矢量變頻器在工業控制中的應用研究

劉娜*

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矢量變頻器在工業控制中的應用研究

劉娜*

（撫順礦業集團技師學院/撫礦工學院，遼寧撫順，113006）

隨著工業控制的多元化和復雜性，變頻器在工業控制中的應用越來越廣泛。由于變頻器具有性能良好、調速區間寬、運行平穩和智能化等優點，使得變頻調速變得簡單、可靠，對于控制精度較低的系統，普通變頻器完全可以滿足要求，對于控制精度較高，動態品質需要完善的系統，采用矢量變頻器是一種很好的控制方案。在交流調速系統中，矢量控制技術是比較高效和完善的，替代傳統的直流傳動技術，表現出很好的魯棒性和動態品質。

變頻器；矢量控制技術；魯棒性；動態品質

引言

現代控制技術朝著多元化和集成化發展，矢量技術在工業控制中呈現出多領域、多功能的態勢，不僅僅使用在交流異步電動機的調速，而且對直流電動機變頻調速也在大量使用。在一些控制要求較高的設備的控制系統中，如造紙、塑料袋加工等精密設備的系統，傳統的變頻器在調速寬度、穩定性方面劣勢明顯。矢量變頻器技術就是將電動機的輸入電流分解為勵磁電流和力矩電流，將兩者分開控制，使得交流電動機和直流電動機控制表現出類似的效果，從而規避了交流電動機在調速方面的局限性，提高了調速效果。在工業控制領域中，矢量技術主要用于分析交流電源，基于電動機電流分析的基礎上來進行變頻控制和調速的，但是需要建立數學模型來完成，數學模型可以不同。

變頻調速是一種比較穩定、高性能的控制方法，是用來優化電動機的控制效果，但是如何解決變頻器的干擾是非常棘手的問題。主要體現在變頻器內部的直流變為交流的逆變器產生的階躍信號使變頻器對使用環境產生電氣污染，對自動化設備產生擾動，甚者使控制系統不穩定，或者不可控。變頻器的干擾主要來源于兩種：一種是外部干擾。變頻器內部采用了CPU和控制器組成的集成電路板，通過單片機控制的形式，利用接口技術來進行數據或信號的傳輸，這樣集成的電路板在強磁場環境下很容易受到干擾，嚴重時會影響到輸入信號，對變頻器的輸出產生影響。變頻器的干擾排除可歸納為如下措施解決：保證良好的接地；變頻器的input和output端加入電感式濾波器；變頻器的電源布線應符合國家規定，電源線和信號線隔離，至少在150mm以上，做到橫平豎直，不交叉，不同電壓等級的電線應分布合理，避免電源的引入使變頻器的干擾增加。二是變頻器的內部干擾。變頻器的輸入和輸出是交流電，交流電是典型的正弦波，其中含有大量的高次諧波，通過空氣中的灰塵作為傳輸介質，對運行的變頻器和其它設備構成干擾。矢量變頻器能很好的將高次諧波濾掉，為系統的安全運行提供良好的技術支持。

1 矢量變頻器工作原理

矢量控制技術就是將交流電源的三相通過等效表換在直角坐標系內表示，這樣就是把定子的電流等效分解為磁通電流和轉矩電流，把磁通和轉矩的電流分離，達到獨立控制磁通的轉矩的效果，磁通的變化，通過楞次定律使得電動勢發生變化。U/f控制中，當勵磁不足或過剩都會對電動機的轉矩造成一定的影響，勵磁不足，轉矩下降；勵磁過剩，電流增大，電動機的銅損和鐵損增加，對電動機的使用壽命造成一定的影響，所以磁通的電流是轉矩恒定的保證。

矢量控制技術就是對定子電流的大小和方向進行閉環控制，通過坐標變換，將三相電流轉換為直角坐標系下的磁場電流和轉矩電流，根據建立起來的數學模型，通過相關計算得出轉差率，就可以確定轉子的位置。勵磁和轉矩通過不同的控制器獨立輸出來控制脈沖寬度，從而控制輸出電壓。

