xiàn)設定。
雖然用戶(hù)自定義V/F曲線(xiàn)是可以任意設定，但是一旦數值設定不當，就會(huì )造成意外故障。如低頻時(shí)轉矩提升電壓過(guò)高，造成電動(dòng)機起動(dòng)時(shí)低頻抖動(dòng)。所以，V/F曲線(xiàn)特性必須以滿(mǎn)足電動(dòng)機的運行為前提條件。
圖3 用戶(hù)自定義V/f曲線(xiàn)
變頻器在啟動(dòng)或極低速運行時(shí)，根據V/f曲線(xiàn)，電動(dòng)機在低頻時(shí)對應輸出的電壓較低，轉矩受定子電阻壓降的影響比較顯著(zhù)，這就導致勵磁不足而使電動(dòng)機不能獲得足夠的旋轉力，因此需要對轉矩進(jìn)行補充補償，這稱(chēng)為轉矩補償。通常的做法是對輸出電壓做一些提升補償，以補償定子電阻上電壓降引起的輸出轉矩損失，從而改善電動(dòng)機的輸出轉矩。
圖4中，V0表示手動(dòng)轉矩提升電壓、Vmax表示最大輸出電壓、f0表示轉矩提升的截止頻率、fb表示基本運行頻率。 閉環(huán)V/f控制為了獲得良好的速度控制性能，還必須設置比例增益P值和積分時(shí)間I值，圖5b所示為參數設置情況。 有時(shí)為了描述上的方便，也把無(wú)速度傳感器的矢量控制方式稱(chēng)為開(kāi)環(huán)矢量控制或無(wú)PG反饋矢量控制。 從上面已經(jīng)知道，參數辨識分電動(dòng)機靜止辨識和旋轉辨識2種，其中在靜止辨識中，變頻器能自動(dòng)測量并計算定子和轉子電阻以及相對于基本頻率的漏感抗，并同時(shí)將測量的參數寫(xiě)入；在旋轉辨識中，變頻器自動(dòng)測量電動(dòng)機的互感抗和空載電流。 速度調節器ASR的整定參數包括比例增益P和積分時(shí)間I，其數值大小將直接影響矢量控制的效果，其目標就是要取得動(dòng)態(tài)性能良好的階躍響應（圖9a）。具體調節的影響情況如下：（1）增加比例增益P，可加快系統的動(dòng)態(tài)響應，但P值過(guò)大，系統容易振蕩；（2）減小積分時(shí)間I值，可加快系統的動(dòng)態(tài)響應，但I值過(guò)小，系統超調就會(huì )增大，且容易產(chǎn)生振蕩；（3）通常先調整比例增益P值，保證系統不振蕩的前提下盡量增大P值，然后調節積分時(shí)間I值使系統既有快速的響應特性又超調不大。
圖4 轉矩補償
對于V0的設置原則一般有以下幾點(diǎn)：（1）當電動(dòng)機與變頻器之間的距離太遠時(shí)，由于線(xiàn)路壓降增大，應適當增大V0值；（2）當電動(dòng)機容量小于變頻器額定容量時(shí)，由于此容量電動(dòng)機的繞組電阻比大容量電動(dòng)機大，電阻壓降也大，應適當增大V0值；（3）當電動(dòng)機抖動(dòng)厲害時(shí)，說(shuō)明轉矩過(guò)大，轉矩補償增益調得過(guò)高，應適當減小V0值。這里必須避免這樣一個(gè)誤區：即使提高很多輸出電壓，電動(dòng)機轉矩并不能和其電流相對應的提高。這是因為電動(dòng)機電流包含電動(dòng)機產(chǎn)生的轉矩分量和其它分量（如勵磁分量）。
關(guān)于截止頻率f0，在有些變頻器中是固定的頻率值，如ABB ACS550變頻器f0＝20Hz、羅克韋爾AB PowerFlex 400變頻器f0＝25Hz；有些變頻器是可以設置的，如艾默生EV2000變頻器f0＝0~50%基本運行頻率。
轉矩補償可以根據變頻器的參數設置選擇手動(dòng)和自動(dòng)，如手動(dòng)設置允許用戶(hù)V0在0－20%或30％Umax之間任意設定，自動(dòng)設置則是變頻器根據電動(dòng)機啟動(dòng)過(guò)程中的力矩情況進(jìn)行自動(dòng)補償，其參數是隨著(zhù)負載變化而更改的。
1.4 閉環(huán)V/f控制
