剖析變頻器控制功能的參數(shù)選擇

1 引言

隨著電力電子技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，各類低壓變頻器的控制功能和控制技術(shù)性能得到了快速提升，相應(yīng)地帶來(lái)了變頻器的各種控制功能和大量名目繁多的相關(guān)控制參數(shù)，參數(shù)的選擇與參數(shù)的設(shè)置就顯得相當(dāng)?shù)闹匾蛷?fù)雜。那么，如何從應(yīng)用場(chǎng)合需求的角度來(lái)選擇控制方式并正確的設(shè)置相關(guān)參數(shù)，就不再是建立在對(duì)參數(shù)的孤立記憶與理解之上了，而是要求技術(shù)人員有全面的系統(tǒng)分析與解決實(shí)際問(wèn)題的能力。

通常，面對(duì)一個(gè)特定的變頻器應(yīng)用場(chǎng)合，應(yīng)按照：提出問(wèn)題→分析問(wèn)題→解決問(wèn)題的思路進(jìn)行，為此，首先要將應(yīng)用需求和實(shí)際工礦環(huán)境信息、數(shù)據(jù)加以收集、整理（這實(shí)際上就是提出問(wèn)題），避免實(shí)際需求功能的重復(fù)和遺漏，需求功能的遺漏會(huì)最終造成無(wú)法完整地實(shí)現(xiàn)目標(biāo)，而需求功能的重復(fù)是一種表象，容易導(dǎo)入混亂，需要技術(shù)人員從功能性特征的角度去加以歸并；其次，將這些需求歸類為對(duì)變頻器功能指標(biāo)的具體需求（這就是分析問(wèn)題），這時(shí)還不需要考慮這些歸類后的需求到底要依靠哪個(gè)或哪些具體參數(shù)功能，而只需要考慮需求歸類的完整性、合理性與可行性，盡量減少需求歸類后各個(gè)功能需求中交叉現(xiàn)場(chǎng)的出現(xiàn)；最后，將歸類后的功能需求逐個(gè)分解為對(duì)變頻器某些特定的、具體的參數(shù)的設(shè)置需求（這就是解決問(wèn)題），即按這些需求去尋找具體的參數(shù)功能，這樣當(dāng)你在選擇變頻器時(shí)就能很快判斷該變頻器的選擇是否能滿足總體需求，而進(jìn)一步知道該在這個(gè)變頻器上設(shè)置哪些具體的參數(shù)。

本文將從控制功能需求分析角度出發(fā)，力求通過(guò)對(duì)不同功能的需求分析，介紹如何來(lái)選擇控制方式、控制參數(shù)以及這些參數(shù)的功能設(shè)定。主要從提出問(wèn)題、分析問(wèn)題的角度進(jìn)行設(shè)計(jì)方案規(guī)劃闡述，以期能夠獲得一些應(yīng)用啟發(fā)，與大家商榷。

2 基本參數(shù)功能介紹

變頻器的變頻、變壓調(diào)節(jié)功能（也稱v/f特性）是其區(qū)別于其它電子設(shè)備的根本性特征，因此，頻率、電壓等相關(guān)參數(shù)是每個(gè)變頻器最基本的參數(shù)，撇開各自名稱的不同，其主要的基本參數(shù)如下：

（1）基本頻率

是指變頻器輸出額定電壓時(shí)所對(duì)應(yīng)的頻率值，有時(shí)也稱為額定頻率。通常按照?qǐng)D1（a）所示的設(shè)置就可以滿足v/f特性需求，即將電機(jī)的額定數(shù)據(jù)（額定電壓380v、額定頻率50hz）作為該參數(shù)的值，這時(shí)斜線①的斜率k=380/50=7.6，它的v/f關(guān)系相當(dāng)于直線方程v=7.6f。但也有例外，比如：當(dāng)我們?cè)噲D使用一個(gè)變頻器去驅(qū)動(dòng)1臺(tái)3相50hz ac220v的電機(jī)時(shí)，就需要按圖1（b）中的斜線②來(lái)設(shè)置而不能再按斜線①設(shè)置參數(shù)。

（2）轉(zhuǎn)折頻率

是指變頻器在該轉(zhuǎn)折點(diǎn)的輸出電壓已經(jīng)達(dá)到額定電壓參數(shù)所設(shè)置的電壓數(shù)值，在這點(diǎn)以后的輸出頻率運(yùn)行段都不再增加其輸出電壓，即輸出電壓將維持在這個(gè)電壓值不變。在圖1（b）中，對(duì)于斜線①來(lái)說(shuō)，其v/f的轉(zhuǎn)折頻率點(diǎn)是a點(diǎn)；對(duì)于斜線②來(lái)說(shuō)，其v/f的轉(zhuǎn)折頻率點(diǎn)是c點(diǎn)。通常，我們將轉(zhuǎn)折頻率值設(shè)置與基本頻率值相同，以便在變頻器輸出頻率達(dá)到基本頻率后，使變頻器的輸出電壓維持在額定電壓不變。如圖1（a）所示。

（3）啟動(dòng)頻率

是指變頻器開始有電壓輸出時(shí)所對(duì)應(yīng)的頻率。在變頻器啟動(dòng)過(guò)程中，當(dāng)變頻器的輸出頻率還沒達(dá)到啟動(dòng)頻率設(shè)定值時(shí)，變頻器就不會(huì)輸出電壓。通常，為確保電機(jī)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，可通過(guò)設(shè)定合適的啟動(dòng)頻率來(lái)實(shí)現(xiàn)。

