變頻器控制功能的參數選擇與典型應用
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4 工藝過(guò)程閉環(huán)控制方式
傳統的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)對實(shí)際角速度的檢測的一種調節控制。但是，在現實(shí)的許多應用場(chǎng)合，顯然，我們并不只關(guān)心電機的速度，而可能更多地要關(guān)注生產(chǎn)工藝過(guò)程中的某些被控對象的參數測量值，這些參數包括：溫度、壓力、流量、液位等信號。比如，在混配料系統中，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)程的參數變量。在諸如這樣的一些應用場(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(hù)，他的配料a和配料b由各自的配料電機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要求對配料a的電機進(jìn)行變頻控制，以實(shí)現如下具體需求：
?。?） 配料a的比例可以自由設定；
?。?） 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定比例。
問(wèn)題3的分析
首先，用戶(hù)對配料電機a的控制需求是要根據配料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)反饋信號是混料筒中的配料a所占的比例信號，它與電機的速度無(wú)關(guān)，因此，可以準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(hù)要求配料比可以在生產(chǎn)過(guò)程中根據需要進(jìn)行設定，為此，需要提供配料a所占比例的設定手段—電位器給定配料比方式。椐此可以得到如表4所示的需求與對應功能。
對比表4與表3，可以看見(jiàn)，他們之間的差異除了控制方式的選擇區別外，還有一個(gè)最為明顯的差異，那就是表4中作為控制對象的參考量與反饋值都是生產(chǎn)工藝過(guò)程中的參數（這樣設定的參數與反饋的參數都更直接表達了生產(chǎn)過(guò)程狀態(tài)，也更加直觀(guān)明了），而不再是速度參數。撇開(kāi)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。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(méi)有差異的，它是閉環(huán)速度控制方式的延伸形式與變種應用。
5 開(kāi)環(huán)轉矩控制方式
上面介紹的無(wú)論是開(kāi)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)的一種應用。矢量控制實(shí)現的基本原理是通過(guò)測量和控制異步電動(dòng)機定子電流矢量，根據磁場(chǎng)定向原理分別對異步電動(dòng)機的勵磁電流和轉矩電流進(jìn)行控制，從而達到控制異步電動(dòng)機轉矩的目的。具體是將異步電動(dòng)機的定子電流矢量分解為產(chǎn)生磁場(chǎng)的勵磁電流分量和產(chǎn)生轉矩的轉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(chēng)這種控制方式稱(chēng)為矢量控制方式。矢量控制方式又有基于轉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。而轉矩控制則是以轉矩為中心來(lái)進(jìn)行磁鏈、轉矩的綜合控制。和矢量控制不同，直接轉矩控制不采用解耦的方式，從而在算法上不存在旋轉坐標變換，簡(jiǎn)單地通過(guò)檢測電機定子電壓和電流，借助瞬時(shí)空間矢量理論計算電機的磁鏈和轉矩，并根據與給定值比較所得差值，實(shí)現磁鏈和轉矩的直接控制。
對交流電機的直接轉矩控制（dtc）技術(shù)的引入，使得交流電機轉矩特性像直流電機一樣在應用中表現的“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(ài)默生td2000等產(chǎn)品中都有直接轉矩控制功能。
開(kāi)環(huán)轉矩控制方式就是利用變頻器本身對電機的轉矩的控制來(lái)實(shí)現輸出軸轉矩的穩定控制，這種控制方式可廣泛地應用在那些在運行過(guò)程中需要保持轉矩恒定，不需要改變運行方向的場(chǎng)合，諸如：卷繞、擠壓、皮帶輸送等相關(guān)行業(yè)應用。
問(wèn)題4的提出
假定有一個(gè)石料廠(chǎng)的皮帶輸送機用戶(hù)，皮帶輸送機需要不斷地將從料斗中卸下的片石塊送到破碎機中進(jìn)行破碎，如圖2（c）所示，用戶(hù)想對這個(gè)皮帶輸送機進(jìn)行變頻驅動(dòng)改造，具體要求如下：
?。?）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)；
?。?）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；
