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VF控制和矢量控制的一些区别 点击:0 | 回复:210



kyhuang

    
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发表于:2011-05-27 03:55:08
楼主
我是做变频器开发的一线人员,有过完整的针对三相异步电机和永磁同步电机变频器开发经历,产品也在市场上卖,学历方面,在国内正规学校拿到了电机工程的博士学位(无炫耀之意,只是说明在这个领域比较熟悉),陈伯实老先生的书基本翻烂过,也和陈老先生同桌吃过饭。看到讨论比较热烈,也来发个言,谈谈对变频器VF控制、矢量控制的认识。
针对异步电机,为了保证电机磁通和出力不变 ,电机改变频率时,需维持电压V和频率F的比率近似不变,所以这种方式称为恒压频比(VF)控制。VF控制-控制简单,通用性强,经济性好,用于速度精度要求不十分严格或负载变动较小的场合。从本质上讲,VF控制实际上控制的是三相交流电的电压大小和频率大小,然而交流电有三要素,就是除了电压大小和频率之外,还存在相位。VF控制没有对电压的相位进行控制,这就导致在瞬态变化过程中,例如突加负载的时候,电机转速受冲击会变慢,但是电机供电频率也就是同步速还是保持不变,这样异步电机会产生瞬时失步,从而引起转矩和转速振荡,经过一段时间后在一个更大转差下保持平衡。这个瞬时过程中没有对相位进行控制,所以恢复过程较慢,而且电机转速会随负载变化,这就是所谓VF控制精度不高和响应较慢的原因。
矢量控制国外也叫磁场定向控制,其实质是在三相交流电的电压大小和频率大小控制的基础上,还加上了相位控制,这个相位在具体操作中体现为一个角度,简单的讲就是电机定子电流相对于转子的位置角。我们知道,电机定子三相对称交流电的综合效果是一个旋转磁铁,通电后这个旋转磁场通过感应在转子上生成三相交流电流,这个电流也等效成一个磁铁,这样就相当于定子磁铁拖着转子磁铁旋转了,这个是电机旋转的基本原理。这里有个问题,就是只有定子磁铁和转子磁铁的相对位置靠得最近,产生的力矩才最大,所以如何在电机三相定子绕组上通电获得最大转矩,实际上还和转子位置有关的。矢量控制会通过实测回来的电流结合电机参数,实时计算出转子位置,这个过程就是所谓的“磁场定向”,然后实时决定三相定子绕组上电压的相位,这样理论上可以做到同样的电流下产生的转矩最优,从而减小电机负载变化时的瞬态过程。此外,矢量控制顺便还会根据转子位置求出转速,利用电机参数对转速进行瞬时补偿,进一步优化了控制性能。
综上,我觉得矢量控制和VF控制的最本质的区别就是加入了电压相位控制上。从操作层面上看,矢量控制一般把电流分解成转矩电流和励磁电流,这里转矩电流和励磁电流的比例就是由转子位置角度(也就是定子电压相位)决定的,这时转矩电流和励磁电流共同产生的转矩是最佳。具体实现可以参考陈老先生的书和其他任何一本讲矢量控制的书。宏观上看,矢量控制和VF控制的电压,电流,频率在电机稳定运行时相差不大,都是三相对称交流,基本上都满足压频比关系,只是在瞬态过程如突加、突减负载的情况下,矢量控制会随着速度的变化自动调整所加电压、频率的大小和相位,使这个瞬时过程更快恢复平衡。至于矢量控制里面那些坐标变换,是一种便于理解和描述的手段,不是本质问题。从电机理论来看,在dq同步旋转坐标系里,三相正弦交流量可以转换成两相直流量,这样可以简化运算,便于数字处理,实际上真实系统里并不存在转矩电流和励磁电流的,这些是一种数学抽象,算完了控制完成后最终还是要体现在实际三相交流电上。好比我们数学里的拉普拉斯变化,可以把微分方程变成代数方程简化运算,运算完了后再反变换回去是一个道理。
