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关于“V/F控制和矢量控制的区别”的辩论之二

关于“V/F控制和矢量控制的区别”的辩论之二

 

http://www.gongkong.com/tech/Detail_old.Asp?id=430866&page=1

 

szalpha

 

   感谢支持国产变频器提供详细的解释,在有PG闭环V/f控制的方框图中请讲明电流限制控制器的的两个条件运算的作用是否为转差补偿及ffs的定义。谢谢!

 

 

刘志斌

 

 “看了两本电机学的教科书就来讲什么v/f控制和矢量控制,贻笑大方!

1
、变频器控制异步电机调速,用一个公式就够了,n1 = 60f/P

2
、变频器控制异步电机调速,通过控制异步电机电磁转矩,实现转子n2的闭环控制,必须掌握异步电机的机械特性,按照异步电机机械特性的参数关系确定给定、检测反馈、比较放大控制对象;
3
、如果不知道异步电机的机械特性及其参数间的数学模型,你如何实现异步电机转矩控制,如何根据检测的电流等信息准确计算转矩???
4
、你说的 “不同意刘工说的" 变频器控制异步电动机,它是根据电动机的机械特性操作的"才真正贻笑大方

 

5、比如直流电机调速系统,它的给定、反馈、控制对象等参数设置必须根据直流电机机械特性参数之间的数学模型来设计;
6
、为什么都是电机调速,不同电机调速系统参数完全不同,就是这个道理;
7
、从你的发言我感觉到了,我说的好多话你并不明白,就是因对异步电机的机械特性及其数学模型不清楚;
8
、你只说对转矩的精确计算,怎么计算谁也不知道!

 

 

1、上图5.6的纵坐标表示异步电机的转速、转差率Sn1是同步转速,n2是转子转速,Sn是额定转差率,Son2 = n1转差率So=0Sm是临界转差率,S1n2=0转差率S1=1
2
、上图5.6的恒坐标表示异步电机的转矩TTm是电机最大转矩(C点),Tb(B)是额定转矩,Td(D)是启动转矩,Ta(A)n2 = n1转差率So=0时的转矩0
3
、上图5.6曲线的AC段是电机稳定运行区,CD段是电机堵转运行区;

4、异步电机在工频电压下,在稳定运行区AC段,具有硬特性;
5
、因为稳定运行区AC段,是一个基本水平的下降特性曲线;
6
、也就是说,转子转速n2的微小上、下变化时,电磁转矩T左、右有很大的变化;
7
、上句话还可以说成,转子转差、转差率S微小变化时,电磁转矩T左、右有很大的变化;

8、异步电机在工频电压下,在稳定运行区AC段,空载时,可以认为n2 = n1转差率So=0时的转矩0
9
、异步电机在工频电压下,在稳定运行区AC段,额定负载运行时,转子转速n2=额定转速,转差率Sn是额定转差率Sn = 2%-3%
10
、异步电机在工频电压下,在稳定运行区AC段,负载转矩大、小变化时,转子转速n2跟随负载下降、上升,转子电磁转矩跟随负载大小变化处于动平衡状态;
11
、我称这种电机电磁转矩跟随负载变化的物理过程叫电机自我转矩控制功能;
12
、电机自我转矩控制功能的特点是转子转速n2跟随负载下降、上升!

 

   我来用异步电机机械特性曲线(上图5.6)说明变频器一般V/F控制方式与转矩控制方式的差别:
一、V/F控制方式:
1
、变频器变频、变压,改变上图5.6的同步转速n1 
2
、电机转子转速n2、转差率S、电磁转矩T跟随负载大、小变化以n1 为前提处于自我转矩控制功能状态;

3、也就是说V/F控制方式,变频器只改变上图5.6n1,变频器不控制n2n2是多少是电机自我控制的;

4、也就是说V/F控制方式,不控制n2n2是自己随负载大小变化的;