?。?）現場(chǎng)無(wú)法提供檢測石塊在皮帶上數量多少的信號。
問(wèn)題4的分析
首先，應用現場(chǎng)無(wú)法提供被控對象的檢測信號，可以說(shuō)只能采用開(kāi)環(huán)控制方式；其次，用戶(hù)的第②個(gè)需求，實(shí)質(zhì)上就是轉矩控制的運行特點(diǎn)，而要保證一個(gè)始終穩定的輸出轉矩（用戶(hù)的第①個(gè)要求）就只有采用轉矩控制方式，至此，我們可以肯定地說(shuō)這個(gè)案例需要采用開(kāi)環(huán)轉矩控制方式。椐此可以得到如表5所示的需求與對應功能。
用以上的方法在給一個(gè)90kw電機調試后，其表現出以下運行特征現象：
?。?）當皮帶上的石塊量較少時(shí)，皮帶以較快的速度在運轉（但不會(huì )超越輸出頻率上限的限定50hz）；
?。?）當皮帶上的石塊量較多時(shí)（接近給定轉矩），皮帶運行在32hz～38hz；
?。?）當皮帶上的石塊量很多時(shí)（超越給定轉矩），皮帶停止輸送。盡管此時(shí)電機停止運轉，即相當于堵轉表現的狀態(tài)，但與通常的堵轉有本質(zhì)區別，在轉矩控制方式下，此時(shí)電機不會(huì )在短時(shí)間內燒壞。
6 速度反饋轉矩控制方式
在開(kāi)環(huán)轉矩控制案例中，了解到轉矩控制的一些特點(diǎn)，那么，如果應用場(chǎng)合在既需要保持控制轉矩穩定輸出的同時(shí)又需要根據速度反饋信號進(jìn)行相應調節，此時(shí)，就要選擇帶速度反饋的轉矩控制方式。速度反饋轉矩控制方式最適合應用在卷繞、抽絲等紡織行業(yè)。在圖2（a）中，如果沒(méi)有張力架，收卷的張力需要依靠在變頻器上進(jìn)行設定，并且要根據收卷筒半徑的變化作為反饋來(lái)適時(shí)自動(dòng)調整電機輸出轉矩和角速度調整，來(lái)保持卷取切線(xiàn)力的恒定和線(xiàn)速度恒定，而將編碼器信號作為速度反饋信號，來(lái)保持角速度的恒定。在圖2（d）中給出了控制結構。按照圖2（d）的構造，得到表6所示的參數：
以上介紹常規控制方式是變頻器應用領(lǐng)域使用最為普遍的方式，約占整個(gè)變頻器應用需求市場(chǎng)的70%以上，準確掌握這些基本控制方式的內涵與應用技巧，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。但對于一些特殊應用需求的場(chǎng)合，還需要掌握一些專(zhuān)用變頻器的應用技術(shù)和相關(guān)的控制概念以及生產(chǎn)工藝需求。這些比較特殊的應用場(chǎng)合一般都需要借助于變頻器廠(chǎng)家針對各個(gè)行業(yè)生產(chǎn)的“選件卡”或專(zhuān)用變頻器。
當前，由于變頻器行業(yè)的激烈競爭，各變頻器生產(chǎn)廠(chǎng)家幾乎都在努力尋找自己在相關(guān)行業(yè)上的專(zhuān)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，詳細的應用方法還需要用戶(hù)進(jìn)一步參考相應的選件手冊或說(shuō)明書(shū)。
7 其它特殊應用場(chǎng)合的控制方式
在這里之所以將以下的應用場(chǎng)合稱(chēng)為特殊應用場(chǎng)合，是因為變頻器的這些衍生的控制方式是針對某個(gè)特定的行業(yè)應用開(kāi)發(fā)的。撇開(kāi)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)內在的、多變量輸入與反饋的閉環(huán)控制系統，只不過(guò)這些變量可能不僅有電流參數，還可能有轉矩參數、計算速度參數、計算功率以及甚至有時(shí)間參數和空間位置參數等。
7.1 曳引拖動(dòng)控制方式
傳統的放卷筒的控制都是采用諸如力矩電機、剎車(chē)片、磁粉離合器等方式，lgis5變頻器的應用組參數app-33（標準配置，無(wú)須選件）可以實(shí)現對諸如需要在正常運行過(guò)程中處于力矩控制方式下的發(fā)電運行狀態(tài)。當收卷電機僅以一個(gè)恒定的線(xiàn)速度運行時(shí)，若系統需要控制張力，可以通過(guò)參數app-34來(lái)設定放卷張力的大小，由放卷電機來(lái)控制張力。曳引拖動(dòng)控制方式與前面介紹的開(kāi)環(huán)力矩控制方式的區別在于：
?。?） 曳引拖動(dòng)控制方式正常運行在發(fā)電狀態(tài)，而開(kāi)環(huán)力矩控制方式則運行在電動(dòng)狀態(tài)；
?。?） 曳引拖動(dòng)控制方式在受到的外界牽引力小于設定值時(shí)，它將正向運轉；反之，反向運轉；而開(kāi)環(huán)力矩控制方式要么正向運轉，要么停止運轉。
在一個(gè)收卷與放卷的應用中，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(xiàn)共享技術(shù)，不僅可以實(shí)現線(xiàn)速度恒定的恒張力控制目的，而且可以達到最大限度的節能效益。系統成本低、安裝調試容易。
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