刘志斌老师可能对矢量控制理解有误,或者可能书上没把物理本质说得很清楚。刘志斌老师的第一点“1、电感的电流落后电压90度,你能控制这个角度吗?”这句话是非常正确,电感的电流落后电压90度,对纯电感而言这个90角度是不可能控制的,但是不能推出“9、所谓对定子电流解耦,对有功电流、无功电流分别控制是句谎言,或者是无知的笑话!”。对电机而言,我想这个论坛里很多人应该学过电机学,知道三相异步电机的等效电路,三相异步电机电感可以认为是不变的,但是转子的等效电阻可以看成两部分,一部分是转子本身的实际电阻r2,不考虑温度什么的这个可以认为不变,另一个是负载等效电阻(1-s)r2/s(s是转差率),这个实际上和转差有关,也就是说跟电机的同步速、负载等因素有关了,这样转子的等效电阻实际上是可变的,电机电感和电阻的比例关系并不是固定的,那么通过改变同步速和相应的电压、相位,对有功电流、无功电流的分别控制是可行的,而矢量控制就是提供了这么一种途径。这里我要澄清一下,“对有功电流、无功电流的分别控制”,并不是说你能把有功电流、无功电流控制到任意值,想怎么控制就怎么控制,对异步电机而言,无功电流永远是感性,这是原理决定的,你不可能把它控制成容性无功,而且有功电流、无功电流的组合产生的转矩必须和负载平衡,这个是约束条件。矢量控制的目标,实际上是“通过对有功电流、无功电流的分别控制实现优化组合”,达到瞬时转矩最优,动态过程最短的目的。而VF控制少了这么一个对电流瞬时控制的过程,是粗线条的控制,理论上就要差些。好比你让一个小弟干活,VF控制就是“小弟,你把这个东西做出来”,给出一个要求就行了;矢量控制就是你不只是告诉小弟把这个东西做出来,而且还要告诉他,第一步怎么搞,第二步怎么搞,细节怎么处理,这样显然后者得到的结果要精细些。
上面是一些理论分析,从实际来看,VF控制是目前变频器主流控制方法,辅以适当的补偿方法可以提高其性能。目前提高VF控制性能的主要方法有:低频力矩补偿、死区补偿、动态磁通控制、跟踪自启动等,可以适用于80%以上的工况。在某些对动态要求很高的场合,则需要使用矢量控制,如伺服、印刷等。矢量控制是根据测量到的电流、电压和磁通等数据,结合电机内部的电阻电感等参数计算出当前的转速和位置,并进行必要的修正,从而在不同频率下运行时,得到更好的控制模式。由于计算量较大,且需要知道电机内部参数,所需数据中的相当部分,一般用户是很难得到的。这给矢量控制的应用带来了困难。对此,变频器都必须配置自动检测电动机参数的功能。总体而言,矢量控制可以得到更好的性能,低频转矩大,动态响应好 ,但应用比较不方便,如果参数不合适可能还不能稳定运行,使用范围受到一些限制。实际中推荐用户能用VF控制就尽量不用矢量控制。事实上大多数情况增加了转矩提升、死区补偿、滑差补偿的高性能的VF能满足绝大部分要求,而且稳定性更好。
目前矢量控制的主要问题是适用性不如VF强,VF基本上什么异步电机都能上,但是矢量控制在专用电机能达到的最高水平让VF望尘莫及。我到西门子参观的时候,他们对电机的控制到了令人震惊的程度,那就是用三台电机分别驱动一台时钟的秒针、分针和时针!想想是什么概念:12小时转一圈啊,这种超低速控制是我想都无法想的。这就是技术差距!这绝对代表了世界上电机控制的最高水平,而基本原理就是矢量控制。
至于ABB的直接转矩控制,世界上独此一家。老实说,我具体测试过波形,是在无法理解是如何实现的,特别是细节部分,体现出的波形跟教科书上的完全不一样。只能说自己孤陋寡闻。