（4）上下限頻率

上限頻率、下限頻率有時(shí)也被分別稱為輸出頻率上限、輸出頻率下限。顧名思義，這個(gè)參數(shù)是對(duì)變頻器運(yùn)行時(shí)輸出頻率的一種限制。需要注意的是，在變頻器啟動(dòng)過(guò)程中，輸出頻率下限是不起作用的。例如：在圖1（a）中當(dāng)變頻器正處于從e點(diǎn)到a點(diǎn)的啟動(dòng)過(guò)程中時(shí)，盡管設(shè)置了輸出頻率下限d點(diǎn)，但ed段仍然有頻率和電壓輸出。只有當(dāng)變頻器已經(jīng)在da段運(yùn)行時(shí)，就再也不能進(jìn)入de段運(yùn)行了。在圖1（c）中的h點(diǎn)就更直觀地反映了這種情況。輸出頻率上限值的設(shè)定將使變頻器的實(shí)際運(yùn)行頻率輸出值永遠(yuǎn)小于該設(shè)定值，哪怕是給定頻率值超越了上限輸出頻率，變頻器也不會(huì)出現(xiàn)實(shí)際輸出頻率超越上限輸出頻率限制的情況。通常情況下，我們?cè)O(shè)定“上限輸出頻率值≥額定頻率值”，如圖1（a）所示，這樣就可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)在超越額定速度的狀態(tài)下運(yùn)行。但，在圖1（d）中卻發(fā)現(xiàn)了“上限輸出頻率值≤額定頻率值”的相反情況。那么，在什么情形下才要這樣的參數(shù)設(shè)置應(yīng)用呢？例如：對(duì)于一個(gè)輕負(fù)載和低啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩的“小馬拉大車”變轉(zhuǎn)矩負(fù)載應(yīng)用系統(tǒng)或者對(duì)于揚(yáng)程、流量等有輸出限定的節(jié)能控制應(yīng)用場(chǎng)合。對(duì)于前者，只要“小馬”（變頻器標(biāo)稱額定輸出功率小于電機(jī)的額定功率）能夠讓電機(jī)得以順利啟動(dòng)，那么，就可以通過(guò)這種方法來(lái)使電機(jī)始終運(yùn)行在其輸出功率小于等于變頻器標(biāo)稱額定功率范圍內(nèi)，從而達(dá)到“小馬拉大車”的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)。對(duì)于后者，可以作為“1+1≤1”的節(jié)能優(yōu)化控制判斷點(diǎn)（控制器通過(guò)對(duì)上限輸出頻率到達(dá)點(diǎn)的判斷，來(lái)決定此時(shí)是選擇繼續(xù)以單臺(tái)泵提升輸出頻率方式變頻運(yùn)行，還是以2臺(tái)泵同時(shí)變頻運(yùn)行），假定：有這樣的2套完全一樣的水泵電機(jī)，其電機(jī)額定功率為45kw，水泵額定流量320m3/h。若當(dāng)前系統(tǒng)實(shí)際僅需要流量256m3/h，那么只需要1套水泵電機(jī)以40hz的頻率運(yùn)行就可以滿足需求，此時(shí)，電機(jī)實(shí)際消耗功率約需要24kw。若此時(shí)系統(tǒng)實(shí)際需求流量需要增加到305m3/h時(shí)，那么該電機(jī)必須以約48hz的頻率運(yùn)行來(lái)滿足此時(shí)的流量需求，那么，此時(shí)該電機(jī)實(shí)際消耗功率約為40kw?，F(xiàn)在讓我們同樣在系統(tǒng)實(shí)際需求流量為305m3/h時(shí)，改變僅1#泵變頻運(yùn)行的這種習(xí)慣，讓系統(tǒng)在需求流量大于288m3/h時(shí)就轉(zhuǎn)換為2套電機(jī)水泵系統(tǒng)同時(shí)變頻運(yùn)行狀態(tài)，為了同樣達(dá)到305m3/h的實(shí)際系統(tǒng)流量需求，那么2套電機(jī)水泵系統(tǒng)就必須同時(shí)按輸出頻率約24hz的頻率運(yùn)行，那么，此時(shí)2套水泵電機(jī)各自僅需要消耗約6kw的輸出功率，即累計(jì)消耗功率小于12kw?？梢姶藭r(shí)2套泵同時(shí)變頻運(yùn)行要遠(yuǎn)比單套水泵電機(jī)運(yùn)行時(shí)所消耗的功率40kw要小很多。此就是“1+1≤1”的節(jié)能優(yōu)化運(yùn)行控制。關(guān)于詳細(xì)的功率計(jì)算對(duì)比，請(qǐng)參閱本人發(fā)表在2005年05月的《變頻器世界》的“中央空調(diào)系統(tǒng)變頻節(jié)能改造控制技術(shù)的分析與實(shí)現(xiàn)”一文相關(guān)章節(jié)的內(nèi)容。

除以上幾個(gè)與頻率相關(guān)的基本參數(shù)外，還有一個(gè)最大、最小頻率的概念，它是對(duì)應(yīng)最大、最小頻率給定值的一個(gè)范疇參數(shù)，通常我們將以上幾個(gè)頻率參數(shù)都設(shè)定在這兩個(gè)參數(shù)的范圍內(nèi)，如圖1（d）所示。

