【正文】 個模擬量給定信號同時從不同的端子輸入時，其中必有一個為主給定信號，其他為輔助給定信號。疊加后在頻率給定線如圖13中的曲線②和曲線③所示。通常, 把第１單元稱為主令單元, 后面的各單元稱為從動單元。反之，如果后面的速度高于前面，將導(dǎo)致被加工物的撕裂。在調(diào)速時, 各單元必須同時調(diào)節(jié)。各單元的運(yùn)行線速度必須步調(diào)一致, 即實現(xiàn)同步運(yùn)行。把SV1和SV2取出的線速度信號在數(shù)據(jù)處理器中進(jìn)行比較后變換成同步信號，接至各從動單元的輔助給定輸入端，通過功能預(yù)置，使VR1端的主給定信號與VR2端的輔助給定信號相減。1單元是主令單元，不需要進(jìn)行微調(diào)。再開機(jī)時, 變頻器的運(yùn)行頻率有兩種狀態(tài)可供選擇:(2) 點動頻率功能 點動是各類機(jī)械在調(diào)試過程中經(jīng)常使用的操作方式。所以，點動頻率(用fJ表示)是通過功能預(yù)置來確定的。(3) 頻率給定異常時的處理功能 給定信號異常大致有以下兩種情形:(a) 給定信號丟失 　　 當(dāng)外接模擬頻率給定信號因電路接觸不良或斷線而丟失時，變頻器處理方式的選擇功能。(b) 給定信號小于最低頻率時的處理功能 有的負(fù)載在頻率很低時實際上不能運(yùn)行，因而需要預(yù)置最低頻率。當(dāng)實際給定信號小于最小給定信號時，應(yīng)視為異常狀態(tài)。以某攪拌機(jī)為例，如圖15(a)所示。 圖15 上限頻率和下限頻率 (b) 變頻器的上、下限頻率 根據(jù)生產(chǎn)機(jī)械所要求的最高與最低轉(zhuǎn)速，以及電動機(jī)與生產(chǎn)機(jī)械之間的傳動比，可以推算出相對應(yīng)的頻率，分別稱為上限頻率(用fH表示)與下限頻率(用fL表示)。上限頻率小于最高頻率 回避頻率(1) 基礎(chǔ)概念 任何機(jī)械在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，都或多或少會產(chǎn)生振動。如果生產(chǎn)機(jī)械運(yùn)行在某一轉(zhuǎn)速下時，所引起的振動頻率和機(jī)械的固有振蕩頻率相吻合的話，則機(jī)械的振動將因發(fā)生諧振而變得十分強(qiáng)烈(也稱為機(jī)械共振)，并可能導(dǎo)致機(jī)械損壞的嚴(yán)重后果。(2) 回避頻率的預(yù)置 預(yù)置回避頻率時，必須預(yù)置以下兩個數(shù)據(jù):(3) 回避頻率的數(shù)量 大多數(shù)變頻器都可以預(yù)置三個回避頻率, 如圖16(b)所示。脈寬調(diào)制的基本方法是:各脈沖的上升沿和下降沿都是由正弦波和三角波的交點決定的，如圖17所示。三角波的頻率就稱為載波頻率，用fC表示。顯然, 電壓脈沖序列的頻率必等于載波頻率。脈動電流將使電動機(jī)鐵心的硅鋼片之間產(chǎn)生電磁力并引起振動，產(chǎn)生電磁噪聲。所以, 有的變頻器對于調(diào)節(jié)載波頻率的功能, 稱為音調(diào)調(diào)節(jié)功能。(b) 載波頻率與死區(qū) 　 逆變橋中, 同一橋臂的上、下兩個逆變管是在不停地交替導(dǎo)通的，為了保證在交替導(dǎo)通時, 只有當(dāng)一個逆變管完全截止的情況下, 另一個逆變管才開始導(dǎo)通。載波頻率和死區(qū)的關(guān)系有如下的幾個方面: 圖18 載波頻率對輸出電流的影響 因此，載波頻率越高，變頻器的允許輸出電流越小，如圖18所示(圖中曲線系根據(jù)西門子440系列變頻器提供的資料作出)。 圖19 載波頻率的影響 (2) 載波頻率對其他設(shè)備的影響(a) 高頻電壓的影響(b) 高頻電流的影響如圖19(b)所示。電磁感應(yīng)對其他設(shè)備的干擾 高頻電流產(chǎn)生的高頻磁場將通過電磁感應(yīng)對其他設(shè)備的控制線路產(chǎn)生干擾。電磁輻射對其他設(shè)備的干擾 高頻電磁場具有強(qiáng)大的輻射能量，使其他設(shè)備，尤其通訊設(shè)備受到干擾。載波頻率越高，諧波電流的頻率也越高，則電動機(jī)定子繞組的趨表效應(yīng)越嚴(yán)重，有效電阻值及其損失增大，電動機(jī)的輸出功率越小。載波頻率越高，死區(qū)的累計時間越大，變頻器實際工作的時間越短，輸出功率越小。