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李方園（1973－）
男，浙江舟山人，畢業(yè)于浙江大學電氣自動化專業(yè)，高級工程師，長期從事于變頻器等現(xiàn)代工控產(chǎn)品的應用與研究工作。



摘要：變頻器的速度控制應用非常廣泛，一般而言，轉(zhuǎn)速設計需要考慮以下幾方面的東西：負載特性、速度特性、轉(zhuǎn)矩特性、工藝特性、電磁兼容特性等。沒有將實際轉(zhuǎn)速的測量值轉(zhuǎn)換成電信號回饋給變頻器的控制輸入部分，則轉(zhuǎn)速的控制沒有構成一個完整的環(huán)，是開環(huán)運行；如果配置了速度反饋信號則為閉環(huán)控制。在速度控制中，同步控制器的應用使得很多問題迎刃而解。

關鍵詞：變頻器；速度控制；開環(huán)；閉環(huán)

Abstract:  The type of the speed control is.widely used in AC inverter system. Normally ,the load charasteristic, the speed curve, the technics, and EMC are considered in the design of the speed control method. There are two methods including open loop and closed loop, one is with feedback of the speed encoder, and the other is without feedback. In the speed control , the application of the synchronization controller can make many problems readily solved.

key words: AC inverter；speed contro；open loop；closed loop

    變頻器的速度控制應用非常廣泛，一般而言，轉(zhuǎn)速設計需要考慮以下幾方面的東西：負載特性、速度特性、轉(zhuǎn)矩特性、工藝特性、電磁兼容特性等。

1  轉(zhuǎn)速控制的基本概念

    變頻調(diào)速系統(tǒng)一般都是針對電力拖動而言，主要是由變頻器、電動機和工作機械等裝置組成的機電系統(tǒng)。

1.1 速度控制范圍和精度

    根據(jù)具體的工藝條件和機械設備，在以轉(zhuǎn)速為控制對象的變頻調(diào)速系統(tǒng)中，必須選擇速度控制范圍符合要求的變頻器以及變頻器的控制方式。

    速度控制范圍有以下幾種表示方式，如轉(zhuǎn)速范圍表示或變速比率表示，前者如175轉(zhuǎn)/分到1750轉(zhuǎn)/分或5Hz到60Hz，后者如1:10或者以百分比表示如5％。

1.2 避開特定的不安全速度

    電機轉(zhuǎn)動時，轉(zhuǎn)矩的脈動頻率與負載和電機構成的系統(tǒng)固有振動頻率一致時，會發(fā)生系統(tǒng)共振，共振狀態(tài)的出現(xiàn)將破壞傳動系統(tǒng)的正常運轉(zhuǎn)，甚至將造成破壞性系統(tǒng)損壞。電機拖動系統(tǒng)工作時，往往在轉(zhuǎn)速進入某一個或幾個小區(qū)段時，出現(xiàn)上述非正常的共振情況，為了避免保證變頻調(diào)速的正常工作，必須設置相關的跳躍頻率，具體設置可以參見下文。

    當旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)軸彎曲的固有頻率與旋轉(zhuǎn)頻率一致時的轉(zhuǎn)速叫危險速度。通常，中小功率段的電動機的危險速度發(fā)生在額定轉(zhuǎn)速之上；而對于大容量的二極或四極電動機，危險速度有時會發(fā)生在額定轉(zhuǎn)速以下。因此，在變頻調(diào)速系統(tǒng)中，在控制上要采取措施，避免轉(zhuǎn)速進入這樣的危險速度。

1.3 低速情況的考慮

    對于電動機的自冷方式情況下（采用普通電動機），轉(zhuǎn)速下降則電機冷卻能力降低。因此對于平方降轉(zhuǎn)矩負載的設備如離心風機和離心泵，如對低速運行無要求時可以設置一個最低運行頻率。正常運行時負載在最低頻率與最高頻率之間變化，如長時間位于最低頻率時，則可以考慮采用變頻器特有的休眠喚醒功能，尤其對于空調(diào)風機和供水泵在夜間?。ɑ蛄悖┝髁繒r，休眠喚醒功能不僅考慮了低速冷卻效果，還能充分節(jié)能。

    對于恒轉(zhuǎn)矩負載，如需要在全頻段范圍（零速到最高速）內(nèi)運行的，就必須考慮低速冷卻方式，必要時采用變頻專用電機；如只需要在一個相對較窄的頻率范圍內(nèi)運行時，則可以設置最低運行頻率，避免在零速和最低頻率內(nèi)長時間運行，否則低速區(qū)的電機冷卻能力將大大低于運轉(zhuǎn)生熱能力（電機功耗引起），將導致電機損壞或故障。當然，在低速區(qū)的短時運行都是允許的，如零速起動加速階段和低速點動功能。