（5）轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償

變頻器將電機(jī)在一定時(shí)間內(nèi)從靜止?fàn)顟B(tài)驅(qū)動(dòng)到一定的運(yùn)轉(zhuǎn)速度，需要克服機(jī)械裝置的靜態(tài)轉(zhuǎn)矩阻力和運(yùn)行加速度轉(zhuǎn)矩阻力。由于電機(jī)在低速時(shí)激磁電壓降低，為此，需要補(bǔ)償電機(jī)的欠激磁狀態(tài)，使電機(jī)低速運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)矩增強(qiáng)（v/f特性增強(qiáng)，也即v/f在低頻段的斜率增大），以此來(lái)克服這2種轉(zhuǎn)矩阻力。圖1（b）中的斜線③是對(duì)斜線①的轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償作用后的結(jié)果。需要指出，轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償值較大時(shí)，容易導(dǎo)致低速時(shí)電機(jī)發(fā)生過(guò)激磁狀態(tài)，按這種狀態(tài)連續(xù)運(yùn)行時(shí)，電機(jī)可能會(huì)發(fā)生快速發(fā)熱現(xiàn)象，危害電機(jī)的安全運(yùn)行；同時(shí)，轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償值過(guò)大時(shí)，也容易產(chǎn)生啟動(dòng)階段過(guò)壓甚至過(guò)流故障發(fā)生。轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償值的大小應(yīng)該以滿足電機(jī)啟動(dòng)需求的最小值為較好。

（6）加減速時(shí)間

變頻器加速時(shí)間、減速時(shí)間分別對(duì)應(yīng)電機(jī)在啟動(dòng)過(guò)程從0hz到最大輸出頻率所需要的時(shí)間、停止過(guò)程中從最大輸出頻率到0hz所需要的時(shí)間。如圖1（c）所示。加減速時(shí)間的大小將直接影響頻率給定躍變到實(shí)際最終輸出頻率響應(yīng)時(shí)間的長(zhǎng)短。對(duì)于諸如風(fēng)機(jī)類大慣量平方特性負(fù)載，時(shí)間值的過(guò)長(zhǎng)或過(guò)短都將容易引發(fā)變頻器在啟動(dòng)、停止過(guò)程中的過(guò)壓、過(guò)流故障的發(fā)生。需要在實(shí)際調(diào)試中通過(guò)不斷的啟停操作的嘗試來(lái)尋找合理的時(shí)間設(shè)定值。另外，與加減速時(shí)間相關(guān)的參數(shù)還有加減速曲線類型選擇問(wèn)題，圖1（c）中的斜線①、斜線②、斜線③是針對(duì)3種不同負(fù)載特性在加減速過(guò)程中而設(shè)置的，可參考lg公司《is5系列變頻器用戶手冊(cè)》來(lái)了解這個(gè)問(wèn)題，這里不再贅述。

（7）與電機(jī)保護(hù)直接相關(guān)的參數(shù)

變頻器不僅是一個(gè)變頻、變壓裝置，更是一個(gè)電機(jī)綜合保護(hù)裝置，通常都有以下保護(hù)功能參數(shù)：輸入/輸出缺相保護(hù)、電子熱保護(hù)、熱敏保護(hù)、過(guò)載保護(hù)、過(guò)流保護(hù)、堵轉(zhuǎn)保護(hù)等。除輸入缺相保護(hù)是對(duì)進(jìn)線電源因素的保護(hù)外，后5種保護(hù)都是針對(duì)電機(jī)的直接保護(hù)，區(qū)別在于熱敏保護(hù)是一種直接的電機(jī)溫度信號(hào)檢測(cè)結(jié)果的保護(hù)，而其它保護(hù)則是一種基于電機(jī)銘牌數(shù)據(jù)（包括額定功率、電流、電壓、頻率、轉(zhuǎn)速，以及定子電阻與電抗）而進(jìn)行的電流熱效應(yīng)計(jì)算的理論保護(hù)。電機(jī)的銘牌數(shù)據(jù)可以手動(dòng)設(shè)置，在大多數(shù)主流變頻器中，也可以利用一個(gè)被稱為“自動(dòng)馬達(dá)適配”（ama：auto motor adapter）的參數(shù)幫助我們自動(dòng)設(shè)置電機(jī)的部分特征參數(shù)。另外，需要指出的是堵轉(zhuǎn)保護(hù)功能的使能作用，經(jīng)常會(huì)導(dǎo)致電機(jī)啟動(dòng)過(guò)程中實(shí)際加減速時(shí)間將不再嚴(yán)格按照加減速時(shí)間參數(shù)的設(shè)定值進(jìn)行，通常會(huì)導(dǎo)致實(shí)際啟停過(guò)程的時(shí)間延長(zhǎng)。

（8）與啟停操作和頻率給定方式相關(guān)的參數(shù)

撇開rs-485串行通訊方式，變頻器的啟停操作方式和頻率給定方式一般都各自有2種：操作面板和端子。因此，我們可以得出變頻器如表1所述的4種組合運(yùn)行方式：

其中，“0”代表該方式無(wú)效，“1”代表該方式有效。它們各代表的意義是，編號(hào)0：全端子操作與頻率給定方式；編號(hào)1：端子啟停+面板頻率給定方式；編號(hào)2：面板啟停+端子頻率給定方式；編號(hào)3：全面板操作與頻率給定方式。在集中控制系統(tǒng)應(yīng)用中以編號(hào)0方式（下文會(huì)常用到）使用的最多。

在對(duì)變頻器的主要基本參數(shù)做出介紹后，下面讓我們來(lái)介紹一下變頻器中都有哪些常用的控制方式，針對(duì)這些控制方式都應(yīng)用在哪些比較典型的應(yīng)用場(chǎng)合，以及相應(yīng)需要設(shè)置哪些相關(guān)參數(shù)。