二、转矩控制方式:
1
、变频器变频、变压,改变上图5.6的同步转速n1 
2
、电机转子转速n2恒定不变,n2在图5.6上的位置不动;
3
、当负载转矩大、小变化时,只要控制n1,即n1在图5.6上、下跟随负载大、小移动;
4
、由于n2恒定不变,n1在图5.6上、下跟随负载大、小移动,改变转差率,改变转子电流,改变转子电磁转矩大、小变化;

5、也就是说,转矩控制方式变频,变压,改变n1,控制n1,实现转差S的变化,控制着电磁转矩;

6、也就是说,转矩控制方式,变频、变压,控制转矩,使得转子转速n2恒定,电机转速n2恒定的机械特性是硬特性,是刚性的;

7、转矩控制方式的特色是,坐标变换,转子转速n2不变作为参照系;V/F控制方式,是n1不变,n2变,n1作为转差的参照系;

8、转矩控制方式的特色是,矢量控制,因为转子功率因数此时是1,转子电流就是转矩电流,而不是励磁电流;

9、此时转子电流,就是从定子电流中解偶出来的转矩电流;

10、如果变频、变压,不改变n1, 也不改变n2 ,只改变电压,如图5.7,就是直接转矩控制方式;

 有了上述的数学模型,自动控制的原理电路,就会设计出来,这就不是我的事了,是支持国产变频:师傅的事了!

 

 

支持国产变频

 

回答 szalpha的问题
前面给出的V/f控制的方框图中,电流限制控制器的的两个条件运算的作用是为了防止变频器输出过流,f表示变频器输出频率,fs是变频器输出频率范围中一个自己设定的值,如果当前变频器输出电流过大,且f大于fs,则通过减小频率的方式抑制过流,如果f小于fs,则通过减小输出电压的方式来抑制过流。不知道解释清楚没有.这种电流抑制只是在过流的时候起作用,正常工作时不起作用.
没有直接的瞬态电流闭环是v/f控制和矢量控制和直接转矩控制的一个最大的区别,因为有瞬态闭环(不是有效值这种稳态的),矢量控制可以适应各种外部机械负载的突变,因为电气时间常数远小于机械时间常数,不论外部负载如何变化都不容易过流.但是v/f控制就不同,简单的通过调频,调压的方式,在外部负载突变的情况下,仍然难免发生过流保护.可以说v/f的这种过流抑制是没有办法的办法

 

 

szalpha

   非常谢谢您的回答!也印证了我的想法。

 

 

刘志斌

 

矢量控制可以适应各种外部机械负载的突变,因为电气时间常数远小于机械时间常数,不论外部负载如何变化都不容易过流

1
不论外部负载如何变化都不容易过流,这个说法是错误的!

2
、转矩控制,电磁转矩也是转子电流、定子电流产生的,如果负载转矩超过一定限度,跟随变化的电磁转矩过大时,转子电流和定子电流一样会出现过流;

3因为电气时间常数远小于机械时间常数,而矢量控制的是fn1都是电量,转矩的响应速度可以很快;
4
、但是当n1的数值相当大时,就意味着负载转矩增大很多,电磁转矩增加过大,出现过流现象!
5
、这是变频器的基本常识!

 

 

支持国产变频

 

   对刘老师的知识真是无话可说,矢量控制(直接转矩控制)变频器,当外部负载转矩增大很多,电机电磁转矩可以保持最大输出,如果这时候电磁转矩小于负载转矩,转速下降就是了,变频器仍然可以控制此时的电流处在预定的大小,我们铁路上跑的交流电力机车的变频控制都是如此,如果由负载突然变化就能让变频器过流那还是什么矢量变频控制器,照刘老师这么说,我们的电动汽车变频器遇到一个坎就过流,还做什么哦.难道负载转矩增大,电机电磁转矩也一定要增大吗?那还要电机运动方程干什么,真的无知!

