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由圖1中可以看出，當電動機的運行頻率高于一定值時，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之為基本運行頻率，用fb表示。也就是說，基本運行頻率是指變頻器輸出最高電壓時對應的最小頻率。在通常情況下，基本運行頻率是電動機的額定頻率，如電動機銘牌上標識的50Hz或60Hz。同時與基本運行頻率對應的變頻器輸出電壓稱之為最大輸出電壓，用Vmax表示。 對于其他特殊的負載，如同步電動機，則可以通過設置用戶自定義V/ f曲線的幾個參數，來得到任意V/ f曲線，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曲線一般都通過折線設定，典型的有三段折線和兩段折線。 1.3 V/f曲線轉矩補償
李方園（1973 －）
男， 籍貫浙江舟山，畢業于浙江大學電氣自動化專業，高級工程師，長期從事于變頻器等現代工控產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，可以發展為幾種不同的變頻器控制方式，即V/f控制方式（包括開環V/f控制和閉環V/f控制）、無速度傳感器矢量控制方式（矢量控制VC的一種）、閉環矢量控制方式（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，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。
圖1 基本運行V/f曲線
當電動機的運行頻率超過基本運行頻率fb后，U/f不再是一個常數，而是隨著輸出頻率的上升而減少，電動機磁通也因此減少，變成“弱磁調速”狀態。
基本運行頻率是決定變頻器的逆變波形占空比的一個設置參數，當設定該值后，變頻器CPU將基本運行頻率值和運行頻率進行運算后，調整變頻器輸出波形的占空比來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，一定要根據電動機的參數特性來適當設值，否則，容易造成變頻器過熱、過流等現象。
1.2 預定義的V/f曲線和用戶自定義V/f曲線
由于電動機負載的多樣性和不確定性，因此很多變頻器廠商都推出了預定義的V/f曲線和用戶自定義的任意V/f曲線。
預定義的V/f曲線是指變頻器內部已經為用戶定義的各種不同類型的曲線。如艾默生EV2000變頻器有三種特定曲線（圖2a），曲線1為2.0次冪降轉矩特性、曲線2為1.7次冪降轉矩特性、曲線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（如圖2b），其定義的方式是在電動機額定頻率一半（即50％FN）時的輸出電壓是電動機額定電壓的30％時（即30％VN）為曲線1，35％VN為曲線2，40％VN為曲線3，VN為曲線4。這些預定義的V/f曲線非常適合在可變轉矩（如典型的風機和泵類負載）中使用，用戶可以根據負載特性進行調整，以達到最優的節能效果。
a)艾默生EV2000 b)AB PoweFlex 400
圖2 預定義V/f曲線
以三段折線設定為例（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手冊來確定具體的數據。圖中給出了三個中間坐標數值，即（F1，V1）、（F2，V2）、（F3，V3），用戶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。如果將其中的兩點重合就可以看成是二段折線設定。
雖然用戶自定義V/F曲線是可以任意設定，但是一旦數值設定不當，就會造成意外故障。如低頻時轉矩提升電壓過高，造成電動機起動時低頻抖動。所以，V/F曲線特性必須以滿足電動機的運行為前提條件。
圖3 用戶自定義V/f曲線
變頻器在啟動或極低速運行時，根據V/f曲線，電動機在低頻時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，這就導致勵磁不足而使電動機不能獲得足夠的旋轉力，因此需要對轉矩進行補充補償，這稱為轉矩補償。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，從而改善電動機的輸出轉矩。
圖4中，V0表示手動轉矩提升電壓、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值和積分時間I值，圖5b所示為參數設置情況。 有時為了描述上的方便，也把無速度傳感器的矢量控制方式稱為開環矢量控制或無PG反饋矢量控制。 從上面已經知道，參數辨識分電動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，并同時將測量的參數寫入；在旋轉辨識中，變頻器自動測量電動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態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，可加快系統的動態響應，但P值過大，系統容易振蕩；（2）減小積分時間I值，可加快系統的動態響應，但I值過小，系統超調就會增大，且容易產生振蕩；（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：（1）當電動機與變頻器之間的距離太遠時，由于線路壓降增大，應適當增大V0值；（2）當電動機容量小于變頻器額定容量時，由于此容量電動機的繞組電阻比大容量電動機大，電阻壓降也大，應適當增大V0值；（3）當電動機抖動厲害時，說明轉矩過大，轉矩補償增益調得過高，應適當減小V0值。這里必須避免這樣一個誤區：即使提高很多輸出電壓，電動機轉矩并不能和其電流相對應的提高。這是因為電動機電流包含電動機產生的轉矩分量和其它分量（如勵磁分量）。