參考文獻(xiàn)(略)作者簡介張燕賓(1937) 男 高級工程師 退休前在宜昌市自動化研究所工作，曾任自動化研究所副所長、宜昌市科委駐深圳聯(lián)絡(luò)處主任。著作:SPWM變頻調(diào)速應(yīng)用技術(shù)(編著，機(jī)械工業(yè)出版社1997年12月初版。變頻調(diào)速應(yīng)用實踐(主編，機(jī)械工業(yè)出版社2001年1月出版)。講座二—電動機(jī)特性的控制功能 ControlfortheCharacteristicsMotor摘　　要: 本文綜述了變頻器為了改善電動機(jī)的機(jī)械特性而設(shè)置的各種控制模式及其相關(guān)功能。V/F控制矢量控制旋轉(zhuǎn)編碼器paperallmodeimprovingmechanicalofAndsfunction.Keywords:ControlV/FboostVectorcontrol1圖1 異步電動機(jī)的輸入和輸出 (1) 問題的提出(a) 電動機(jī)的輸入功率眾所周知，電動機(jī)是將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的器件。式(2)中:TM─電動機(jī)軸上的轉(zhuǎn)矩，N(c) 頻率下降后出現(xiàn)的問題毫無疑問，頻率下降的結(jié)果是轉(zhuǎn)速下降。由式(2)知, 轉(zhuǎn)速下降的結(jié)果是:電動機(jī)的輸出功率下降。如果仔細(xì)分析的話，當(dāng)頻率下降時，輸入功率將是有增無減的(因為反電動勢將減小)。所以，其能量是通過磁場來傳遞的。 那么，PM是如何增大的呢？ (3) 定子側(cè)的等效電路(a) 定子磁通及其在電路中的作用如圖3(a)所示，定子磁通可以分為兩個部分:圖3 定子側(cè)的等效電路　主磁通Φ1是穿過空氣隙與轉(zhuǎn)子繞組相鏈的部分，是把能量傳遞給轉(zhuǎn)子的部分。 式(7)表明，反電動勢E1與頻率fX和主磁通ΦM的乘積成正比:在頻率一定的情況下，反電動勢的數(shù)值直接反映了主磁通的大小。漏磁通Φ0是未穿過空氣隙與轉(zhuǎn)子繞組相鏈的部分，它并不傳遞能量，它在定子繞組中產(chǎn)生的自感電動勢只起電抗的作用，稱為漏磁電抗X1，其壓降為I1X1。 (c) 電磁功率的計算如上述，把能量從定子傳遞給轉(zhuǎn)子的是主磁通ΦM，而主磁通ΦM在電路中通過反電動勢E1來體現(xiàn)，所以，電磁功率可計算如下: 保持磁通不變的必要性和途徑(1) 保持磁通不變的必要性(a) 磁通減小因此，如果磁通減小，電磁轉(zhuǎn)矩也必減小，導(dǎo)致帶載能力降低?！‰妱訖C(jī)的磁路將飽和，由于在變頻調(diào)速時，運(yùn)行頻率fX是在相當(dāng)大的范圍內(nèi)變化的，因此，如不采取措施的話，磁通的變化范圍也是非常大的。圖4的上半部是電動機(jī)的磁化曲線。圖4 磁化曲線與勵磁電流所以，變頻調(diào)速的一個特殊問題便是:當(dāng)頻率fX變化時，必須使磁通Φ保持不變: Φ＝const (2) 保持磁通不變的方法由式(8)知，保持Φ＝const的準(zhǔn)確方法是: 即，在調(diào)節(jié)頻率時，必須保持反電動勢E1X和頻率fX的比值不變。于是用保持定子側(cè)輸入電壓和頻率之比等于常數(shù)來代替:所以, 在改變頻率時, 必須同時改變定子側(cè)的輸入電壓。 變壓變頻存在的問題及原因分析(1) 存在的問題(a) 衡量調(diào)速性能的主要因素電動機(jī)的基本功能是拖動生產(chǎn)機(jī)械旋轉(zhuǎn)，因此，在低頻時的帶負(fù)載能力便是衡量變頻調(diào)速性能好壞的一個十分重要的因素。圖5 頻率下降(U/f＝C)后的機(jī)械特性 (2) 臨界轉(zhuǎn)矩下降的原因分析(a) 電磁轉(zhuǎn)矩的產(chǎn)生因此，問題的關(guān)鍵便是:在滿足式(16)的情況下，低頻時能否保持磁通量基本不變？(b) 電磁轉(zhuǎn)矩減小的原因當(dāng)頻率fX下降時，輸入電壓U1X隨之下降。由式(12)知, 磁通ΦM也必減小，磁通不變的要求并沒有真正得到滿足，結(jié)果是導(dǎo)致電動機(jī)的臨界轉(zhuǎn)矩也減小。 