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[原创] VF控制和矢量控制的一些区别

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发表于 2012-6-18 11:22 | 显示全部楼层 |阅读模式

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VF控制和矢量控制的一些区别
我是做电机控制和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。
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,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。

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该用户从未签到

发表于 2012-6-18 13:14 | 显示全部楼层
看不懂哦~~~
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发表于 2012-6-18 13:15 | 显示全部楼层
再读几遍。。。

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发表于 2012-6-18 13:46 | 显示全部楼层
ABB的DTC波形是怎样子的?大家多交流交流。
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[LV.7]常住居民III

发表于 2012-6-18 15:33 | 显示全部楼层
有几点疑问,请您指点一下:
1.您说v/f控制在突变负载时,转速和频率不能同步,继而造成异步电机失步,那么如果在电机加一速度传感器,以得到实时转速信号并反馈给变频器,让其频率电压跟定转速变化量,这种方式是否可行?如果可行,那么响应是否可以变的更好?
2.如果是发电状态下的双馈异步电机,那么它其实应该是可以工作在容性之下吧?
3.变频器的自学习功能,即自动检测电机参数,一般是怎么实现的呢?
4.永磁同步和三相异步的这两种控制模式,有什么大的区别吗?
5.据说GE也有dtc,不知真假.

请指点.谢谢!!

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 楼主| 发表于 2012-6-18 19:33 | 显示全部楼层


   1.原则上是可以的,事实上市面上的变频产品都有这种功能,即闭环VF控制功能,其优点是可以补偿由于电机转差造成的速度误差。比如一4极个异步电机,通50hz频率的电压,空载时是1495rpm,满载时为1440rpm,电机转速是随负载有一定的变化,很多简单的应用如风机水泵关系不大,但是对于一些对速度精度要求高的地方,速度误差就比较大了。这时候如果在轴上安装速度传感器,将实际速度检测回来,那么可以再满载的时候通52Hz的电,补偿转差的影响,就可以实现速度不受负载的影响了。但是这种方法有个缺点,同样没有对电机相位进行控制,用学术语言讲就是转矩和励磁没有实现解耦,所以电机稳定的时候速度精度可以做得很高,但是动态过程比较长。矢量控制的核心在于磁场定向,就是要找出转子磁场的位置(可以认为是相位),实现转矩和励磁的独立控制,这样可以大幅度减小动态过程。所以安装速度传感器对控制精度提高大,但是并不必然提高动态过程。矢量控制的最大优势在于动态响应快。
2.双馈电机的控制跟普通笼型电机的运行原理和控制方法相差太大了,完全不是同样一个东西,所以这里没法展开讨论。双馈异步电机工作在容性、感性都是没问题的。
3. 变频器的自学习功能一般是根据电机的等效电路,通过变频器发出激励根据响应来检测电机的参数,请参考附件。 异步电机无速度传感器矢量控制与参数辨识研究.pdf (192.87 KB, 下载次数: 557)
4. 永磁同步和三相异步主要差别就是转差,永磁同步机没有转差,单纯的VF控制不稳定,实际中一定会用矢量控制。
5.这个不是很清楚,我在市面上没看到GE的DTC的产品。

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发表于 2012-6-18 20:18 | 显示全部楼层
LZ的总结很精辟,
顺便问个问题,异步电机 矢量控制,转子时间常数补偿 有没有什么好办法?
多谢
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[LV.7]常住居民III

发表于 2012-6-18 23:31 | 显示全部楼层
多谢楼主指教,

您说的永磁同步v/f控制不稳定,主要体现在哪里呢?有没有好的办法消除呢?
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发表于 2012-6-19 00:22 | 显示全部楼层
我菜鸟一个....只看懂一点老师的话..只能在此默默的鼓掌....顶起...谢谢分享
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发表于 2012-6-19 08:20 | 显示全部楼层
说的非常好。动态磁通控制、跟踪自启动这个在很多变频器上也在应用。VF控制加上补偿可以满足很多应用。
矢量控制确实很好,但在控制结构、参数适用、以及是否可靠性上提出了难题。
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发表于 2012-6-19 11:06 | 显示全部楼层
说的非常好。谢谢楼主分享!
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发表于 2012-6-19 12:20 | 显示全部楼层
LZ很厉害,在工控网也读过你的大作。
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发表于 2012-6-19 12:24 | 显示全部楼层
LZ你参照西门子公开的矢量控制流程图哪里有下载? 方便给个链接吗?,感谢!
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 楼主| 发表于 2012-6-19 13:32 | 显示全部楼层
LZ你参照西门子公开的矢量控制流程图哪里有下载? 方便给个链接吗?,感谢!
kingsr 发表于 2012-6-19 12:24