    在電動機低速運行時，還必須考慮軸承的潤滑效果。如滾動軸承和強制進油的滑動軸承在低速運行時，在自給油限度以下時，應采用其他強追油方式。

2  開環(huán)轉(zhuǎn)速控制

    沒有將實際轉(zhuǎn)速的測量值轉(zhuǎn)換成電信號回饋給變頻器的控制輸入部分，則轉(zhuǎn)速的控制沒有構成一個完整的環(huán)，是開環(huán)運行。即使在無速度傳感器矢量控制方式下，雖然有速度調(diào)節(jié)器ASR，但由于電機的實際轉(zhuǎn)速是通過估算而得，轉(zhuǎn)速環(huán)仍不是完整的，依然是開環(huán)控制。

    對不太要求快速響應的傳動系統(tǒng)，常用開環(huán)控制。如風機、泵類采用非常靈敏的快速調(diào)速，似乎意義不大，這類負載一般都采用最簡單的開環(huán)V/f恒壓頻控制；如食品包裝機械的輸送傳動，要求在輸送不同材料時都能保持速度穩(wěn)定，但又對響應不要求到極高的程度，這時就可以使用無速度傳感器矢量控制，自動修正頻率，以達到負載變動時電機轉(zhuǎn)速穩(wěn)定的效果。

    在開環(huán)速度控制中，輸入信號單純由頻率給定指令構成，然后按照不同的控制方式如V/f恒壓頻比、無速度傳感器矢量控制或者直接轉(zhuǎn)矩控制DTC去驅(qū)動電動機，在負載轉(zhuǎn)矩與電機轉(zhuǎn)矩平衡的情況下，形成穩(wěn)定轉(zhuǎn)速。

3  高精度速度控制的實現(xiàn)方法

    高精度的速度控制往往能夠體現(xiàn)速度的精度和穩(wěn)定性，其典型應用如造紙機的傳動，精度控制在±0.01%到0.05%之間，其他如膠卷和鋼鐵生產(chǎn)線也要求有±0.02%到±0.1%之間。

    通常作為表示精度的數(shù)值，是以額定頻率或額定轉(zhuǎn)速為基準，將誤差用百分比表示出來。對于一般的變頻器，要求精度大多為±0.5%。這一數(shù)值，對于開環(huán)控制的機型為頻率精度，對于閉環(huán)控制的機型為速度精度。對于同步電機，只要頻率高就可以實現(xiàn)高精度的速度控制；而對于異步電動機，由于存在轉(zhuǎn)差，要獲得高精度的速度，必須采用閉環(huán)控制。圖1為可以實現(xiàn)高精度控制的速度閉環(huán)系統(tǒng)原理圖。

                                     圖1   速度控制系統(tǒng)的構成

    為了保證系統(tǒng)的高速度精度，應充分考慮印制變頻器的下述幾種誤差：速度給定誤差、速度反饋誤差、速度控制器誤差以及定常偏差。其中前三種誤差，對于使用模擬器件的控制電路來說，是由放大器等的偏置、漂移所引起的。模擬電路的誤差受周圍溫度影響大，所以要保證精度常常要附加溫度范圍條件。而對于數(shù)字控制電路，這些誤差決定于數(shù)字化信息的分辨能力。一般情況下，數(shù)字控制方式也要規(guī)定溫度范圍。

第四種定常偏差，是因負載轉(zhuǎn)矩等外界干擾的變化在速度上引起的誤差，此種誤差在速度調(diào)節(jié)器的低頻增益低時產(chǎn)生。通常因為速度調(diào)節(jié)器含積分電路，能通過調(diào)節(jié)參數(shù)確保高的低頻增益，所以這種偏差較易克服。

4  同步控制器

    在紡織、印染、造紙等工業(yè)生產(chǎn)中，多電機速度同步傳動的應用十分廣泛。當一臺整機或一條生產(chǎn)線中各個傳動單元分別由獨立的變頻器驅(qū)動時，為了保證整機在一個主令轉(zhuǎn)速的設置下（總調(diào)），各單元同步恒線速工作，需要配置該同步控制器。