刘志斌

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发表于:2011-05-27 09:01:38
1楼

看了楼主的发言,觉得给矢量控制理论又添了一些笑话!

刘志斌

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发表于:2011-05-27 09:05:25
2楼

我想问当频率是30HZ时,电压的相位应该是多少?搂主能回答这个问题吗?

刘志斌

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发表于:2011-05-27 09:15:29
3楼

陈伯时的书,关于异步电机理论是非常正确的,而楼主关于异步电机的说法很不在行,甚至错误!

刘志斌

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发表于:2011-05-27 09:52:57
4楼

“针对异步电机,为了保证电机磁通和出力不变 ,电机改变频率时,需维持电压V和频率F的比率近似不变,所以这种方式称为恒压频比(VF)控制。”

 

1、楼主的这句话应改为:“针对异步电机,为了保证电机主磁通和机械特性不变 ,电机改变频率时,必须同时改变电压。变频变压时,维持电压V和频率F的比率不变的控制方式称为恒压频比(VF)控制。”

2、还有一种控制模式,就是维持电压V和频率F的比率为U-IR/f=定值模式,保证低频段电机磁场恒定、机械特性不变!

第五纪冰川

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发表于:2011-05-27 09:53:29
5楼

强烈建议刘老师用一台数字存储示波器实际测试一下两种控制模式带负载(突加负载、突减负载)的电流波形,把波形录下来,比较比较,区别很大,真的很大!

刘志斌

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发表于:2011-05-27 10:00:50
6楼

“VF控制-控制简单,通用性强,经济性好,用于速度精度要求不十分严格或负载变动较小的场合。”

 

1、这句话应改为:“VF控制-控制简单,适用较高频段运行,但低频段主磁场减弱很大,电磁转矩不足,电机低速运行动力不足”;

2、维持电压V和频率F的比率为U-IR/f=定值模式,克服了VF=定值控制模式的缺点,在低频段主磁场不减弱,有足够的电磁转矩,电机低速运行动力足;

刘志斌

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发表于:2011-05-27 10:24:58
7楼

“从本质上讲,VF控制实际上控制的是三相交流电的电压大小和频率大小,然而交流电有三要素,就是除了电压大小和频率之外,还存在相位。VF控制没有对电压的相位进行控制,这就导致在瞬态变化过程中,例如突加负载的时候,电机转速受冲击会变慢,但是电机供电频率也就是同步速还是保持不变,这样异步电机会产生瞬时失步,从而引起转矩和转速振荡,经过一段时间后在一个更大转差下保持平衡。这个瞬时过程中没有对相位进行控制,所以恢复过程较慢,而且电机转速会随负载变化,这就是所谓VF控制精度不高和响应较慢的原因。”

 

1、电源电压不存在相位问题,大家想想,你的配电室的电压的相位是多少?你能回答出来吗?

2、只有负载时,负载电流相对电压有相位差的问题; 

刘志斌

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发表于:2011-05-27 10:32:42
8楼

3、负载时,负载电流相对电压有相位差的问题:

1)负载电流相对电压的相位差是多少?

2)只有负载的性质及负载的阻抗特性能知道,因为这个相位差就是负载的阻抗角决定的,不是谁能控制的;

3)谁要说他能控制这个角就是个笑话!

刘志斌

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发表于:2011-05-27 11:00:34
9楼

4、这里说的负载特性,就是电机拖动负载时的特性,负载大小变化时,电机的负载特性跟着变化:

1)例如,空载时,电机的负载特性可以近似为纯电感性质,只有相差90度的励磁电流;

2)例如,满载时,电机的负载特性可以近似为纯电阻性质,只有相差0度的转矩电流,这时励磁电流不变很小,可以忽略;

刘志斌

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发表于:2011-05-27 11:01:58
10楼

3)大家要的就是电机满载时的运行状态,满载时负载大小变化,转矩电流变化,励磁电流不变;

刘志斌

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发表于:2011-05-27 11:06:31
11楼

4)变频器通过变频能做到主动改变同步转速,使同步转速与转子转速之间的转差维持在额定运行时的转差范围内,这样电机电流就维持在额定电流范围内,就保证电机电流的变化是转矩有功电流,励磁电流不变!