 

 

刘志斌

 

  “照刘老师这么说,我们的电动汽车变频器遇到一个坎就过流,还做什么哦.难道负载转矩增大,电机电磁转矩也一定要增大吗?

1
、你说的这个问题,又是另外一个问题;

2
、如果机车碰到一个坎,就过流,当然不行,这就是说在这种情况下,应该设置相应的保护,如失速保护也行!
3
、机车碰到一个坎,会过流是一回事,此时设置相应的保护不让过流又是另一回事!
4
、要分开说,不能总的说,总的说会造成误会;

 

转子转速刚性控制,对大多数负载是不适应的,机械特性硬、软都是特点,适应不同的负载需要,使用变频器不一定要矢量控制!

 

 

支持国产变频

 

   支持刘老师"转子转速刚性控制,对大多数负载是不适应的,机械特性硬、软都是特点,适应不同的负载需要,使用变频器不一定要矢量控制"选择变频器要看自己的需要.
但是"2、如果机车碰到一个坎,就过流,当然不行,这就是说在这种情况下,应该设置相应的保护,如失速保护也行!
3
、机车碰到一个坎,会过流是一回事,此时设置相应的保护不让过流又是另一回事!"
这两句就有问题了,并不是我们的变频器里面有失速保护,因为矢量控制(直接转矩控制)有自己的瞬态电流闭环控制,不会因为外部负载的突然变化而保护,因为变频器输出的电流是可控的,最大就是设定的最大输出电流,如果这时候电磁转矩小于负载没有关系,速度降一点,负载突变过去了又能调上来.这种情况下,v/f控制方式就没有办法,负载变化太快,v/f的过流抑制能力是有限的.

 

 

芙蓉王

 

    支持国产变频,听说目前你们时代集团也还有同小日本合作,希望你们能早点能出一个比小日本更好的变频器.把它踢去中国.
师夷长技以制夷.当年小日本也学了我们的好多好东西.结果中国养了条白眼狼.

 

 

刘志斌

 

  “因为矢量控制(直接转矩控制)有自己的瞬态电流闭环控制,不会因为外部负载的突然变化而保护,因为变频器输出的电流是可控的,最大就是设定的最大输出电流,如果这时候电磁转矩小于负载没有关系,速度降一点,负载突变过去了又能调上来

1
、如果机车碰到一个坎,就过流,当然不行,这就是说在这种情况下,应该设置相应的保护!

2
、你叙述的就是你采取的保护措施,保护方法!
3
、还会有其它更多的保护方式,总之要限流,不能过流!
4
、在V/F控制方式里,改变频率f时,采用失速保护的限流保护措施;
5
、哪一种方法都有它限流保护的措施,只是思路和方式不同而已!

 

 

支持国产变频

   谢谢芙蓉王对我们南车时代(株洲电力机车研究所)关心,的确我们现在有项目和小日本合作,小日本很多东西还很值得学习.老前辈们做变频器做了几十年了,确立了我们在国内大功率变流领域的地位,我们完全自主研制开发的东西也在不断进步,没有理由不把它做好.去年我们已经在香港H股上市了,资金更充足了,海外研发中心也成立了,相信我们国产变频会越做越好.

 

 

刘志斌

 

   我来谈一下我对变频器矢量转矩控制的个人见解,希望专家发表意见:
一、从调速的角度看,变频调速有两种情况:
1
、如果变频器变频f变压U对异步电机调速,只定量控制同步转速n1在预先给定的确切值上,间接控制或异步控制转子转速n2,转子转速n2跟随负载变化;
1)就是说同步转速n1是变频器控制给定的确切结果;
2)也就是说,转子转速n2是多少变频器管不了,负载的大、小确定了n2的具体数值;
3)或者说,当变频器定量控制同步转速为n1不变时,转子转速n2跟随负载,负载大n2小,负载小n2大;