    該同步控制器可對各單元傳動速度分別整定（分調(diào)），以實現(xiàn)各單元以一定的比例速度同步工作（或補償各單元的機械傳動比的差異），各單元可加入松緊架等同步調(diào)節(jié)器信號(以實現(xiàn)各單元速差的自動調(diào)整)。總的主令設定電壓通過給定積分器輸出，可實現(xiàn)軟起動和軟停車（變頻器的加減速時間可以設置為較小值，以保證同步調(diào)整的動態(tài)快速性）。配置同步控制器，使系統(tǒng)設計、變頻器選型及安裝調(diào)試都變得方便易行。

    下面以同步控制器TPSC系列為例進行說明。

4.1 TPSC系列同步控制的功能與特點

    同步控制器輸出多路模擬量信號，對被控設備進行同步控制，使其按照工藝生產(chǎn)的要求運轉(zhuǎn)。同步控制器輸出的模擬量一般作為被控設備的模擬量給定源，具有直流0～10V、4～20mA等工業(yè)標準形式。被控設備則可以是最通用的變頻器。

    同步控制器的特點：

    (1) 八個相同獨立單元，可靈活編程設定給定量、反饋量、反饋比例系數(shù)及輸出比例系數(shù)等。

    (2) 三個給定信號，包括外部模擬量給定、外部升降速按鈕控制及鍵盤設定。

    (3) 速度鏈連接靈活多樣，各單元速度關系用軟件編程設定。

    (4) 控制器可外接操作面板，兩者用通訊電纜連接，可進行遠程控制。

    同步控制器的端子說明如圖2所示。

             
     
                                   圖2   同步控制器端子圖解

4.2 控制結構說明

(1) 控制單元

    同步控制器內(nèi)部包含八個相同的獨立單元，這種獨立結構使速度鏈的連接變得靈活多樣，配合3個獨立給定源，一個同步控制可以起到2～3臺的作用。現(xiàn)以單元C1為例進行說明，如圖3所示。

                                   圖3   單元功能框圖及其說明

    VSO1=（VSI1+VSF1×KF1）×KI1

    式中：VSO1為第一單元的輸出電壓值；VSI1為第一單元的給定電壓值，輸入源由功能碼選擇；VSF1為第一單元的反饋電壓值，反饋源由功能碼參數(shù)選擇；KF1為第一單元的反饋比例系數(shù)；KI1為第一單元的輸出比例系數(shù)。

    (2) 速度給定模塊

    速度給定模塊用于確定本單元的給定，它包括三個獨立給定源和其他7個單元的輸出（本單元的輸出不能作為本單元的給定）。以單元C1為例進行說明。
 
     
               
    
                                     圖4   速度給定模塊

    在圖4中一個重要的模塊就是緩起動模塊，此功能是為了滿足緩起動、速度動態(tài)調(diào)整、同步停車等要求而設計，其工作原理如圖5所示。

                                   圖5   緩起動模塊

    在系統(tǒng)運行中，若改變主給定電壓值，則緩起動模塊起作用；如在緩起動、停車過程中更改加速或減速時間，則對正在進行的加速或減速也起作用。

    (3) 反饋輸入模塊

    反饋輸入模塊用于確定單元的反饋，通過參數(shù)設定反饋源信號類型和來源。以單元C1為例，其輸入來源由圖6中可以確定。

     

                                 圖6   反饋輸入模塊

    (4) 各單元之間的連接關系

    八個單元的速度鏈可以任意連接成串聯(lián)式或并聯(lián)式，也可以串并聯(lián)混合使用。

    圖7所示。

                                 7   同步控制器使用實例A

    使用實例B：八個單元分作兩個獨立的同步控制器來使用，如圖8所示。

                               圖8   同步控制器使用實例B

4.3 應用實例

    某一印染機械，傳動系統(tǒng)為1臺11kW變頻器拖動11kW交流異步電動機作為主傳動、2臺2.2kW變頻器分別拖動2臺同功率的電機作為同步傳動，兩臺小電機中間的傳動輥采用張力架進行反饋調(diào)節(jié)，速差反饋采用TPAS1型角位移傳感器。

    電氣要求：系統(tǒng)可以同步升降速，且斜率可調(diào)，同時保證張力架動態(tài)穩(wěn)定性好。

    電氣配置：如圖9所示，采用1臺TPSC1型同步控制器、1臺TPSC-M故障檢測器、2臺TPAS1型角位移傳感器、3臺變頻器。

                                     圖9   同步控制器應用案例

參考文獻：

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[2] 李方園.變頻器自動化工程實踐[M].電子工業(yè)出版社，2007.
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