本文把以下將要介紹的開環(huán)與閉環(huán)控制方式、工藝過(guò)程控制方式、開環(huán)轉(zhuǎn)矩控制方式、速度反饋轉(zhuǎn)矩控制方式統(tǒng)稱為常規(guī)控制方式，而把專用變頻器或通過(guò)選件卡實(shí)現(xiàn)的為某個(gè)特定行業(yè)應(yīng)用而　采用的控制方式稱為特殊控制方式。

3 開環(huán)與閉環(huán)速度控制方式

對(duì)變頻器控制而言，所謂開環(huán)就是變頻器的運(yùn)行輸出頻率只受頻率給定值大小變化的影響，而沒有與外部反饋信號(hào)作用建立數(shù)學(xué)關(guān)系或根本就不存在外部反饋信號(hào)?？梢婇_環(huán)控制方式在概念上是一種只顧“命令”而不顧“實(shí)際結(jié)果”的控制方式（之所以說(shuō)是概念上，是因?yàn)楝F(xiàn)在有些變頻器產(chǎn)品，諸如通過(guò)滑差補(bǔ)償?shù)葏?shù)的設(shè)定可以達(dá)到命令與結(jié)果之間有一定程度的關(guān)聯(lián)），因此，開環(huán)速度控制方式的速度精度不夠精確，對(duì)需要追求高精度速度準(zhǔn)確性或?qū)嶋H速度追蹤調(diào)節(jié)的控制應(yīng)用場(chǎng)合，就需要采用閉環(huán)速度控制方式。

需要申明的是，我們?cè)谶@里講的開環(huán)與閉環(huán)都是站在變頻器設(shè)備的角度而不是控制系統(tǒng)角度進(jìn)行判定的。比如，在我們經(jīng)?？吹降淖冾l恒壓供水系統(tǒng)中，那些通過(guò)數(shù)字pid儀表來(lái)設(shè)定壓力給定值和接收現(xiàn)場(chǎng)壓力變送器的實(shí)際壓力反饋信號(hào)的控制方式，若站在控制系統(tǒng)角度，這個(gè)系統(tǒng)就是閉環(huán)控制方式，但若站在變頻器角度看，在這里仍然被稱為開環(huán)控制方式，因?yàn)閷?duì)變頻器而言它的運(yùn)行頻率給定來(lái)自pid儀表的輸出，整個(gè)給定、反饋、調(diào)節(jié)等功能全部又pid儀表來(lái)完成的，變頻器只是被作為一個(gè)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行設(shè)備在使用。

3.1 開環(huán)速度控制方式

問(wèn)題1的提出

假設(shè)有這樣一個(gè)印刷業(yè)務(wù)用戶，如圖2（a）所示，希望通過(guò)變頻驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)收卷過(guò)程的恒定線速度控制，具體要求如下：

（1） 啟停操作和調(diào)速都在現(xiàn)場(chǎng)操作箱上進(jìn)行，并可通過(guò)電位器在控制箱上調(diào)節(jié)收卷的線速度；

（2） 收卷電機(jī)的線速度要始終與牽引電機(jī)的線速度保持一致（放卷由剎車片控制，張力由張力架調(diào)節(jié)）；

（3） 限定速度調(diào)節(jié)范圍。

針對(duì)用戶的機(jī)械設(shè)備和提出的這個(gè)需求，我們將其控制驅(qū)動(dòng)對(duì)象分為2個(gè)部分：牽引輥道電機(jī)驅(qū)動(dòng)和收卷筒電機(jī)的驅(qū)動(dòng)。

問(wèn)題1的分析

首先，讓我們看看用戶對(duì)牽引電機(jī)控制的要求，針對(duì)用戶的需求，可以把其中對(duì)牽引電機(jī)的需求收集為表2所示的具體子項(xiàng)，并將這些子項(xiàng)對(duì)應(yīng)給出所需求的變頻器功能。

很顯然，按照表2中的參數(shù)，在牽引電機(jī)上只需要采用開環(huán)速度控制方式就可以滿足用戶對(duì)牽引電機(jī)變頻驅(qū)動(dòng)的要求。同時(shí)，按照表2中的各項(xiàng)“需求對(duì)應(yīng)的變頻器功能”，我們也很容易去尋找到具備這樣功能的變頻器，那么，我們也就能相當(dāng)輕松地完成用戶對(duì)牽引電機(jī)的控制需求了。當(dāng)然，除了表2中的需要功能外，變頻器的一些基本參數(shù)功能，諸如：電機(jī)參數(shù)、頻率參數(shù)、加減速時(shí)間參數(shù)等（如第2節(jié)內(nèi)容所提到的一些基本參數(shù)），無(wú)論在什么樣的控制方式應(yīng)用系統(tǒng)中都是必不可少需要設(shè)置的，這里不再贅述（以下類同，略）。

通過(guò)以上分析，可以得出如表2所示的分析結(jié)果。再按照表2中的歸類后的功能需求，逐個(gè)分解為對(duì)變頻器某些特定的、具體的參數(shù)的設(shè)置，這樣就可以得到如圖2（a）中的1#變頻器所示的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖了。圖2（a）中的1#變頻器采用的控制方式就是開環(huán)控制、編號(hào)0方式。

在本文中，對(duì)于常規(guī)控制方式的案例分析中，不準(zhǔn)備將諸如表2中的對(duì)應(yīng)的變頻器功能再進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為某個(gè)特定品牌的變頻器參數(shù)，以免給讀者造成品牌依賴性誤導(dǎo)（以下常規(guī)控制方式的案例同），只想表達(dá)一種思維過(guò)程，供讀者參考。而對(duì)于特殊應(yīng)用場(chǎng)合的控制方式，將以具體品牌為例加以說(shuō)明。

