变频器知识讲解

变频器控制功能的参数选择与典型应用一、相关参数1、加减速时间变频器加速时间、减速时间分别对应电机在启动过程从0Hz到最大输出频率所需要的时间、停止过程中从最大输出频率到0Hz所需要的时间。

加减速时间的大小将直接影响频率给定跃变到实际最终输出频率响应时间的长短。

对于诸如风机类大惯量平方特性负载，时间值的过长或过短都将容易引发变频器在启动、停止过程中的过压、过流故障的发生。

需要在实际调试中通过不断的启停操作的尝试来寻找合理的时间设定值。

2、与电机保护直接相关的参数变频器不仅是一个变频、变压装置，更是一个电机综合保护装置，通常都有以下保护功能参数：输入/输出缺相保护、电子热保护、热敏保护、过载保护、过流保护、堵转保护等。

除输入缺相保护是对进线电源因素的保护外，后5种保护都是针对电机的直接保护，区别在于热敏保护是一种直接的电机温度信号检测结果的保护，而其它保护则是一种基于电机铭牌数据（包括额定功率、电流、电压、频率、转速，以及定子电阻与电抗）而进行的电流热效应计算的理论保护。

电机的铭牌数据可以手动设置，在大多数主流变频器中，也可以利用一个被称为“自动马达适配”（AMA：Auto Motor Adapter）的参数帮助我们自动设置电机的部分特征参数。

另外，需要指出的是堵转保护功能的使能作用，经常会导致电机启动过程中实际加减速时间将不再严格按照加减速时间参数的设定值进行，通常会导致实际启停过程的时间延长。

3、与启停操作和频率给定方式相关的参数撇开RS-485串行通讯方式，变频器的启停操作方式和频率给定方式一般都各自有2种：操作面板和端子。

因此，我们可以得出变频器如表1所述的4种组合运行方式：表1 启停操作与频率给定方式的组合其中，“0”代表该方式无效，“1”代表该方式有效。

它们各代表的意义是，编号0：全端子操作与频率给定方式；编号1：端子启停+面板频率给定方式；编号2：面板启停+端子频率给定方式；编号3：全面板操作与频率给定方式。

在集中控制系统应用中以编号0方式（下文会常用到）使用的最多。

在对变频器的主要基本参数做出介绍后，下面让我们来介绍一下变频器中都有哪些常用的控制方式，针对这些控制方式都应用在哪些比较典型的应用场合，以及相应需要设置哪些相关参数。

本文把以下将要介绍的开环与闭环控制方式、工艺过程控制方式、开环转矩控制方式、速度反馈转矩控制方式统称为常规控制方式，而把专用变频器或通过选件卡实现的为某个特定行业应用而采用的控制方式称为特殊控制方式。

二、控制方式典型应用1、开环与闭环速度控制方式对变频器控制而言，所谓开环就是变频器的运行输出频率只受频率给定值大小变化的影响，而没有与外部反馈信号作用建立数学关系或根本就不存在外部反馈信号。

可见开环控制方式在概念上是一种只顾“命令”而不顾“实际结果”的控制方式（之所以说是概念上，是因为现在有些变频器产品，诸如通过滑差补偿等参数的设定可以达到命令与结果之间有一定程度的关联），因此，开环速度控制方式的速度精度不够精确，对需要追求高精度速度准确性或实际速度追踪调节的控制应用场合，就需要采用闭环速度控制方式。

需要申明的是，我们在这里讲的开环与闭环都是站在变频器设备的角度而不是控制系统角度进行判定的。

比如，在我们经常看到的变频恒压供水系统中，那些通过数字PID仪表来设定压力给定值和接收现场压力变送器的实际压力反馈信号的控制方式，若站在控制系统角度，这个系统就是闭环控制方式，但若站在变频器角度看，在这里仍然被称为开环控制方式，因为对变频器而言它的运行频率给定来自PID仪表的输出，整个给定、反馈、调节等功能全部又PID仪表来完成的，变频器只是被作为一个驱动执行设备在使用。

