变频器矢量控制和vf控制

矢量控制在振动电机控制上的应用

矢量控制在振动电机控制上的应用

摘要：我公司炼钢厂连铸机振动电机控制采用的变频器为v/f控制

方式，使用情况良好，但是公司操作方式改变后，这种方式不能满足生产需要，频繁报f006（直流母线过压）故障，为解决这一难题，满足生产需要，我们对控制方式进行了矢量控制的更改，满足了使用要求。

关键字：变频器控制 矢量控制 v/f控制

矢量控制在振动电机控制上的应用

一、概况

我公司炼钢厂连铸机结晶器振动电机为西门子6se70低压变频器控制，在 2010年以前，控制方式采用V/f（电压－频率）控制，在生产过程中满足生产需要，使用情况良好。但是在我公司生产工艺调整之后，连铸机中间包采用快速更换方式，此时振动电机不能像以往一样停机后重新给定启动信号，需要在较低频率启动，这样就产生了冷钢在结晶器中不能顺利拉坯，经常性导致变频器报故障f006（直流母线过压）。为了解决因生产工艺改变导致的报故障现象的发生，我们从理论和生产实际上分析，将变频器的控制方式改为矢量控制，很好地解决了这一问题。 二、两种控制方式的介绍 1． V/f（电压－频率）控制

V/f控制是从变频器发展初期的可控硅变频器到现在通用变频器，通常采用的控制方式。V/f控制特点是控制电路结构简单、成本较低，机械特性硬度也较好，能够满足一般传动的平滑调速要求，已在变频器应用的各个领域得到广泛应用。其控制过程是通过对应频率f去设定变频器输出电压V的方式工作。这种工作方式无须象带PG（脉冲发生器）矢量控制方式那样检测电机的转速，可以说是最简便的控制方式。我公司的振动电机正是采用这一控制方法，但是，这种控制方式在低频调速应用时，由于变频器输出电压较低，转矩受电机定子电阻压降的影响比较显著，使输出最大转矩减小；另外，其机械特性终究没有直流电动机硬，动态转矩能力和静态调速性能都还不尽如人意，且系统性能不高、控制曲线会随负载的变化而变化，使转矩响应慢、电机转矩的利用率不高，低速时因定子电阻和逆变器死区效应的存在而性能下降，控制的稳定性变差。因此人们又研究出矢量控制变频调速，正是弥补了v/f控制的缺点。 2、矢量控制

矢量控制的基本原理是通过检测和控制异步电动机定子电流的矢量，根据磁场定向原理分别对异步电动机的励磁电流和转矩电流进行控制，从而达到控制异步电动机转矩的目的。其具体是将异步电动机的定子电流矢量分解为产生磁场的电流分量 (励磁电流) 和产生转矩的电流分量 (转矩电流) 分别加以控制，并同时控制两分量间的幅值和相位，即控制定子电流矢量，所以称这种控制方式称为矢量控制方式。矢量控制方式又有基于转差频率控制的矢量控制方式、无速度传

矢量控制在振动电机控制上的应用

感器（增量型编码器）矢量控制方式和有速度传感器（增量型编码器）的矢量控制方式等。

此次我们的改造方式便是无速度传感器的矢量控制，其控制方式是基于磁场定向控制理论发展而来的。实现精确的磁场定向矢量控制需要在异步电动机内安装磁通检测装置，要在异步电动机内安装磁通检测装置是很困难的，后来研究发现，即使不在异步电动机中直接安装磁通检测装置，也可以在通用变频器内部得到与磁通相应的量，并由此得到了所谓的无速度传感器的矢量控制方式。它的基本控制思想是根据输入的电动机的铭牌参数，进行电机优化辨识后，按照一定的关系式分别对作为基本控制量的励磁电流（或者磁通）和转矩电流进行检测，并通过控制电动机定子绕组上的电压的频率使励磁电流（或者磁通）和转矩电流的指令值和检测值达到一致，并输出转矩，从而实现矢量控制。 三、工艺介绍

在我公司的连铸机生产中，振动电机频率控制与拉矫电机的控制频率成函数对应关系，即当拉速小于1m时，振动电机频率为固定值10hz；当拉速在1m～3m时，振动电机频率和拉速成正比例关系，变化范围为10hz～40hz；当拉速大于4m时，振动电机频率为40hz固定频率。对应关系如下图所示。