我不知道现在网上还有没有,我手上好像有西门子不知是6se70还是MM440的控制框图,我找下,好像比较大,不知道怎样传上来分享。
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 楼主| 发表于 2012-6-19 13:44 | 显示全部楼层
多谢楼主指教,

您说的永磁同步v/f控制不稳定,主要体现在哪里呢?有没有好的办法消除呢?
fengxingyun 发表于 2012-6-18 23:31


开环VF控制的永磁同步电机极其容易失步,基本上在高速时没有带载能力。从原理上讲,异步电机由于转差基本和电磁转矩成比例,遇到外部大转矩时,转差增大,电机输出的电磁转矩增大,这样可以动态平衡外部冲击,并且在一个较大的转差下运行,所以是稳定的。但对永磁电机而言,一旦失步,定转子磁场不能维持相对静止,那么输出的电磁转矩半个周期正,半个周期负,平均转矩为0,那么电机停下来就是必然了,所以永磁同步电机开环控制是不稳定的。

普通的同步电机由于有所谓的启动绕组(同步发电机叫阻尼绕组),相当于在同步电机上做了一个异步鼠笼条,正常同步运行时,附加的异步电机鼠笼绕组没有相对运动无感应作用不起作用,但当失步时,这个启动绕组就会起到异步电机的作用,产生一个驱动转矩,防止电机进一步失步,所以在一定程度上保持了电机的稳定。
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 楼主| 发表于 2012-6-19 14:01 | 显示全部楼层
LZ你参照西门子公开的矢量控制流程图哪里有下载? 方便给个链接吗?,感谢!
kingsr 发表于 2012-6-19 12:24

你好,参考下附件,是6se70的功能框图。我们当时就按这个做产品的。 6se70功能图.pdf (1.21 MB, 下载次数: 1156)
要看这个图,可能需要对应的6se70的应用手册。目前来讲6se70的矢量控制是业界的标杆,对应ABB的800系列,甚至功能更强,但是这个产品价格太高,国内销售远不如MM400系列。
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发表于 2012-6-19 14:10 | 显示全部楼层
我不知道现在网上还有没有,我手上好像有西门子不知是6se70还是MM440的控制框图,我找下,好像比较大, ...
kyhuang 发表于 2012-6-19 13:32


非常感谢你的资料!
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发表于 2012-6-19 17:30 | 显示全部楼层
谢谢您的意见,但我不是很赞同,

1.永磁同步电机在不过载的情况下,运行能力还是很强的.
2.遇到大负载时(未超过过载能力),电机的功角会增大,也会自动调节电机的功率(转矩)输出,,实现平衡.
3.高速情况下,输出转矩会下降,持续带载能力确实会减弱.

您认为呢?
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发表于 2012-6-19 23:25 | 显示全部楼层
LZ有时间看下我7L 的问题,谢谢
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 楼主| 发表于 2012-6-20 19:35 | 显示全部楼层
LZ有时间看下我7L 的问题,谢谢
yunqian09 发表于 2012-6-19 23:25


你好,据我了解,至少目前对转子电阻的检测还没有好的方法,转子电阻受温度影响很大,现有的论文一般采用模型参考自适应之类的在线自校正方法,但是我们的实验结果表明这种方法稳定性不好,特别是系列产品考虑不同功率等级通用性的时候。这类文章IEEE上发表了不知多少,但能适应工程应用而且通用的真的不知道有没有。我觉得可以考虑下简单的温度补偿,可能会有效果。
国内没有条件做这方面的深入研究,主要问题不是方法太少而是方法太多,导致不知道哪个能用。估计西门子有条件能做深入研究,但是这方面的核心技术外界都无法获得。国内整个科技界都很浮躁,都去搞大创新去了,需要深入研究的细节问题都不屑去做,结果是整个科技水平保守估计落后西方50年。
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