關于截止頻率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和自動，如手動設置允許用戶V0在0－20%或30％Umax之間任意設定，自動設置則是變頻器根據電動機啟動過程中的力矩情況進行自動補償，其參數是隨著負載變化而更改的。
1.4 閉環V/f控制
閉環V/f控制就是在V/f控制方式下，設置轉速反饋環節。測速裝置可以是旋轉編碼器，也可以是光電開關，安裝方式比較自由，既可以安裝在電動機軸上，也可以安裝在其他相關聯的位置。同樣，通常所說的不帶轉速反饋的V/f控制，也稱之為開環V/f控制。
閉環V/f控制選用速度反饋信號可以選用一相或者二相信號，一相信號如接近開關或是旋轉編碼器的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、電技術于一體，通過光電轉換，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相位差90度的方波編碼方式，其旋轉方向由兩個波形的相位差決定。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，電動機的運動速度由一定時間內編碼器所產生的脈沖信號決定。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生方波數決定，當旋轉一周可產生2000個方波時，每一個方波周期表示為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
圖5 閉環V/f控制接線圖和速度增益示意
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機運行，在此狀態下，在無振動的范圍內增大P02值，然后，在無振動范圍內減小設定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50％時，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機運行，在此狀態下，在無振動的范圍內增大設定P01值，然后，在無振動范圍內減小設定I01值。第三，增益的微調。在增益更細微調整時，可以邊觀察速度波形邊微調。在加速完成時發生上沖超調，請減小P01值，增大I01值，停止時發生下沖超調，請減小P02值，增大I02值。
帶PG閉環V/f控制系統要注意以下幾點：（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，包括集電極開路、推挽式和線驅動，集電極開路還分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方式和跳線方式（NPN或PNP方式）；（3）編碼器與變頻器的距離一般以不超過100米為宜，必須采用屏蔽和抗干擾處理；（4）閉環V/f控制多用于簡易速度控制，且安裝位置可以不在電動機軸端，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，模擬給定最大值對應于電動機的同步轉速。
2 無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機矢量控制系統中，轉速的閉環控制環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進行轉速檢測，并反饋轉速信號。但是，由于速度傳感器的安裝給系統帶來一些缺陷：系統的成本大大增加；精度越高的編碼器價格也越貴；編碼器在電動機軸上的安裝存在同心度的問題，安裝不當將影響測速的精度；電動機軸上的體積增大，而且給電動機的維護帶來一定困難，同時破壞了異步電動機的簡單堅固的特點；在惡劣的環境下，編碼器工作的精度易受環境的影響。而無速度傳感器的控制系統無需檢測硬件，免去了速度傳感器帶來的種種麻煩，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，而且減少了電動機與控制器的連線。因此，無速度傳感器的矢量控制方式在工程應用中變得非常必要。
無速度傳感器的矢量控制方式是基于磁場定向控制理論發展而來的。實現精確的磁場定向矢量控制需要在異步電動機內安裝磁通檢測裝置，要在異步電動機內安裝磁通檢測裝置是很困難的，但人們發現，即使不在異步電動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機的銘牌參數，按照一定的關系式分別對作為基本控制量的勵磁電流（或者磁通）和轉矩電流進行檢測，并通過控制電動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機相匹配，而且可以控制異步電動機產生的轉矩。由于矢量控制方式所依據的是準確的被控異步電動機的參數，因此需要在使用時準確地輸入異步電動機的參數，并對拖動的電動機進行調諧整定，否則難以達到理想的控制效果。