閉環(huán)V/f控制就是在V/f控制方式下，設置轉速反饋環(huán)節。測速裝置可以是旋轉編碼器，也可以是光電開(kāi)關(guān)，安裝方式比較自由，既可以安裝在電動(dòng)機軸上，也可以安裝在其他相關(guān)聯(lián)的位置。同樣，通常所說(shuō)的不帶轉速反饋的V/f控制，也稱(chēng)之為開(kāi)環(huán)V/f控制。
閉環(huán)V/f控制選用速度反饋信號可以選用一相或者二相信號，一相信號如接近開(kāi)關(guān)或是旋轉編碼器的A相和B相之一。旋轉編碼器是一種測量旋轉角度的測量器件，它集機、光、電技術(shù)于一體，通過(guò)光電轉換，將角位移轉換成相應的電脈沖或數字信號輸出。旋轉編碼器通常采用兩個(gè)相位差90度的方波編碼方式，其旋轉方向由兩個(gè)波形的相位差決定。旋轉編碼器有很多種型號，通常的速度反饋則選用增量型編碼器，電動(dòng)機的運動(dòng)速度由一定時(shí)間內編碼器所產(chǎn)生的脈沖信號決定。脈沖信號輸出即可與變頻器的PG接口相連接，就可以得到測量。編碼器的精度由旋轉一周產(chǎn)生方波數決定，當旋轉一周可產(chǎn)生2000個(gè)方波時(shí)，每一個(gè)方波周期表示為360°/2000，其最大的響應頻率達到100kHz左右。
圖5所示為旋轉編碼器PG與變頻器VF組成的閉環(huán)V/f控制。圖5a中，PS+/PS-為編碼器的工作電源，A+信號為A相信號或B相信號，本控制方式采用一相反饋。
a)PG接口示意
b)速度增益曲線(xiàn)
圖5 閉環(huán)V/f控制接線(xiàn)圖和速度增益示意
其調整參數必須遵循以下原則：第一，最低輸出頻率的增益調整。請用最低輸出頻率控制電動(dòng)機運行，在此狀態(tài)下，在無(wú)振動(dòng)的范圍內增大P02值，然后，在無(wú)振動(dòng)范圍內減小設定I02值。監視變頻器的輸出電流，并且確認達到變頻器額定電流50％以下的輸出電流，超過(guò)50％時(shí)，請減小P02值，增大I02值。第二，最高輸出頻率的調整。請用最高輸出頻率控制電動(dòng)機運行，在此狀態(tài)下，在無(wú)振動(dòng)的范圍內增大設定P01值，然后，在無(wú)振動(dòng)范圍內減小設定I01值。第三，增益的微調。在增益更細微調整時(shí)，可以邊觀(guān)察速度波形邊微調。在加速完成時(shí)發(fā)生上沖超調，請減小P01值，增大I01值，停止時(shí)發(fā)生下沖超調，請減小P02值，增大I02值。
帶PG閉環(huán)V/f控制系統要注意以下幾點(diǎn)：（1）一般編碼器為5～36V工作電源，因此必須要選用合適的PG接口電源，確保編碼器正常工作；（2）編碼器的工作方式有許多種，包括集電極開(kāi)路、推挽式和線(xiàn)驅動(dòng)，集電極開(kāi)路還分NPN或PNP，因此必須在選配合適PG接口的基礎上，還必須選用正確的接線(xiàn)方式和跳線(xiàn)方式（NPN或PNP方式）；（3）編碼器與變頻器的距離一般以不超過(guò)100米為宜，必須采用屏蔽和抗干擾處理；（4）閉環(huán)V/f控制多用于簡(jiǎn)易速度控制，且安裝位置可以不在電動(dòng)機軸端，因此在參數設置上必須加以區別，設定轉速計算值必須折算到電動(dòng)機側；（5）轉速的設定和反饋一般都以轉/分（rpm）為單位，一般而言設定值在面板上可以數字輸入，若是用模擬信號作為給定量時(shí)，模擬給定最大值對應于電動(dòng)機的同步轉速。
2 無(wú)速度傳感器矢量控制方式
2.1 基本概念
在高性能的異步電動(dòng)機矢量控制系統中，轉速的閉環(huán)控制環(huán)節一般是必不可少的。通常，采用旋轉編碼器等速度傳感器來(lái)進(jìn)行轉速檢測，并反饋轉速信號。但是，由于速度傳感器的安裝給系統帶來(lái)一些缺陷：系統的成本大大增加；精度越高的編碼器價(jià)格也越貴；編碼器在電動(dòng)機軸上的安裝存在同心度的問(wèn)題，安裝不當將影響測速的精度；電動(dòng)機軸上的體積增大，而且給電動(dòng)機的維護帶來(lái)一定困難，同時(shí)破壞了異步電動(dòng)機的簡(jiǎn)單堅固的特點(diǎn)；在惡劣的環(huán)境下，編碼器工作的精度易受環(huán)境的影響。而無(wú)速度傳感器的控制系統無(wú)需檢測硬件，免去了速度傳感器帶來(lái)的種種麻煩，提高了系統的可靠性，降低了系統的成本；另一方面，使得系統的體積小、重量輕，而且減少了電動(dòng)機與控制器的連線(xiàn)。因此，無(wú)速度傳感器的矢量控制方式在工程應用中變得非常必要。
