矢量型变频器

一、矢量变频技术矢量变频器技术是基于DQ轴理论而产生的,它的基本思路是把电机的电流分解为D轴电流和Q轴电流，其中D轴电流是励磁电流,Q轴电流是力矩电流,这样就可以把交流电机的励磁电流和力矩电流分开控制,使得交流电机具有和直流电机相似的控制特性,是为交流电机设计的一种理想的控制理论,大大提高了交流电机的控制特性.不过目前这种控制理论已经不仅仅应用在交流异步电动机上了,直流变频电动机（BLDC,也就是永磁同步电动机）也大量使用该控制理论.矢量与向量是数学上矢量（向量）分析的一种方法或概念，两者是同一概念，只是叫法不同，简单的定义是指既具有大小又具有方向的量。矢量是我们（大陆）的说法,向量的说法一般是港台地区的文献是用的.意义和"布什"和"布希"的意思大致一样.矢量控制主要是一种电机模型解耦的概念.在电气领域主要用于分析交流电量，如电机分析，等，在变频器中的应用即基于电机分析的理论进行变频控制的，称为矢量控制型变频器，实现的方法不是唯一的，但数学模型基本一致。二、引言交流电机矢量控制理论是德国学者KHass和FBlaschke建立起来的，作为交流异步电机控制的一种方式，矢量控制技术已成为高性能变频调速系统的首选方案。交流电机的矢量控制技术是基于交流电机的动态模型，通过建立交流电机的空间矢量图，采用磁场定向的方法将定子电流分解为与磁场方向一致的励磁分量和与磁场方向正交的转矩分量，并分别对磁通和力矩进行控制，而使异步电机可以像他励直流电机一样控制。随着计算机技术飞速发展，功能强大的数字信号处理器（DSP）的广泛应用使得矢量控制逐渐走向了实用化。DSP按数据格式可分为定点DSP和浮点DSP两类。考虑到价格原因，早期的矢量控制器多采用定点DSP，而浮点数运算要经过软件处理，因此增加了软件的复杂性。随着浮点DSP性价比的提高，更多的矢量控制器将采用浮点DSP。而要完成电机的高性能控制，PWM调制必须进行优化设计。在这种情况下，一个DSP很难完成矢量控制器和优化的PWM调制两项工作，需要双机协同工作才能完成高性能的矢量控制系统。本文基于TI公司的浮点DSP芯片TMS320VC33和TMS320F240设计了双微机结构的矢量控制系统。TMS320VC33主要完成矢量控制计算，发挥它浮点数运算快的特点，而TMS320F240用硬件实现PWM调制功能。本文给出一全数字化的双DSP矢量控制系统，并在1.5kW笼型异步电机上进行了实验，取得了良好效果。三、矢量控制的原理矢量控制技术通过坐标变换，将三相系统等效变换为M－T两相系统，将交流电机定子电流矢量分解成两个直流分量（即磁通分量和转矩分量），从而达到分别控制交流电动机的磁通和转矩的目的，因而可获得与直流调速系统同样好的控制效果。矢量控制系统采用双闭环控制系统，图1是其矢量控制系统框图。本系统中由测量所得的电机转速，通过矢量运算器产生磁场定向定子电流分量给定值和滑差角频度给定值和测量所得的电机转速经过积分运算可得转子磁通位置角0，并送至旋转变换环节。由测得的电流经矢量变换得到转矩电流分量iM和励磁电流分量iT，利用四、系统组成及设计如图2所示为基于双DSP矢量控制的三相笼型异步电机驱动系统的系统电路结构图，该变频器采用交直交电压型结构和SVPWM脉宽调制方式。系统由三相整流器、滤波电容、电压型逆变器、逆变器驱动电路、三相笼型异步电机和双DSP控制系统构成。其中双DSP控制系统由VC33子系统，F240子系统和数据交换单元三部分构成。矢量控制以VC33芯片为核心，用来完成矢量控制核心算法，及两相电流检测。F240主要完成三相PWM波形生成，电机测速及过压保护功能。数据交换部分采用双端口RAM,可使两个DSP芯片迅速、方便地交换数据，增强了双DSP系统的并行处理能力。五、系统软件设计系统软件由两部分组成，VC33子系统矢量控制软件和F240子系统的SVPWM控制软件。矢量控制包含大量的数学运算，整个算法由多个模块构成，如坐标变换、磁通计算、速度调节及转矩电流调节模块等。本系统中电流内环的控制时间为50ps,速度外环为400》s,如图3所示为VC33子系统的控制软件流程图。F240子系统控制软件主要完成SVPWM波形生成和电机测速程序，为达到良好的控制效果，本系统采用电压空间矢量，也就是利用六个非零电压矢量和两个零矢量的组合起来，使电压矢量尽量逼近圆周运动。