VF控制和矢量控制的一些区别 点击:29034 | 回复:213



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:2011-05-28 11:50:05
61楼

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。

 

1、楼主认为:“对电机而言,…三相异步电机电感可以认为是不变的,……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,”;

2、也就是说,电机的阻抗特性是随负载大小变化的,阻抗角是负载的函数,转差、功角也是负载的函数,不是谁能任意改变的,不是谁能任意控制的!

刘志斌

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发表于:2011-05-28 12:17:10
62楼

3、楼主认为:“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,”;

4、也就说,负载大小变化时,转差、功角跟着变化,转矩跟随负载变化,负载阻抗特性跟随负载变化,有功电流、无功电流的比例也是跟随负载变化的,而不是谁能控制;

刘志斌

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发表于:2011-05-28 12:21:39
63楼

5、当然变频器在跟随负载大、小变化时,主动改变频率、电压,主动改变转差、功角,使阻抗特性、有功电流、无功电流的比例进入最佳状态是可能的,是所有变频器共同的能力;

6、楼主认为:“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。”,也就是说,矢量控制不再是对定子电流解耦、然后对有功电流、无功电流分别控制的理论了,楼主对矢量控制进行了改头换面!

刘志斌

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发表于:2011-05-28 12:29:41
64楼
7、不管怎么说,搂主对“矢量控制‘的这种解释是一种进步!

第五纪冰川

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发表于:2011-05-28 12:49:38
65楼

有个事情我很好奇!

刘老师能晒晒自己的教育背景吗!

 

刘志斌

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发表于:2011-05-28 12:54:03
66楼

楼主认为“转矩必须和负载平衡,这个是约束条件”是正确的,离开负载的转矩是不成立的!“转矩闭环”是不成立的,因为负载大小是随机的,不可预知的,是不可提前给定的,也是不能即时检测反馈的;

刘志斌

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发表于:2011-05-28 13:04:34
67楼

“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。”

 

1、如果矢量控制是通过改变频率、电压,改变同步转速,改变转差,来实现“瞬时转矩最优,动态过程最短的目的”,那是无可非议的;

2、如果是通过改变频率、电压,改变同步转速,改变转差,来实现“瞬时转矩最优,动态过程最短的目的”,VF变频器也能完成矢量控制;

刘志斌

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发表于:2011-05-28 13:13:54
68楼

3、这样否定转差、功角控制的矢量说,就是错的!

五代重歼

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发表于:2011-05-28 13:18:55
69楼
不扯别的,刘志斌你搞过的变频调速也好、运动控制也好,你把实际案例说出来,你的项目背景、控制策略、设备选型、达到的效果、技术参数晒出来看看。一天在那乱吠,你要晒不出来就别摆出一副指点江山的嘴脸。

实在举不出来,你也可以说你实际调过什么产品,变频器也行伺服也行

再不济你能举出你见过那个品牌的机器也行,只要能说出型号、应用场合,否则你就该闭嘴,当然皮厚的除外。

注:软启动不算,那玩意儿被你一钳子整爆了谁都知道,现在说的不是软启。

刘志斌

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发表于:2011-05-28 13:27:17
70楼

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。

 

1、上述关于矢量控制的论述,是可行的!

2、变频器调速改变转矩的方式从原理讲,有两种方式:

1)改变电压,电机的转矩与电压的平方成正比;

2)改变频率,改变转差或功角,交流电机的转矩与转差、功角成增函数关系!

3、直接转矩控制、矢量控制只是概念操作,最终得回到电机理论上来!

刘志斌

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发表于:2011-05-28 13:33:30
71楼
我认真的、一字一句的学习了楼主的论文,领悟了楼主的意图,发表了自己的不同见解,说话中有伤感情的话,表示歉意!

刘志斌

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发表于:2011-05-28 13:41:21
72楼

我这样做,只是不想看到我国的变频器技术被鬼理论引入歧途,我相信我们的技术人员强化理论学习,提高科技水平,能辨别真伪,少走弯路,力创一流变频调速产品!

五代重歼

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发表于:2011-05-28 14:03:13
73楼

3、直接转矩控制、矢量控制只是概念操作,最终得回到电机理论上来!
jjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjj

你不如直接说直接转矩控制、矢量控制最终都要靠电机来实现!哈。。。。。。。。

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发表于:2011-05-28 14:04:57
74楼
就这水平,还操心国家的变频技术? 按你刘志斌的去搞,一句话:彻底玩完!

五代重歼

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发表于:2011-05-28 14:10:54
75楼
引用刘志斌 的回复内容:
引用铁戟沉沙 的回复内容:……是因为我们的变频器不是矢量控制,如你真能推翻他们,我们才是最大获利者! 笑你,是因为你:强不知以为知,见骆驼硬说是马肿背! 请自重!






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1、你不懂变频器,也不懂异步电机,更不懂矢量控制,你却相信矢量控制的鬼故事;

2、对你这样的人,我的发言是什么,你也不懂,对、错你没有判断能力,所以不要骂人,骂就骂自己是个无知得人!


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刘志斌的确是个井底之蛙,人家说的那样明白它都没听明白,索性给翻译以下,刘接着丢人!

很明显那哥们儿是做ABB传动的,ABB主推的是DTC控制,全世界仅此一家做DTC。矢量控制和DTC是竞争对头,明白吗

你没见过的多了去了

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发表于:2011-05-28 15:13:29
76楼
刘志斌,争口气,说个实际项目给大伙看看!总胡说八道也不是回事!这次丢人了,以后就彻底丢人丢大发了,在工控网怎么混?还好意思发贴留言?

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发表于:2011-05-28 15:15:44
77楼
刘志斌,你朋友这么多,被人批成这样,也没人帮个腔?也没人给你个台阶下,难过不?

刘志斌

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发表于:2011-05-28 15:44:09
78楼

引用征 的回复内容:刘志斌,你朋友这么多,被人批成这样,也没人帮个腔?也没人给你个台阶下,难过不?


1、要说骂人,你“征”需要有人帮腔;

2、要说理论,我老刘还需要帮忙的?工控人都知道。

3、你这个小喽罗只能是帖中的小丑,尽情调侃吧!

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发表于:2011-05-28 16:16:28
79楼
引用刘志斌 的回复内容:

引用征 的回复内容:刘志斌,你朋友这么多,被人批成这样,也没人帮个腔?也没人给你个台阶下,难过不?

 


 

1、要说骂人,你“征”需要有人帮腔;

2、要说理论,我老刘还需要帮忙的?工控人都知道。

3、你这个小喽罗只能是帖中的小丑,尽情调侃吧!


 


 

关于第一点:要说骂人, 我觉得楼上的几位没有骂人, 因为你会吐象牙。

                        至于帮腔, 大伙都是自发的, 我也没让人家批你,何来帮腔之说?之所以出现这种情况, 是因为平日行为积累的结果, 是你自己的原因!

关于第二点:大家是都知道! 都知道你的理论水平!

                       你最好把你的实践水平展露一下, 祥见69楼的建议!

关于第三点:小喽罗?因为你搞活了论坛的“人气”, 你存在的原因很能说明小喽罗是什么!

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发表于:2011-05-28 16:27:55
80楼

刘志斌, 考一下你的理论水平, 我记得你说过你教过自控原理的, 你看一下下面的控制系统,选取阻尼系数为0.707
kp =14.1411, Ti= 14.14ms , 你推导一下这两个值怎么算出来的。

 

 


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