無(wú)速度傳感器的矢量控制方式是基于磁場(chǎng)定向控制理論發(fā)展而來(lái)的。實(shí)現精確的磁場(chǎng)定向矢量控制需要在異步電動(dòng)機內安裝磁通檢測裝置，要在異步電動(dòng)機內安裝磁通檢測裝置是很困難的，但人們發(fā)現，即使不在異步電動(dòng)機中直接安裝磁通檢測裝置，也可以在通用變頻器內部得到與磁通相應的量，并由此得到了無(wú)速度傳感器的矢量控制方式。它的基本控制思想是根據輸入的電動(dòng)機的銘牌參數，按照一定的關(guān)系式分別對作為基本控制量的勵磁電流（或者磁通）和轉矩電流進(jìn)行檢測，并通過(guò)控制電動(dòng)機定子繞組上的電壓的頻率使勵磁電流（或者磁通）和轉矩電流的指令值和檢測值達到一致，并輸出轉矩，從而實(shí)現矢量控制。采用矢量控制方式的通用變頻器不僅可在調速范圍上與直流電動(dòng)機相匹配，而且可以控制異步電動(dòng)機產(chǎn)生的轉矩。由于矢量控制方式所依據的是準確的被控異步電動(dòng)機的參數，因此需要在使用時(shí)準確地輸入異步電動(dòng)機的參數，并對拖動(dòng)的電動(dòng)機進(jìn)行調諧整定，否則難以達到理想的控制效果。
無(wú)速度傳感器矢量控制方式的基本技術(shù)指標定義如下：速度控制精度±0.5％，速度控制范圍1：100，轉矩控制響應<200ms，啟動(dòng)轉矩>150％/0.5Hz。其中啟動(dòng)轉矩指標，根據不同品牌的變頻器其性能有所高低，大致在150％～250％之間。如圖6所示為安川G7的無(wú)速度傳感器矢量控制方式下的啟動(dòng)轉矩特性，在0.3Hz極低速下能達到150%以上的轉矩。
圖6 無(wú)速度傳感器矢量控制方式啟動(dòng)轉矩特性
2.2 電動(dòng)機參數的調諧整定
由于電動(dòng)機磁通模型的建立必須依賴(lài)于電動(dòng)機參數，因此選擇無(wú)速度傳感器矢量控制時(shí)，第一次運行前必須首先對電動(dòng)機進(jìn)行參數的調諧整定。目前新型矢量控制通用頻器中已經(jīng)具備異步電動(dòng)機參數自動(dòng)調諧、自適應功能，帶有這種功能的通用變頻器在驅動(dòng)異步電動(dòng)機進(jìn)行正常運轉之前可以自動(dòng)地對異步電動(dòng)機的參數進(jìn)行調諧后存儲在相應的參數組中，并根據調諧結果調整控制算法中的有關(guān)數值。
自動(dòng)調諧（因在電動(dòng)機旋轉情況下進(jìn)行，又稱(chēng)旋轉式調諧）的步驟一般是這樣的：首先在變頻器參數中輸入需要調諧的電動(dòng)機的基本參數，包括電動(dòng)機的類(lèi)型（異步電動(dòng)機或同步電動(dòng)機）、電動(dòng)機的額定功率（單位是KW）、電動(dòng)機的額定電流（單位是A）、電動(dòng)機的額定頻率（單位是Hz）、電動(dòng)機的額定轉速（單位轉/分）；然后將電動(dòng)機與機械設備分開(kāi)，電動(dòng)機作為單體；接著(zhù)用變頻器的操作面板指令操作，變頻器的控制程序就會(huì )一邊根據內部預先設定的運行程序自動(dòng)運轉，一邊測定一次電壓和一次電流，然后計算出電動(dòng)機的各項參數。但在電動(dòng)機與機械設備難以分開(kāi)的場(chǎng)合卻很不方便，此時(shí)可采用靜止式調諧整定的方法，即將固定在任一相位、僅改變振幅而不產(chǎn)生旋轉的三相交流電壓施加于電動(dòng)機上，電動(dòng)機不旋轉，由此時(shí)的電壓、電流波形按電動(dòng)機等值回路對各項參數進(jìn)行運算，便能高精度測定控制上必需的電動(dòng)機參數。在靜止式調諧中，用原來(lái)方法無(wú)法測定的漏電流也能測定，控制性能進(jìn)一步提高。利用靜止式調諧技術(shù)，可對于機械設備組合一起的電動(dòng)機自動(dòng)調諧、自動(dòng)測定控制上所需的各項常數，因而顯著(zhù)提高了通用變頻器使用的方便性。