3.2 閉環(huán)速度控制方式

問(wèn)題2的提出

同問(wèn)題1的提出，如圖2（a），略。

問(wèn)題2的分析

首先，由于用戶需要收卷電機(jī)的運(yùn)行線速度與牽引電機(jī)保持一致，為達(dá)到這個(gè)目的，我們只要將牽引電機(jī)與收卷電機(jī)用同一個(gè)速度給定就可以實(shí)現(xiàn)這2臺(tái)電機(jī)角速度的一致（當(dāng)然，也可以將牽引電機(jī)實(shí)際運(yùn)行速度的輸出信號(hào)dc4～20ma或dc0～5v/10v作為收卷電機(jī)的速度給定信號(hào)，這2種方式的差異在于：前者為同步速率給定方式；而后者為主從隨動(dòng)給定方式，存在一定的響應(yīng)延遲，具體差異分析，略）；其次，由于收卷滾筒在運(yùn)行過(guò)程中，隨著紙張等物體被不斷地纏繞在滾筒上，導(dǎo)致滾筒的半徑在不斷地增大，如果收卷電機(jī)的角速度保持不變，那么，收卷過(guò)程中的線速度也同樣在不斷地加快，為滿足用戶對(duì)收卷過(guò)程中線速度恒定的需求，必須想辦法讓收卷電機(jī)的角速度隨滾筒半徑的增長(zhǎng)而降低，以實(shí)現(xiàn)線速度恒定的目的。為此，需要一個(gè)檢測(cè)線速度的傳感器信號(hào)，以此來(lái)作為變頻器的速度反饋，告訴變頻器要做出角速度的實(shí)時(shí)調(diào)整。在本例中，我們?cè)趭A送導(dǎo)向輥上安裝了編碼器（不能安裝在電機(jī)軸或收卷滾筒軸上，否則，編碼器測(cè)出的信號(hào)就不是線速度反饋信號(hào)而是角速度反饋信號(hào)），以編碼器的脈沖率來(lái)表示實(shí)際線速度的快慢。如圖2（a）中所示，這樣對(duì)于2#變頻器而言，它既有一個(gè)用電位器表示的給定速度，又有一個(gè)用編碼器的脈沖來(lái)表示的實(shí)際速度反饋信號(hào)，因此，2#變頻器就應(yīng)該是一個(gè)閉環(huán)速度控制方式的應(yīng)用案例。

通過(guò)以上對(duì)用戶需求的分析，我們可以得出如表3所示的結(jié)果。

在表3中，我們略去了與閉環(huán)速度控制非直接相關(guān)的其它一些功能的列舉，在實(shí)際應(yīng)用中就像對(duì)基本參數(shù)的需求一樣，同樣需要對(duì)這些功能進(jìn)行選擇與相應(yīng)參數(shù)的設(shè)置。

4 工藝過(guò)程閉環(huán)控制方式

傳統(tǒng)的v/f控制實(shí)際上是一種角速度的控制模式，而閉環(huán)速度控制是通過(guò)對(duì)實(shí)際角速度的檢測(cè)的一種調(diào)節(jié)控制。但是，在現(xiàn)實(shí)的許多應(yīng)用場(chǎng)合，顯然，我們并不只關(guān)心電機(jī)的速度，而可能更多地要關(guān)注生產(chǎn)工藝過(guò)程中的某些被控對(duì)象的參數(shù)測(cè)量值，這些參數(shù)包括：溫度、壓力、流量、液位等信號(hào)。比如，在混配料系統(tǒng)中，我們可能需要關(guān)心某種配料的質(zhì)量或流量，而這個(gè)量卻并不直接與電機(jī)的速度成正比例或反比例關(guān)系，這是工藝閉環(huán)過(guò)程控制與上面所敘述的閉環(huán)速度控制的根本差別，當(dāng)然，工藝過(guò)程閉環(huán)控制也是一種閉環(huán)控制，它關(guān)注的不是速度而是工藝過(guò)程的參數(shù)變量。在諸如這樣的一些應(yīng)用場(chǎng)合，就需要我們采用工藝過(guò)程閉環(huán)控制方式。

問(wèn)題3的提出

假定有一個(gè)需要進(jìn)行混配料比例控制的用戶，他的配料a和配料b由各自的配料電機(jī)送入配料攪拌筒中進(jìn)行混合均勻攪拌，其中，配料b有生產(chǎn)過(guò)程決定其送料的多少，而配料a需要根據(jù)配料b的變化始終保持在攪拌筒混合料中的比例恒定，如圖2（b）所示?，F(xiàn)要求對(duì)配料a的電機(jī)進(jìn)行變頻控制，以實(shí)現(xiàn)如下具體需求：

（1） 配料a的比例可以自由設(shè)定；

（2） 既使在配料b的量是變化的時(shí)候，配料a在混料攪拌筒中的比例也要維持在設(shè)定比例。

問(wèn)題3的分析

首先，用戶對(duì)配料電機(jī)a的控制需求是要根據(jù)配料b的變化始終維持恒定的配料a所占比例的一種閉環(huán)控制方式，這個(gè)反饋信號(hào)是混料筒中的配料a所占的比例信號(hào)，它與電機(jī)的速度無(wú)關(guān)，因此，可以準(zhǔn)確地定位這種控制需求為工藝過(guò)程閉環(huán)控制方式。其次，用戶要求配料比可以在生產(chǎn)過(guò)程中根據(jù)需要進(jìn)行設(shè)定，為此，需要提供配料a所占比例的設(shè)定手段—電位器給定配料比方式。椐此可以得到如表4所示的需求與對(duì)應(yīng)功能。