5)所以实现转矩电流的变化,保持励磁电流不变,是很简单的事,也是大家已经用着的事。

6)不需要解耦,不需要复杂的转换和计算,那是不懂交流电机的人干的蠢事,是笑话!

刘志斌

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发表于:2011-05-27 11:50:35
12楼

5、今天我断言,没有哪一家变频器内设计有实际的解耦、变换、复杂计算的电路!

五代重歼

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发表于:2011-05-27 12:31:03
13楼
引用刘志斌 的回复内容:

5、今天我断言,没有哪一家变频器内设计有实际的解耦、变换、复杂计算的电路!



连你熟悉的彩电都早已用上微电脑机芯了,你还停留在那个PID调节器都要用模拟电路实现的年代,可悲啊。

给你晒晒ACS800 所用的RMIO-11C上的主要器件吧 DSP56303AG100、ICMC-2A-LF,ACS550用的XC2S15。。。。。

现在都用DSP、FPGA的年代,你还在那载波电路、电压调制器的胡扯一通,连个PID调节仪你都要用运放来搭,我倒想问问你你的PID电路怎么实现自整定?

就你那点见识还断言!

刘志斌

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发表于:2011-05-27 13:56:46
14楼

“例如突加负载的时候,电机转速受冲击会变慢,但是电机供电频率也就是同步速还是保持不变,这样异步电机会产生瞬时失步,从而引起转矩和转速振荡,经过一段时间后在一个更大转差下保持平衡。这个瞬时过程中没有对相位进行控制,所以恢复过程较慢,而且电机转速会随负载变化,这就是所谓VF控制精度不高和响应较慢的原因。”

 

1、在变频器的“速度闭环”控制中:

1)突加负载的时候,电机转速受冲击要变慢;

2)这时速度检测到此信息后,反馈至频率调节器;

刘志斌

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发表于:2011-05-27 13:57:11
15楼

3)频率调节器控制输出频率增高,即同步转速增大;

4)同步转速增大,转差增大,转矩增大,与负载达到新的平衡,而转子转速保持不变;

刘志斌

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发表于:2011-05-27 14:02:12
16楼

2、在这个过程中,信息的检测、反馈、频率调节,都是电量变化、传递过程,所以整个过程响应快、精度高;

刘志斌

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发表于:2011-05-27 14:06:22
17楼

3、如果异步电机在工频运行时:

1)突加负载的时候,电机转速受冲击要变慢;

2)电机转速下降,转差增大,转矩也增大;

3)直道转子转速下降到,转差、转矩增大到与负载平衡为止;

刘志斌

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发表于:2011-05-27 14:10:59
18楼

4、在这个过程中,需要的时间是转子和负载的转速下降的时间,而转子和负载是惯性体,转速下降需要的时间长,过程反映慢;

 

刘志斌

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发表于:2011-05-27 14:17:30
19楼

5、所以楼主的理论分析出了问题,分析结果是错误的;

6、只要是变频器调速,只要是“速度闭环”,响应速度都快;

7、响应速度快与是什么模式的变频器无关,只要这种模式的变频器能使电机的转矩足够大就行;

刘志斌

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20楼

     “矢量控制…,其实质是在三相交流电的电压大小和频率大小控制的基础上,还加上了相位控制,这个相位在具体操作中体现为一个角度,简单的讲就是电机定子电流相对于转子的位置角。我们知道,电机定子三相对称交流电的综合效果是一个旋转磁铁,通电后这个旋转磁场通过感应在转子上生成三相交流电流,这个电流也等效成一个磁铁,这样就相当于定子磁铁拖着转子磁铁旋转了,这个是电机旋转的基本原理。”

 

1、“矢量控制…,其实质是在三相交流电的电压大小和频率大小控制的基础上,还加上了相位控制”,是一个莫须有的概念,变频器只能控制输出三相对称交流电的大小、和频率大小,没有什么相位的问题;

2、变频器输出的三相对称交流电作为交流电动机的电源外,没有任何别的作用,当频率大小变化时,交流电机内的旋转磁场怎么转它并不知道,当电压变化时,交流电机内的主磁场强弱怎么变化它也不知道;


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