2 矢量變頻器的應用

矢量變頻器的應用比較廣泛，如造紙、軋鋼、吹塑、供水系統、紡織機械、提升設備中的使用等，本文以提升設備為例來簡述。

在提升設備中，電梯罐籠是通過電動機來完成上升和下降，而電動機就是通過變頻器來完成控制，變頻器接線端子和電動機相連，由其輸出來實現電動機的啟動、加速、減速和停止。PLC是變頻器的控制核心，由事先設定的程序（梯形圖、語句表、功能模塊圖）控制變頻器的輸入，環節如下：PLC根據外部信號接通內部程序，內部程序在執行過程中，綜合反饋信號，通過分析和相關的運算給變頻器發送指令，變頻器負責執行。提升設備的啟動和停止需要平穩，罐籠的位置和平層位置高度一致，矢量變頻器需要給電動機預先設定磁場，這個時候電動機處于停止狀態，由PLC給定開、關門信號，也就是延時時間的設定信號后，電動機打開抱閘，接近開關檢測延時信號是否發出，如果發出，那么速度指令馬上執行，電動機開始運轉，帶動罐籠上下運動。電動機從啟動到平穩運行進過一個加速的過程，到達平層有一個減速的過程，這就涉及到加速和減速的時間問題，也就是上、下坡問題，這個矢量變頻器內部可以人為設定，如果上下坡時間設定較短，罐籠抖動就會較大，通常設定為0.5s即可，當PLC收到某一層的上升或下降指令后，就會輸出給變頻器一個信號，到達平層后，電動機的抱閘指令開始執行，防止罐籠在到達平層后下滑或墜落。

矢量變頻器的優點是當載重量為額定載重量的110%時，仍然能準確的停在平層，是因為轉矩電流進行了二次分配，載重量小于額定載重量，轉矩的電流就會適當的減小，降低電動機的額磨損，使得電動機可以長時間工作。矢量變頻器還有脈沖編碼定位技術，根據具體的位置設定好參數，罐籠上設定平層感應裝置，代替了傳統的加減速感應裝置，這樣通過罐籠和平層之間來完成，不需要每一個平層都設定感應裝置，既節約了成本，又降低了故障率。

顯然，矢量變頻器應用到提升設備是一個不錯的方案，那么變頻器在客梯的控制中，還有一些相關的智能控制環節，如變頻器在上升或下降平層側面安裝紅外線傳感器，當檢測到信號時，變頻器以工頻（50Hz）來運行；當信號消失，變頻器輸出頻率降低或不輸出，電梯就會緩慢運行或停止運行。矢量變頻器有強大的定時功能，當觸發紅外線傳感器時，電梯正常運行，同時定時器開始計時，在一個計時周期內，紅外線傳感器再次觸發，定時器重新定時，保證電梯一直在有人乘坐時保持正常運行速度。矢量變頻器可以設定多個速度段，在早晚高峰的時候，可以采取高速運行區段，這樣可以節約時間，平時，采取低速運行區段，既節約時間，又對電動機進行很好的保護，減少電動機的損耗。

3 結束語

變頻器是變頻調速的核心，選擇什么樣的變頻器根據控制系統或使用設備的要求。在一些相對精密、控制要求較高、動態品質比較完善的設備中，采用矢量高性能變頻器是一種很好的方案。高精度集成DSP，保證矢量控制的響應迅速、運行穩定、轉矩電流獨立控制、保證啟動轉矩的輸出大、在一定范圍內載重量超過額定載重量還可以平穩運行。矢量變頻器在工作過程中，通過檢測適當調整輸出頻率，使電動機工作在變頻狀態，減少電動機的電器損耗和機械損耗，延長電動機的電氣壽命，可以設定多種速度，節能效果明顯，智能化程度高，控制效果好。

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The Application of Vector Inverter in Industrial Control

LIU Na*

(fushun mining group technician college/miner college, Liaoning Fushun, 113006, China)

with the diversification and complexity of industrial control, the frequency converter is widely used in industrial control. Because the frequency converter has good performance, wide speed range, the advantages of stable operation and intelligent, makes frequency control of motor speed is simple, reliable, the low control precision of system and general inverter can completely meet the requirements, for high precision control, dynamic quality need to improve the system, adopts vector frequency converter is a kind of very good control scheme. In ac speed regulation system, vector control technology is relatively efficient and perfect, which replaces the traditional dc drive technology and shows excellent robustness and dynamic quality.

inverter; Vector control technology; Robustness; Dynamic quality

劉娜. 矢量變頻器在工業控制中的應用研究[J]. 數碼設計, 2017, 6(5): 43-44.

LIU Na. The Application of Vector Inverter in Industrial Control[J]. Peak Data Science, 2017, 6(5): 43-44.

10.19551/j.cnki.issn1672-9129.2017.05.017

TP473

A

1672-9129(2017)05-0043-02

2017-01-12；

2017-02-15。

劉娜（1983.3.26），女，遼寧撫順，講師，碩士學位，研究方向：電氣控制。E-mail:1906382821@qq.com