转速测量用该芯片的脉冲捕获单元。如图4所示为F240的程序流程图。六、实验结果本文针对上述的控制方案进行了实验研究。电机为2对极三相笼型异步电机，直流侧电源是通过整流桥对三相交流电整流、滤波产生的。电机额定参数为：PN=1.5kW；UN=220V；IN=3.55A；fN=50Hz；nN=1400r/min。图5是电机稳态运行时，逆变器的驱动波形，定子电流、电压的波形，实验结果表明了控制方案的优良性能。七、结论由上述结果可得出以下结论：本文所设计的双DSP结构矢量控制系统中各子系统分工明确，能可靠完成各自功能，且设计合理。实验表明，系统控制精度高、实时性好、动态响应快。八、三晶矢量变频器在自动扶梯中的应用在不对扶梯的正常使用产生任何负面影响的前提下，引入矢量变频调速的概念。即变频器根据传感器产生的信号，在有人乘坐时，扶梯以原有速度运行（50Hz）；当无人时，扶梯减速到低速或停止运行。系统要求变频器启动运行平稳，加速性能好，启动转矩大，过载能力强，同时应具备当变频器调速系统出现故障时，控制系统自动切换到工频运行，保障扶梯输送功能的正常实施。对于客用自动扶梯，一般使用高峰期出现在下午及晚间时段，其余时段使用率较低，具有相当节能空间。根据以上改造原则，从投资成本及自动化水平两方面考虑，拟使用以下变频拖动方案：•采用SAJ-8000G变频器驱动电梯主机，变频器采用多段速控制模式，并设置主频率（低速）、多段速频率1（高速）两种运行频率；•在电梯首尾处各安装一支红外传感器开关，乘客通过电梯时，红外传感器开关被触发并发出开关信号给变频器；•有客流时，红外传感开关被触发，变频器立即加速到多段速频率2，并使电梯高速运行；•电梯高速运行时，变频器内置计时器开始计时，若在计时的时间段内再无乘客通过电梯，计时结束后变频器将自动切换到多段速频率1，进行低速运行；•若在计时器计时期间，有乘客重新触发光电开关，计时器将重新计时；•对电梯上行和下行，外围控制采用开关互锁，保证扶梯系统的正常工作；•为消耗下行，或者制动过程产生的多余能量，需在变频器上加装制动电阻。采用三晶矢量通用型变频器驱动电梯主机，不但能够满足系统启动运行平稳、启动转矩大、过载能力强、转速调节精度高的要求；而且电机通过变频拖动，可减少机械磨损，延长使用寿命，工作更加安全可靠，因为调节电机转速空间大，使得系统节能效果更为显著。矢量型变频器介绍1、 什么是变频器？变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。2、 PWM和PAM的不同点是什么？PWM是英文PulseWidthModulation（脉冲宽度调制）缩写，按一定规律改变脉冲列的脉冲宽度，以调节输出量和波形的一种调值方式。PAM是英文PulseAmplitudeModulation（脉冲幅度调制）缩写，是按一定规律改变脉冲列的脉冲幅度，以调节输出量值和波形的一种调制方式。3、 电压型与电流型有什么不同？变频器的主电路大体上可分为两类:电压型是将电压源的直流变换为交流的变频器，直流回路的滤波是电容;电流型是将电流源的直流变换为交流的变频器，其直流回路滤波石电感。4、 为什么变频器的电压与电流成比例的改变？异步电动机的转矩是电机的磁通与转子内流过电流之间相互作用而产生的，在额定频率下，如果电压一定而只降低频率，那么磁通就过大，磁回路饱和，严重时将烧毁电机。因此，频率与电压要成比例地改变，即改变频率的同时控制变频器输出电压，使电动机的磁通保持一定，避免弱磁和磁饱和现象的产生。这种控制方式多用于风机、泵类节能型变频器。5、电动机使用工频电源驱动时,电压下降则电流增加;对于变频器驱动,如果频率下降时电压也下降，那么电流是否增加？频率下降（低速）时,如果输出相同的功率,则电流增加,但在转矩一定的条件下,电流几乎不变。6、采用变频器运转时，电机的起动电流、起动转矩怎样？采用变频器运转，随着电机的加速相应提高频率和电压，起动电流被限制在150%额定电流以下（根据机种不同，为125%~200%）。用工频电源直接起动时，起动电流为6~7倍，因此，将产生机械电气上的冲击。采用变频器传动可以平滑地起动（起动时间变长）。