1.1 开环速度控制方式● 问题1的提出假设有这样一个印刷业务用户，希望通过变频驱动实现对收卷过程的恒定线速度控制，具体要求如下：（1）启停操作和调速都在现场操作箱上进行，并可通过电位器在控制箱上调节收卷的线速度；（2）收卷电机的线速度要始终与牵引电机的线速度保持一致（放卷由刹车片控制，张力由张力架调节）；（3）限定速度调节范围。

针对用户的机械设备和提出的这个需求，我们将其控制驱动对象分为2个部分：牵引辊道电机驱动和收卷筒电机的驱动。

● 问题1的分析首先，让我们看看用户对牵引电机控制的要求，针对用户的需求，可以把其中对牵引电机的需求收集为表2所示的具体子项，并将这些子项对应给出所需求的变频器功能。

很显然，按照表2中的参数，在牵引电机上只需要采用开环速度控制方式就可以满足用户对牵引电机变频驱动的要求。

同时，按照表2中的各项“需求对应的变频器功能”，我们也很容易去寻找到具备这样功能的变频器，那么，我们也就能相当轻松地完成用户对牵引电机的控制需求了。

当然，除了表2中的需要功能外，变频器的一些基本参数功能，诸如：电机参数、频率参数、加减速时间参数等，无论在什么样的控制方式应用系统中都是必不可少需要设置的。

表2 开环速度控制方式的功能需求与参数选择通过以上分析，可以得出如表2所示的分析结果。

再按照表2中的归类后的功能需求，逐个分解为对变频器某些特定的、具体的参数的设置。

1.2 闭环速度控制方式● 问题2的提出同问题1的提出，如图2(a)，略。

● 问题2的分析首先，由于用户需要收卷电机的运行线速度与牵引电机保持一致，为达到这个目的，我们只要将牵引电机与收卷电机用同一个速度给定就可以实现这2台电机角速度的一致（当然，也可以将牵引电机实际运行速度的输出信号DC4～20mA或DC0～5V/10V作为收卷电机的速度给定信号，这2种方式的差异在于：前者为同步速率给定方式；而后者为主从随动给定方式，存在一定的响应延迟，具体差异分析，略）；其次，由于收卷滚筒在运行过程中，随着纸张等物体被不断地缠绕在滚筒上，导致滚筒的半径在不断地增大，如果收卷电机的角速度保持不变，那么，收卷过程中的线速度也同样在不断地加快，为满足用户对收卷过程中线速度恒定的需求，必须想办法让收卷电机的角速度随滚筒半径的增长而降低，以实现线速度恒定的目的。

为此，需要一个检测线速度的传感器信号，以此来作为变频器的速度反馈，告诉变频器要做出角速度的实时调整。

我们在夹送导向辊上安装了编码器（不能安装在电机轴或收卷滚筒轴上，否则，编码器测出的信号就不是线速度反馈信号而是角速度反馈信号），以编码器的脉冲率来表示实际线速度的快慢。

这样对于2#变频器而言，它既有一个用电位器表示的给定速度，又有一个用编码器的脉冲来表示的实际速度反馈信号，因此，2#变频器就应该是一个闭环速度控制方式的应用案例。

通过以上对用户需求的分析，我们可以得出如表3所示的结果。

表3 闭环速度控制方式的功能需求与参数选择在表3中，我们略去了与闭环速度控制非直接相关的其它一些功能的列举，在实际应用中就像对基本参数的需求一样，同样需要对这些功能进行选择与相应参数的设置。

2、工艺过程闭环控制方式传统的V/F控制实际上是一种角速度的控制模式，而闭环速度控制是通过对实际角速度的检测的一种调节控制。

但是，在现实的许多应用场合，显然，我们并不只关心电机的速度，而可能更多地要关注生产工艺过程中的某些被控对象的参数测量值，这些参数包括：温度、压力、流量、液位等信号。