從圖7的異步電動(dòng)機的T型等效電路表示中可以看出，電動(dòng)機除了常規的參數如電動(dòng)機極數、額定功率、額定電流外，還有R1（定子電阻）、X11（定子漏感抗）、R2（轉子電阻）、X21（轉子漏感抗）、Xm（互感抗）和I0（空載電流）。
圖7 異步電動(dòng)機穩態(tài)等效電路
2.3 速度調節器ASR
速度調節器ASR的結構如圖所示，圖8中Kp為比例增益，KI為積分時(shí)間。積分時(shí)間設為0時(shí)，則無(wú)積分作用，速度環(huán)為單純的比例調節器。由于是無(wú)速度傳感器矢量控制方式，速度環(huán)的實(shí)際速度來(lái)源于變頻器內部的實(shí)際計算值。
圖8 速度調節器簡(jiǎn)化框圖
圖9b是比例增益P值與速度調節器ASR的階躍響應關(guān)系，圖9c是積分時(shí)間I值與速度調節器ASR的階躍響應關(guān)系。
（a）
（b）
（c）
圖9 速度調節器ASR的階躍響應與PI參數的關(guān)系
一般的矢量變頻器為了適應電動(dòng)機低速和高速帶載運行都有快速響應的情況，都設有兩套PI參數值（即低速PI值和高速PI值），同時(shí)設有切換頻率。為了保證兩套PI值的正常過(guò)渡，一些變頻器還另外設置了兩個(gè)切換頻率，即切換頻率1和切換頻率2，如圖10。其控制原理是：低于切換頻率1的頻率動(dòng)態(tài)響應PI值取A點(diǎn)的數值，高于切換頻率2的頻率動(dòng)態(tài)響應PI值取B點(diǎn)的數值，位于切換頻率1和切換頻率2的頻率動(dòng)態(tài)響應PI值取兩套PI參數的加權平均值。 如果PI參數設置不當，系統在快速啟動(dòng)到高速后，可能產(chǎn)生減速過(guò)電壓故障（如果沒(méi)有外接制動(dòng)電阻或制動(dòng)單元），這是由于在速度超調后的下降過(guò)程中系統再生制動(dòng)狀態(tài)能量回饋所致，因此合適的PI值對于系統的穩定性至關(guān)重要。
圖10 PI參數與頻率切換的關(guān)系
2.4 轉差補償增益和靜差率
靜差就是從一個(gè)穩定的轉速過(guò)渡到另一個(gè)穩定的轉速之間的差值，靜差率是指電動(dòng)機空載與滿(mǎn)載的速度差，這兩個(gè)參數對于電動(dòng)機的控制特性都是要求比較高的。
由于無(wú)速度傳感器的矢量控制方式對于轉速的測量是間接的，一般都是通過(guò)容易測量的定子電壓和電流信號間接求得轉速。目前常用的方法有：（1）利用電動(dòng)機模型推導出轉速方程式，從而計算轉速；（2）利用電動(dòng)機模型計算轉差頻率，進(jìn)行補償；（3）根據模型參考自適應控制理論，選擇合適的參考模型和可調整模型，同時(shí)辨識轉速和轉子磁鏈；（4）利用其它辨識或估計方法求得轉速；（5）利用電動(dòng)機的齒諧波電勢計算轉速；等等。但是，無(wú)論哪一種方法，對于電動(dòng)機實(shí)際運行的速度計算或辨識精度都非常有限，為了精確調整靜差，確保電動(dòng)機的靜差率低于0.01%，就需要對轉差補償增益進(jìn)行設置。
所謂轉差補償增益，就是用于計算轉差頻率，設定值100％表示額定的轉矩電流對應額定的轉差頻率，因此設置合理的轉差補償增益系統可以精確調整速度控制的靜差。其參數的設置原則是：當電動(dòng)機重載時(shí)速度偏低，就應該加大該系數，反之就減小該參數。
參考文獻
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北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號