起动电流为额定电流的1.2~1.5倍，起动转矩为70%~120%额定转矩；对于带有转矩自动增强功能的变频器，起动转矩为100%以上，可以带全负载起动。7、V/f模式是什么意思？频率下降时电压V也成比例下降，这个问题已在回答4说明。V与f的比例关系是考虑了电机特性而预先决定的，通常在控制器的存储装置（ROM）中存有几种特性，可以用开关或标度盘进行选择。8、 按比例地改V和f时，电机的转矩如何变化？频率下降时完全成比例地降低电压，那么由于交流阻抗变小而直流电阻不变,将造成在低速下产生地转矩有减小的倾向。因此，在低频时给定V/f,要使输出电压提高一些,以便获得一定地起动转矩,这种补偿称增强起动。可以采用各种方法实现，有自动进行的方法、选择V/f模式或调整电位器等方法。9、 在说明书上写着变速范围60~6Hz,即10:1,那么在6Hz以下就没有输出功率吗？在6Hz以下仍可输出功率，但根据电机温升和起动转矩的大小等条件，最低使用频率取6Hz左右，此时电动机可输出额定转矩而不会引起严重的发热问题。变频器实际输出频率（起动频率）根据机种为0.5~3Hz.10、 对于一般电机的组合是在60Hz以上也要求转矩一定，是否可以？通常情况下时不可以的。在60Hz以上（也有50Hz以上的模式）电压不变，大体为恒功率特性，在高速下要求相同转矩时，必须注意电机与变频器容量的选择。11、 所谓开环是什么意思？给所使用的电机装置设速度检出器（PG），将实际转速反馈给控制装置进行控制的，称为“闭环”，不用PG运转的就叫作“开环”。通用变频器多为开环方式，也有的机种利用选件可进行PG反馈。12、 实际转速对于给定速度有偏差时如何办？开环时，变频器即使输出给定频率，电机在带负载运行时，电机的转速在额定转差率的范围内（1%~5%）变动。对于要求调速精度比较高，即使负载变动也要求在近于给定速度下运转的场合，可采用具有PG反馈功能的变频器（选用件）。13、 如果用带有PG的电机，进行反馈后速度精度能提高吗？具有PG反馈功能的变频器，精度有提高。但速度精度的植取决于PG本身的精度和变频器输出频率的分辨率。14、 失速防止功能是什么意思？如果给定的加速时间过短，变频器的输出频率变化远远超过转速（电角频率）的变化，变频器将因流过过电流而跳闸，运转停止，这就叫作失速。为了防止失速使电机继续运转，就要检出电流的大小进行频率控制。当加速电流过大时适当放慢加速速率。减速时也是如此。两者结合起来就是失速功能。15、 有加速时间与减速时间可以分别给定的机种，和加减速时间共同给定的机种，这有什么意义？加减速可以分别给定的机种，对于短时间加速、缓慢减速场合，或者对于小型机床需要严格给定生产节拍时间的场合是适宜的，但对于风机传动等场合，加减速时间都较长，加速时间和减速时间可以共同给定。16、 什么是再生制动？电动机在运转中如果降低指令频率，则电动机变为异步发电机状态运行，作为制动器而工作，这就叫作再生（电气）制动。、是否能得到更大的制动力？从电机再生出来的能量贮积在变频器的滤波电容器中，由于电容器的容量和耐压的关系，通用变频器的再生制动力约为额定转矩的10%~20%。如采用选用件制动单元，可以达到50%~100%。、转矩提升问题自控系统的设定信号可通过变频器灵活自如地指挥频率变化，控制工艺指标，如在烟草行业的糖料、香料工序，可由皮带称的流量信号来控制变频器频率，使泵的转速随流量信号自动变化，调节加料量，均匀地加入香精、糖料。也可利用生产线起停信号通过正、反端子控制变频器的起、停及正、反转，成为自动流水线的一部分。此外在流水生产线上，当前方设备有故障时后方设备应自动停机。变频器的紧急停止端可以实现这一功能。在SANKEN、MF、FUT和FVT系列变频器中可以预先设定三四个甚至多达七个频率，在有些设备上可据此设置自动生产流程。设定好工作频率及时间后，变频器可使电机按顺序在不同的时间以不同的转速运行，形成一个自动的生产流程。三晶S350高性能矢量变频器S350系列是新一代高性能矢量变频器，有如下特点：■采用最新高速电机控制专用芯片DSP，确保矢量控制快速响应

■硬件电路模块化设计，确保电路稳定高效运行■外观设计结合欧洲汽车设计理念，线条流畅，外形美观■结构采用独立风道设计，风扇可自由拆卸，散热性好■无PG矢量控制、有PG矢量控制、转矩控制、V/F控制均可选择■强大的输入输出多功能可编