比如，在混配料系统中，我们可能需要关心某种配料的质量或流量，而这个量却并不直接与电机的速度成正比例或反比例关系，这是工艺闭环过程控制与上面所叙述的闭环速度控制的根本差别，当然，工艺过程闭环控制也是一种闭环控制，它关注的不是速度而是工艺过程的参数变量。

在诸如这样的一些应用场合，就需要我们采用工艺过程闭环控制方式。

● 问题3的提出假定有一个需要进行混配料比例控制的用户，他的配料A和配料B由各自的配料电机送入配料搅拌筒中进行混合均匀搅拌，其中，配料B有生产过程决定其送料的多少，而配料A需要根据配料B的变化始终保持在搅拌筒混合料中的比例恒定。

现要求对配料A的电机进行变频控制，以实现如下具体需求：（1）配料A的比例可以自由设定；（2）既使在配料B的量是变化的时候，配料A在混料搅拌筒中的比例也要维持在设定比例。

● 问题3的分析首先，用户对配料电机A的控制需求是要根据配料B的变化始终维持恒定的配料A所占比例的一种闭环控制方式，这个反馈信号是混料筒中的配料A所占的比例信号，它与电机的速度无关，因此，可以准确地定位这种控制需求为工艺过程闭环控制方式。

其次，用户要求配料比可以在生产过程中根据需要进行设定，为此，需要提供配料A所占比例的设定手段—电位器给定配料比方式。

椐此可以得到如表4所示的需求与对应功能。

表4 工艺过程闭环控制方式的功能需求与参数选择对比表4与表3，可以看见，他们之间的差异除了控制方式的选择区别外，还有一个最为明显的差异，那就是表4中作为控制对象的参考量与反馈值都是生产工艺过程中的参数（这样设定的参数与反馈的参数都更直接表达了生产过程状态，也更加直观明了），而不再是速度参数。

撇开这些表面上的差异，几乎完全可以用一个虚拟的闭环“速度”控制来实现。

从这个意义上讲，工艺过程闭环控制方式与闭环速度控制方式在本质上是没有差异的，它是闭环速度控制方式的延伸形式与变种应用。

3、开环转矩控制方式上面介绍的无论是开环与闭环速度控制，还是工艺过程闭环控制，其实质都还是变频器的矢量控制技术的一种应用。

矢量控制实现的基本原理是通过测量和控制异步电动机定子电流矢量，根据磁场定向原理分别对异步电动机的励磁电流和转矩电流进行控制，从而达到控制异步电动机转矩的目的。

具体是将异步电动机的定子电流矢量分解为产生磁场的励磁电流分量和产生转矩的转矩电流分量分别加以控制，并同时控制两分量间的幅值和相位，即控制定子电流矢量，所以，称这种控制方式称为矢量控制方式。

矢量控制方式又有基于转差频率控制的矢量控制方式、无速度传感器矢量控制方式和有速度传感器的矢量控制方式等。

而转矩控制则是以转矩为中心来进行磁链、转矩的综合控制。

和矢量控制不同，直接转矩控制不采用解耦的方式，从而在算法上不存在旋转坐标变换，简单地通过检测电机定子电压和电流，借助瞬时空间矢量理论计算电机的磁链和转矩，并根据与给定值比较所得差值，实现磁链和转矩的直接控制。

对交流电机的直接转矩控制（DTC）技术的引入，使得交流电机转矩特性像直流电机一样在应用中表现的“硬”起来了，因此，DTC可以说是变频器技术发展史上的又一个里程碑。

目前，在丹佛斯VLT2800/5000、ABB ACS6000、爱默生TD2000等产品中都有直接转矩控制功能。

开环转矩控制方式就是利用变频器本身对电机的转矩的控制来实现输出轴转矩的稳定控制，这种控制方式可广泛地应用在那些在运行过程中需要保持转矩恒定，不需要改变运行方向的场合，诸如：卷绕、挤压、皮带输送等相关行业应用。