對(duì)比表4與表3，可以看見，他們之間的差異除了控制方式的選擇區(qū)別外，還有一個(gè)最為明顯的差異，那就是表4中作為控制對(duì)象的參考量與反饋值都是生產(chǎn)工藝過(guò)程中的參數(shù)（這樣設(shè)定的參數(shù)與反饋的參數(shù)都更直接表達(dá)了生產(chǎn)過(guò)程狀態(tài)，也更加直觀明了），而不再是速度參數(shù)。撇開這些表面上的差異，幾乎完全可以用一個(gè)虛擬的閉環(huán)“速度”控制來(lái)實(shí)現(xiàn)。從這個(gè)意義上講，工藝過(guò)程閉環(huán)控制方式與閉環(huán)速度控制方式在本質(zhì)上是沒有差異的，它是閉環(huán)速度控制方式的延伸形式與變種應(yīng)用。

5 開環(huán)轉(zhuǎn)矩控制方式

上面介紹的無(wú)論是開環(huán)與閉環(huán)速度控制，還是工藝過(guò)程閉環(huán)控制，其實(shí)質(zhì)都還是變頻器的矢量控制技術(shù)的一種應(yīng)用。矢量控制實(shí)現(xiàn)的基本原理是通過(guò)測(cè)量和控制異步電動(dòng)機(jī)定子電流矢量，根據(jù)磁場(chǎng)定向原理分別對(duì)異步電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流和轉(zhuǎn)矩電流進(jìn)行控制，從而達(dá)到控制異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的目的。具體是將異步電動(dòng)機(jī)的定子電流矢量分解為產(chǎn)生磁場(chǎng)的勵(lì)磁電流分量和產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)矩電流分量分別加以控制，并同時(shí)控制兩分量間的幅值和相位，即控制定子電流矢量，所以，稱這種控制方式稱為矢量控制方式。矢量控制方式又有基于轉(zhuǎn)差頻率控制的矢量控制方式、無(wú)速度傳感器矢量控制方式和有速度傳感器的矢量控制方式等。而轉(zhuǎn)矩控制則是以轉(zhuǎn)矩為中心來(lái)進(jìn)行磁鏈、轉(zhuǎn)矩的綜合控制。和矢量控制不同，直接轉(zhuǎn)矩控制不采用解耦的方式，從而在算法上不存在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換，簡(jiǎn)單地通過(guò)檢測(cè)電機(jī)定子電壓和電流，借助瞬時(shí)空間矢量理論計(jì)算電機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩，并根據(jù)與給定值比較所得差值，實(shí)現(xiàn)磁鏈和轉(zhuǎn)矩的直接控制。

對(duì)交流電機(jī)的直接轉(zhuǎn)矩控制（dtc）技術(shù)的引入，使得交流電機(jī)轉(zhuǎn)矩特性像直流電機(jī)一樣在應(yīng)用中表現(xiàn)的“硬”起來(lái)了，因此，dtc可以說(shuō)是變頻器技術(shù)發(fā)展史上的又一個(gè)里程碑。目前，在丹佛斯vlt2800/5000、abbacs6000、愛默生td2000等產(chǎn)品中都有直接轉(zhuǎn)矩控制功能。

開環(huán)轉(zhuǎn)矩控制方式就是利用變頻器本身對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩的控制來(lái)實(shí)現(xiàn)輸出軸轉(zhuǎn)矩的穩(wěn)定控制，這種控制方式可廣泛地應(yīng)用在那些在運(yùn)行過(guò)程中需要保持轉(zhuǎn)矩恒定，不需要改變運(yùn)行方向的場(chǎng)合，諸如：卷繞、擠壓、皮帶輸送等相關(guān)行業(yè)應(yīng)用。

問(wèn)題4的提出

假定有一個(gè)石料廠的皮帶輸送機(jī)用戶，皮帶輸送機(jī)需要不斷地將從料斗中卸下的片石塊送到破碎機(jī)中進(jìn)行破碎，如圖2（c）所示，用戶想對(duì)這個(gè)皮帶輸送機(jī)進(jìn)行變頻驅(qū)動(dòng)改造，具體要求如下：

（1）由于料斗下料的大小、快慢不均勻，致使落在皮帶上的石塊總量不一致，希望即使在皮帶上的石塊較多時(shí)，皮帶也能夠拖的動(dòng)；

（2）皮帶上的石料多時(shí)，速度可慢些，在皮帶上的石料較少時(shí)，希望皮帶能盡可能快些；

（3）現(xiàn)場(chǎng)無(wú)法提供檢測(cè)石塊在皮帶上數(shù)量多少的信號(hào)。

問(wèn)題4的分析

首先，應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)無(wú)法提供被控對(duì)象的檢測(cè)信號(hào)，可以說(shuō)只能采用開環(huán)控制方式；其次，用戶的第②個(gè)需求，實(shí)質(zhì)上就是轉(zhuǎn)矩控制的運(yùn)行特點(diǎn)，而要保證一個(gè)始終穩(wěn)定的輸出轉(zhuǎn)矩（用戶的第①個(gè)要求）就只有采用轉(zhuǎn)矩控制方式，至此，我們可以肯定地說(shuō)這個(gè)案例需要采用開環(huán)轉(zhuǎn)矩控制方式。椐此可以得到如表5所示的需求與對(duì)應(yīng)功能。