V/F控制功能 V/F控制模式(1) 指導(dǎo)思想為了確保電動機(jī)在低頻運(yùn)行時，反電動勢和頻率之比保持不變，真正實現(xiàn)Φ＝const，在式(16)的基礎(chǔ)上，適當(dāng)提高U/f比，使KU＞Kf，從而使轉(zhuǎn)矩得到補(bǔ)償，提高電動機(jī)在低速時的帶負(fù)載能力。這種方法稱為轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償或轉(zhuǎn)矩提升，這種控制方式稱為V/F控制模式。與變頻器的最大輸出電壓對應(yīng)的頻率稱為基本頻率，用fBA表示。圖8在這種情況下，由于U/f比將隨頻率的上升而下降，電動機(jī)磁路內(nèi)的磁通也因此而減小，處于弱磁運(yùn)行狀態(tài)。 U/f線的選擇功能(1) 不同負(fù)載在低速時對轉(zhuǎn)矩的要求各類負(fù)載在低速時所呈現(xiàn)的阻轉(zhuǎn)矩是很不一樣的, 例如:(a) 二次方律負(fù)載阻轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的二次方成正比，如圖9中的曲線①所示。圖9 各類負(fù)載的機(jī)械特性 (b) 恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載在不同的轉(zhuǎn)速下, 負(fù)載的阻轉(zhuǎn)矩基本不變, 如圖9中之曲線②所示。(c) 恒功率負(fù)載在不同的轉(zhuǎn)速下，負(fù)載功率保持恒定，其機(jī)械特性呈雙曲線狀，如圖9中之曲線③所示。 (2) 變頻器對U/f線的設(shè)置　因為每臺變頻器應(yīng)用到什么負(fù)載上是不確定的，而不同負(fù)載在低頻時對U/f比的要求又很不一致。使用戶可以根據(jù)電動機(jī)在低速運(yùn)行時負(fù)載的輕重來選擇U/f比，如圖10所示。反之, 如果負(fù)載在低速時的轉(zhuǎn)矩較輕而轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償(U/f比)預(yù)置得較大，則補(bǔ)償過分，低速時電動機(jī)的磁路將飽和，勵磁電流發(fā)生畸變，嚴(yán)重時會因勵磁電流峰值過高而導(dǎo)致“過電流”跳閘。調(diào)試時，U/f比的預(yù)置宜由小逐漸加大，每加大一檔，觀察在最低頻時能否帶得動負(fù)載？及至能帶動時，還應(yīng)反過來觀察空載時會不會跳閘？一直到在最低頻率下運(yùn)行時，既能帶得動負(fù)載，又不會空載跳閘時為止。 矢量控制功能 基本思想(1) 對直流電動機(jī)的分析在變頻調(diào)速技術(shù)成熟之前，直流電動機(jī)的調(diào)速特性被公認(rèn)為是最好的。圖11 直流電動機(jī)的特點 (b) 電路特點它的勵磁電路和電樞電路是互相獨立的，如圖11(b)所示。 (2) 變頻器的矢量控制模式(a) 基本構(gòu)思仿照直流電動機(jī)的控制特點，對于調(diào)節(jié)頻率的給定信號，分解成和直流電動機(jī)具有相同特點的磁場電流信號i*M和轉(zhuǎn)矩電流信號i*T，并且假想地看作是兩個旋轉(zhuǎn)著的直流磁場的信號。對于控制電路分解出的控制信號i*M和i*T，根據(jù)電動機(jī)的參數(shù)進(jìn)行一系列的等效變換，得到三相逆變橋的控制信號i*A、i*B和i*C，對三相逆變橋進(jìn)行控制，如圖12所示。 圖12 矢量控制框圖 (b) 無反饋矢量控制模式與有反饋矢量控制模式根據(jù)在實行矢量控制時，是否需要轉(zhuǎn)速反饋的特點，而有無反饋和有反饋矢量控制之分。由于計算量較大，故動態(tài)響應(yīng)能力稍差。由于轉(zhuǎn)速大小直接由速度傳感器測量得到，既準(zhǔn)確、又迅速。 電動機(jī)數(shù)據(jù)的輸入如上述，要實現(xiàn)矢量控制功能，必須根據(jù)電動機(jī)自身的參數(shù)進(jìn)行一系列等效變換的計算。因此，把電動機(jī)銘牌上的額定數(shù)據(jù)以及定、轉(zhuǎn)子的參數(shù)輸入給變頻器，就是實現(xiàn)矢量控制的必要條件。這給矢量控制的應(yīng)用帶來了困難。但檢測的具體方法，各種變頻器不盡相同。 (2) 自動檢測方法舉例“1”—允許自動檢測?！?”—進(jìn)行自動檢測，步驟如下:(a) 將電動機(jī)的銘牌數(shù)據(jù)預(yù)置給變頻器(～)。