40hz

10hz 拉速（m/min）

1m/s 3m/s 4m/s

在工艺要求未改变时，生产过程中每次停开机时，振动电机随拉矫电机的频率归零而停止动作，生产操作信号重新给定启动时即可再次按程序进行启动，正常启动时，钢水在结晶器中经过结晶器冷凝水的冷却逐渐成型，此时振动电机按照拉速信号的变化进行动作，因此时的钢水外有结壳，但结壳不是很厚，有一定的柔性，变频器给定频率后电流始终在一个很小的范围内，不会产生过大的直流母线电压。

矢量控制在振动电机控制上的应用

但是当工艺要求改变后，生产操作要求在生产过程中钢坯至少在结晶器中停留10分钟，这样才能满足更换中间包的需要，而在十分钟的时间内，冷却水的作用、环境温度的作用下，结晶器内钢坯基本成型，钢坯内含的液状钢水基本没有，如果此时将钢坯拉出结晶器正常生产，振动电机再次得到动作信号后，按照与拉矫电机的函数关系动作时，将会在振动电机的负载中产生很大的反向力矩，振动电机必须克服很大的力矩去完成动作，这样必将产生很大的电流，从而使变频器报过压故障。

而对于我们振动电机常规的V/F变频器控制，电机的电压降随着电机速度的降低而相对增加，这就导致由于励磁不足，而使电机不能获得足够的旋转力，也就是说没有更大力矩去克服反作用力。

为了补偿这个不足，我们在v/f控制方式的基础上，通过分析现场工艺情况，阅读资料后，修改变频器参数来使变频器通过提高电压，来补偿电机速度降低而引起的电压降，既激活变频器“转矩提升”功能。通过激活“转矩提升”功能，提高变频器的输出电压。然而试用时发现即使提高很多输出电压，通过专业软件采集监控实时趋势分析，电机转矩并不能和其电流相对应的提高， 因为电机电流包含电机产生的转矩分量和其它分量（如励磁分量）。 实践证明，激活转矩提升功能后报故障现象减少但是效果不是很明显。

而更改矢量控制方式后，解决了振动电机低频率启动过程中克服大的反向力矩的问题，可以使电机在低速（无传感器矢量控制），如1hz时输出的转矩可以达到50hz时供电输出的转矩，最大可以达到输出转矩的150%。 四、矢量控制的优点

采用矢量控制方式的西门子6se70变频器不仅可在调速范围上与直流电动机相匹配，而且可以控制异步电动机产生的转矩。由于矢量控制方式所依据的是准确的被控异步电动机的参数，有的通用变频器在使用时需要准确地输入异步电动机的参数，有的通用变频器需要使用速度传感器和编码器，并需使用厂商指定的变频器专用电动机进行控制，否则难以达到理想的控制效果。西门子6se70变频器矢量控制中已经具备异步电动机参数自动辨识、自适应功能，带有这种功能的通用变频器在驱动异步电动机进行正常运转之前可以自动地对异步电动机的参数进行辨识，并根据辨识结果调整控制算法中的有关参数，从而对普通的异步电动机进行有效的矢量控制。目前根据我们所掌握的研究成果，除了我们讲的

矢量控制在振动电机控制上的应用

无传感器矢量控制和转矩矢量控制等，可提高异步电动机转矩控制性能的技术外，目前的新技术还包括异步电动机控制常数的调节及与机械系统匹配的适应性控制等，以提高异步电动机应用性能的技术。所以经过和机械设备维护人员的配合，对电动机进行静态、动态辨识后，变频器控制电动机进行了很好地优化，控制效果良好。

振动电机的矢量控制，把电机的电流值进行分配，从而确定产生转矩的电机电流分量和其它电流分量（如励磁分量）的数值。“矢量控制”可以通过对电机端的电压降的响应，进行优化补偿，在不增加电流的情况下，允许电机产出大的转矩。此功能对改善电机低速时温升也有效。实验证明，经过电机优化后振动电机无明显振动，温度上升同样不明显，满足生产需要。 五、总结

通过此次的改造，我们能够从理论上对变频器的工作原理进行分析总结，并且在实际中很好地解决了生产工艺要求下出现的问题，对我们的技术水平是很好地锻炼，并且在同行业的应用中，打破了此工艺环节下传统的v/f控制方法，使控制理论在生产实际中灵活应用，这是我们在以后的工作中大力提倡的地方。