用以上的方法在給一個(gè)90kw電機(jī)調(diào)試后，其表現(xiàn)出以下運(yùn)行特征現(xiàn)象：

（1）當(dāng)皮帶上的石塊量較少時(shí)，皮帶以較快的速度在運(yùn)轉(zhuǎn)（但不會(huì)超越輸出頻率上限的限定50hz）；

（2）當(dāng)皮帶上的石塊量較多時(shí)（接近給定轉(zhuǎn)矩），皮帶運(yùn)行在32hz～38hz；

（3）當(dāng)皮帶上的石塊量很多時(shí)（超越給定轉(zhuǎn)矩），皮帶停止輸送。盡管此時(shí)電機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)，即相當(dāng)于堵轉(zhuǎn)表現(xiàn)的狀態(tài)，但與通常的堵轉(zhuǎn)有本質(zhì)區(qū)別，在轉(zhuǎn)矩控制方式下，此時(shí)電機(jī)不會(huì)在短時(shí)間內(nèi)燒壞。

6 速度反饋轉(zhuǎn)矩控制方式

在開環(huán)轉(zhuǎn)矩控制案例中，了解到轉(zhuǎn)矩控制的一些特點(diǎn)，那么，如果應(yīng)用場(chǎng)合在既需要保持控制轉(zhuǎn)矩穩(wěn)定輸出的同時(shí)又需要根據(jù)速度反饋信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)調(diào)節(jié)，此時(shí)，就要選擇帶速度反饋的轉(zhuǎn)矩控制方式。速度反饋轉(zhuǎn)矩控制方式最適合應(yīng)用在卷繞、抽絲等紡織行業(yè)。在圖2（a）中，如果沒有張力架，收卷的張力需要依靠在變頻器上進(jìn)行設(shè)定，并且要根據(jù)收卷筒半徑的變化作為反饋來(lái)適時(shí)自動(dòng)調(diào)整電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩和角速度調(diào)整，來(lái)保持卷取切線力的恒定和線速度恒定，而將編碼器信號(hào)作為速度反饋信號(hào)，來(lái)保持角速度的恒定。在圖2（d）中給出了控制結(jié)構(gòu)。按照?qǐng)D2（d）的構(gòu)造，得到表6所示的參數(shù)：

以上介紹常規(guī)控制方式是變頻器應(yīng)用領(lǐng)域使用最為普遍的方式，約占整個(gè)變頻器應(yīng)用需求市場(chǎng)的70%以上，準(zhǔn)確掌握這些基本控制方式的內(nèi)涵與應(yīng)用技巧，基本上可以勝任變頻器的售前或售后技術(shù)服務(wù)支持工作。但對(duì)于一些特殊應(yīng)用需求的場(chǎng)合，還需要掌握一些專用變頻器的應(yīng)用技術(shù)和相關(guān)的控制概念以及生產(chǎn)工藝需求。這些比較特殊的應(yīng)用場(chǎng)合一般都需要借助于變頻器廠家針對(duì)各個(gè)行業(yè)生產(chǎn)的“選件卡”或?qū)Ｓ米冾l器。

當(dāng)前，由于變頻器行業(yè)的激烈競(jìng)爭(zhēng)，各變頻器生產(chǎn)廠家?guī)缀醵荚谂ふ易约涸谙嚓P(guān)行業(yè)上的專用功能產(chǎn)品的研發(fā)與定位。下面，簡(jiǎn)要介紹幾種在市場(chǎng)上使用比較廣泛的特殊控制方式的概念，詳細(xì)的應(yīng)用方法還需要用戶進(jìn)一步參考相應(yīng)的選件手冊(cè)或說(shuō)明書。

7 其它特殊應(yīng)用場(chǎng)合的控制方式

在這里之所以將以下的應(yīng)用場(chǎng)合稱為特殊應(yīng)用場(chǎng)合，是因?yàn)樽冾l器的這些衍生的控制方式是針對(duì)某個(gè)特定的行業(yè)應(yīng)用開發(fā)的。撇開行業(yè)的特殊性，這些具有特殊控制功能的變頻器本身就是一個(gè)內(nèi)在的、多變量輸入與反饋的閉環(huán)控制系統(tǒng)，只不過(guò)這些變量可能不僅有電流參數(shù)，還可能有轉(zhuǎn)矩參數(shù)、計(jì)算速度參數(shù)、計(jì)算功率以及甚至有時(shí)間參數(shù)和空間位置參數(shù)等。

7.1 曳引拖動(dòng)控制方式

傳統(tǒng)的放卷筒的控制都是采用諸如力矩電機(jī)、剎車片、磁粉離合器等方式，lgis5變頻器的應(yīng)用組參數(shù)app-33（標(biāo)準(zhǔn)配置，無(wú)須選件）可以實(shí)現(xiàn)對(duì)諸如需要在正常運(yùn)行過(guò)程中處于力矩控制方式下的發(fā)電運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)收卷電機(jī)僅以一個(gè)恒定的線速度運(yùn)行時(shí)，若系統(tǒng)需要控制張力，可以通過(guò)參數(shù)app-34來(lái)設(shè)定放卷張力的大小，由放卷電機(jī)來(lái)控制張力。曳引拖動(dòng)控制方式與前面介紹的開環(huán)力矩控制方式的區(qū)別在于：

（1） 曳引拖動(dòng)控制方式正常運(yùn)行在發(fā)電狀態(tài)，而開環(huán)力矩控制方式則運(yùn)行在電動(dòng)狀態(tài)；

（2） 曳引拖動(dòng)控制方式在受到的外界牽引力小于設(shè)定值時(shí)，它將正向運(yùn)轉(zhuǎn)；反之，反向運(yùn)轉(zhuǎn)；而開環(huán)力矩控制方式要么正向運(yùn)轉(zhuǎn)，要么停止運(yùn)轉(zhuǎn)。