(c) 按變頻器鍵盤上的RUN鍵, 變頻器將執(zhí)行自動 檢測。“2”—變頻器設(shè)置了一個自動檢測的操作程序(說明書中稱為“調(diào)諧宏”)。檢測完畢后，自動轉(zhuǎn)為“0”。和變頻器配用的測速裝置大多采用旋轉(zhuǎn)編碼器。兩者在相位上互差90176。45176。每旋轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)，編碼器輸出的脈沖數(shù)可根據(jù)情況選擇。Z相為原點標(biāo)記，其特點是:每轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)，只輸出１個相位固定的脈沖，作為原點的標(biāo)志。圖13 編碼器的信號與接線 (2) 編碼器與變頻器的聯(lián)接主要有兩種類型:一種是直接聯(lián)接，例如艾默生TD3000系列變頻器和編碼器之間的聯(lián)接如圖14(a)所示。 另一種類型以安川VS616G7系列變頻器為例，須配置專用的PG速度控制卡，如圖14(b)所示。(3) 編碼器脈沖數(shù)的選擇一般說來，電動機(jī)在最高頻率下工作時，編碼器的脈沖頻率以接近于20kHz為佳，即: 矢量控制的應(yīng)用要點(1) 應(yīng)用矢量控制的注意點由于矢量控制必須根據(jù)電動機(jī)的參數(shù)進(jìn)行一系列的演算，因此，其使用范圍必將受到一些限制。例如，變頻器的“配用電動機(jī)容量”為45kW，電動機(jī)的下一檔容量為37kW。(b) 電動機(jī)的磁極數(shù)(c) 電動機(jī)的型號以生產(chǎn)變頻器的同一家公司生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)電動機(jī)或變頻調(diào)速專用電動機(jī)為最佳，一般的通用電動機(jī)也都可用。(d) 電動機(jī)的臺數(shù)矢量控制只適用于一臺變頻器控制一臺電動機(jī)的場合。以利于在調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的過程中，或者拖動系統(tǒng)發(fā)生擾動(負(fù)載突然加重或減輕)時，能夠使控制系統(tǒng)既反映迅速，又運(yùn)行穩(wěn)定。(b) 用于系統(tǒng)控制(例如供水系統(tǒng)的恒壓控制等)的PID調(diào)節(jié)功能。 (2) 矢量控制的主要優(yōu)點低頻轉(zhuǎn)矩大在整個頻率調(diào)節(jié)范圍內(nèi)，都具有較硬的機(jī)械特性，所有機(jī)械特性基本上都是平行的。動態(tài)響應(yīng)好4　迄今為止，我們所討論的變頻調(diào)速，都是以控制電動機(jī)的轉(zhuǎn)速為目的的，其基本特點有:(a) 變頻器輸出頻率的大小(從而電動機(jī)轉(zhuǎn)速的高低)隨給定信號的大小而變。因此, 是隨負(fù)載的輕重而隨時變化的。(2) 轉(zhuǎn)矩控制的特點轉(zhuǎn)矩控制是矢量控制模式下的一種特殊控制方式。當(dāng)給定信號為5V時，電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩為Tmax/2(如圖中之狀態(tài)②)。圖15 轉(zhuǎn)矩控制的概念如果給定的電動機(jī)轉(zhuǎn)矩不變(等于TMX)，而負(fù)載轉(zhuǎn)矩變化，系統(tǒng)的運(yùn)行如圖16(a)中之曲線③所示:圖16 轉(zhuǎn)矩控制時的轉(zhuǎn)速當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL小于TMX時，拖動系統(tǒng)將加速，并且一直加速至變頻器預(yù)置的上限頻率，拖動系統(tǒng)將按上限轉(zhuǎn)速ｎH運(yùn)行。當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL又小于TMX時, 拖動系統(tǒng)又加速到上限轉(zhuǎn)速nH。當(dāng)電動機(jī)轉(zhuǎn)矩大于負(fù)載轉(zhuǎn)矩時，拖動系統(tǒng)開始加速，加速度隨動態(tài)轉(zhuǎn)矩(TJ=TMTL)的增加而增加。當(dāng)拖動系統(tǒng)已經(jīng)起動后，仍