無速度傳感器矢量控制方式的基本技術指標定義如下：速度控制精度±0.5％，速度控制范圍1：100，轉矩控制響應<200ms，啟動轉矩>150％/0.5Hz。其中啟動轉矩指標，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的無速度傳感器矢量控制方式下的啟動轉矩特性，在0.3Hz極低速下能達到150%以上的轉矩。
圖6 無速度傳感器矢量控制方式啟動轉矩特性
2.2 電動機參數的調諧整定
由于電動機磁通模型的建立必須依賴于電動機參數，因此選擇無速度傳感器矢量控制時，第一次運行前必須首先對電動機進行參數的調諧整定。目前新型矢量控制通用頻器中已經具備異步電動機參數自動調諧、自適應功能，帶有這種功能的通用變頻器在驅動異步電動機進行正常運轉之前可以自動地對異步電動機的參數進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數值。
自動調諧（因在電動機旋轉情況下進行，又稱旋轉式調諧）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機的基本參數，包括電動機的類型（異步電動機或同步電動機）、電動機的額定功率（單位是KW）、電動機的額定電流（單位是A）、電動機的額定頻率（單位是Hz）、電動機的額定轉速（單位轉/分）；然后將電動機與機械設備分開，電動機作為單體；接著用變頻器的操作面板指令操作，變頻器的控制程序就會一邊根據內部預先設定的運行程序自動運轉，一邊測定一次電壓和一次電流，然后計算出電動機的各項參數。但在電動機與機械設備難以分開的場合卻很不方便，此時可采用靜止式調諧整定的方法，即將固定在任一相位、僅改變振幅而不產生旋轉的三相交流電壓施加于電動機上，電動機不旋轉，由此時的電壓、電流波形按電動機等值回路對各項參數進行運算，便能高精度測定控制上必需的電動機參數。在靜止式調諧中，用原來方法無法測定的漏電流也能測定，控制性能進一步提高。利用靜止式調諧技術，可對于機械設備組合一起的電動機自動調諧、自動測定控制上所需的各項常數，因而顯著提高了通用變頻器使用的方便性。
從圖7的異步電動機的T型等效電路表示中可以看出，電動機除了常規的參數如電動機極數、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 異步電動機穩態等效電路
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為積分時間。積分時間設為0時，則無積分作用，速度環為單純的比例調節器。由于是無速度傳感器矢量控制方式，速度環的實際速度來源于變頻器內部的實際計算值。
圖8 速度調節器簡化框圖
圖9b是比例增益P值與速度調節器ASR的階躍響應關系，圖9c是積分時間I值與速度調節器ASR的階躍響應關系。
（a）
（b）
（c）
圖9 速度調節器ASR的階躍響應與PI參數的關系
一般的矢量變頻器為了適應電動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），同時設有切換頻率。為了保證兩套PI值的正常過渡，一些變頻器還另外設置了兩個切換頻率，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的頻率動態響應PI值取A點的數值，高于切換頻率2的頻率動態響應PI值取B點的數值，位于切換頻率1和切換頻率2的頻率動態響應PI值取兩套PI參數的加權平均值。 如果PI參數設置不當，系統在快速啟動到高速后，可能產生減速過電壓故障（如果沒有外接制動電阻或制動單元），這是由于在速度超調后的下降過程中系統再生制動狀態能量回饋所致，因此合適的PI值對于系統的穩定性至關重要。
圖10 PI參數與頻率切換的關系
2.4 轉差補償增益和靜差率
靜差就是從一個穩定的轉速過渡到另一個穩定的轉速之間的差值，靜差率是指電動機空載與滿載的速度差，這兩個參數對于電動機的控制特性都是要求比較高的。
由于無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）利用電動機模型推導出轉速方程式，從而計算轉速；（2）利用電動機模型計算轉差頻率，進行補償；（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）利用電動機的齒諧波電勢計算轉速；等等。但是，無論哪一種方法，對于電動機實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，確保電動機的靜差率低于0.01%，就需要對轉差補償增益進行設置。
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：當電動機重載時速度偏低，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