在一個(gè)收卷與放卷的應(yīng)用中，如果將放卷使用曳引拖動(dòng)控制方式，收卷使用速度閉環(huán)控制，通過(guò)收卷和放卷變頻器的直流母線共享技術(shù)，不僅可以實(shí)現(xiàn)線速度恒定的恒張力控制目的，而且可以達(dá)到最大限度的節(jié)能效益。系統(tǒng)成本低、安裝調(diào)試容易。

7.2 三角波控制方式與擺頻控制方式

7.2.1 lg公司的is5系列變頻器三角波控制方式介紹

由于紡織過(guò)程對(duì)紡錘繞線形狀的特殊要求，lg公司的is5系列變頻器三角波控制功能可以滿足這個(gè)需求，它的應(yīng)用組參數(shù)app-02～app-07（標(biāo)準(zhǔn)配置，無(wú)須選件）是用來(lái)設(shè)置三角波控制方式的參數(shù)，如表7所示。

在圖3（a）中給出了紡錘繞線工藝結(jié)構(gòu)，在圖3（b）中給出了三角波控制方式的參數(shù)app-02～app-07與變頻器設(shè)定頻率、實(shí)際輸出運(yùn)行頻率之間的關(guān)系。

無(wú)論在圖3（b）中還是在圖3（d）中，只要適當(dāng)?shù)恼{(diào)整相關(guān)參數(shù)的設(shè)定就完全可以滿足紡織行業(yè)紡錘對(duì)變頻器輸出這種振幅波形的需要。

7.2.2 danfoss公司的擺頻選卡擺頻功能介紹

同樣針對(duì)圖3（a）所示的需求結(jié)構(gòu)，通過(guò)在vlt5000系列變頻器中安裝一個(gè)擺頻選件卡，那么，也同樣可以得到滿意的控制結(jié)果。圖3（d）中給出了擺頻卡控制方式下的功能參數(shù)p701～p709與變頻器設(shè)定頻率、實(shí)際輸出運(yùn)行頻率之間的關(guān)系。參數(shù)p701～p709的相應(yīng)功能作用解釋如表8所示。

需要注意的時(shí)，擺頻卡的參數(shù)p701～p709只有在參數(shù)p100選擇為開環(huán)速度控制方式，同時(shí)，參數(shù)p700選擇為擺頻模式有效時(shí)才起作用。

7.3 定位控制方式與同步控制方式

在運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域通常有定位控制與同步控制兩種，長(zhǎng)期以來(lái)，在精密機(jī)械加工行業(yè)的定位與同步控制都一直是步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器與伺服驅(qū)動(dòng)器的天下，傳統(tǒng)的變頻器只能望而卻步。今天，可以驚喜地告訴大家，已經(jīng)有很多廠家生產(chǎn)的變頻器，通過(guò)安裝其選件卡就完全可以應(yīng)用在這種行業(yè)了。

7.3.1 定位控制方式簡(jiǎn)介

（1）圖3（c）顯示了三墾變頻器在機(jī)床加工行業(yè)的定位控制應(yīng)用，它利用ihf變頻器，通過(guò)使用三墾vm05的定位控制（point topoint控制）功能可以精確地實(shí)現(xiàn)機(jī)加工作業(yè)的定位。

（2）danfoss vlt5000系列變頻器，通過(guò)安裝同步定位卡（programmable syncpos motioncontroller），也完全可以實(shí)現(xiàn)精確定位功能。不僅需要進(jìn)行相關(guān)參數(shù)設(shè)置，同時(shí)還需要對(duì)該控制卡進(jìn)行編程。

7.3.2 同步控制方式簡(jiǎn)介

如果說(shuō)，在運(yùn)動(dòng)控制中，定位控制追求的是相對(duì)位置或絕對(duì)位置的定位精確性，那么，同步控制追求的就是多主機(jī)的協(xié)調(diào)一致性或主從隨動(dòng)性，它對(duì)動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能有很高的要求。

danfoss的同步定位卡（programmable syncpos moTIoncontroller）既可以實(shí)現(xiàn)虛擬主軸（virtual mastersynchronizaTIon）方式同步，又可以實(shí)現(xiàn)主從方式同步（master-slaversynchronizaTIon），是取代伺服驅(qū)動(dòng)方式的理想方案。更詳細(xì)的控制功能與參數(shù)，請(qǐng)參閱《danfoss programmablesyncpos moTIon controller manual》。

以上僅給出了部分特殊應(yīng)用選件卡功能的簡(jiǎn)單介紹，隨著變頻器的發(fā)展將來(lái)必定會(huì)有更多專業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域的專業(yè)特殊功能變頻器產(chǎn)品或功能選件卡上市，若有興趣或應(yīng)用需求，可給予關(guān)注、研究。

8 結(jié)束語(yǔ)

實(shí)際上，作為變頻器應(yīng)用技術(shù)工程師，哪怕一個(gè)參數(shù)都記不住也不可怕，可怕的是不能從應(yīng)用需求的角度去分析對(duì)變頻器功能的歸類劃分與整理。只有深入理解變頻器原理、準(zhǔn)確把握參數(shù)概念的功能實(shí)質(zhì)并靈活掌握參數(shù)的組合應(yīng)用技巧，才敢于面對(duì)現(xiàn)實(shí)中各種復(fù)雜的應(yīng)用需求場(chǎng)合，才有可能做到臨場(chǎng)不亂、胸有成竹。