2、如果变频器变频f变压U对异步电机调速,通过控制同步转速n1跟随负载大、小变化,间接控制或异步控制转子转速n2,使转子转速n2恒定在预先给定的确切值上;
1)就是说转子转速n2是变频器控制给定的确切结果;
2)也就是说,同步转速n1是多少变频器要根据负载的大、小确定n1的具体数值;
3)或者说,当变频器跟随负载,负载大n1大,负载小n1小控制同步转速n1时,转子转速n2恒定不变;

二、从电磁转矩控制的角度看,变频调速有参照系不同或坐标变换的两种情况:
1
、如果站在n1上,以n1为参照系,跟随负载大、小调解n2的大小,改变转差、转差率S,控制电磁转矩T的大、小与负载转矩动态平衡;
2
、如果站在n2上,以n2为参照系,跟随负载大、小调解n1的大小,改变转差、转差率S,控制电磁转矩T的大、小与负载转矩动态平衡;

三、从电磁转矩控制的角度看,其物理本质只有一个:
1
、都通过改变转差、转差率S,只改变转子的有功电流I2,只改变定子电流I1的有功电流分量,跟随负载大、小控制调解电磁转矩的大小;
2
、这就是大家平时说的矢量控制的作用,电流解偶的控制作用,这个作用不是变频器的本事,而是电机本身的能力;
3
、变频器只在第二种控制转子转速n2时,发挥了它变频、变压的能力,通过控制调解n1,主动的改变了转差、转差率S
4
、变频器只在第一种控制同步转速n1时,发挥了它变频、变压的能力,通过控制调解n1,被动的改变了转差、转差率S
5
、所以把第二种调速方式叫做矢量控制是一种误解,是一种错觉!
6
、只是坐标、参照系的不同而已!
7
、所以我把第一种变频调速方式叫同步转速n1的闭环控制,我把第二种变频调速方式叫转子转速n2的闭环控制;

四、从PID控制的输入、输出、反馈的参数看有两种调速方式:
1
、给定n1(或相关量),反馈n1(或相关量),比较输入,PID放大输出控制调宽调制PWM波的包络的频率f、电压U,稳定控制异步电机的同步转速n1
2
、给定n2(或相关量),反馈n2(或相关量),比较输入,PID放大输出控制调宽调制PWM波的包络的频率f、电压U,稳定控制异步电机的转子转速n2

五、从调速的效果看,有两种结果:
1
n1的闭环控制(U/f控制模式),电机保持原工频运行的机械硬特性,从空载到额定运行,n2的转差率在2%-3%
2
n2的闭环控制(矢量转矩控制模式),异步电机的转子转速实现精确恒速运行,机械特性为刚性控制;

六、关于无传感器的问题:
1
、异步电机定子电流I1,与转子电流I2、与转子转速n2、转子转矩T等在稳定运行区变化趋势为单调单值多元函数;
2
、所以变频器只要检测其中之一,就知道所有参数的共同信息;
3
、所以变频器有条件采用内部传感器检测的手段;
4
、变频器还可以通过自整定,检测并储存电机机械特性曲线,根据检测的已知参数数值在曲线上很快调出需要的参数,并不需要不准确的繁琐计算;

七、多参数多闭环控制问题:
1
、我前边讲的闭环控制,是主环控制;
2
、还可以有多个参数的闭环控制,这些闭环控制多数是保护环;
3
、最重要的就是过流保护环;
4
、因为在n2的闭环控制中,n1跟随负载的变化,几乎是瞬时的,转子电磁转矩与负载几乎是瞬动平衡,保证n2匀速恒定不变;
5
、如果负载转矩超出电机最大转矩,也就是转差率大于临界转差率时,电机会进入堵转区而停车,此时的电机定子电流很大,这是一种堵转过流情况;
6
、如果负载转矩超过电机额定转矩,小于电机最大转矩,也就是转差率在额定转差率与临界转差率之间,此时电流超过额定电流,处于过载过流状态;
7
、在上述两种过流现象,要采用不同的保护方式;
8
、过载过流一般采用延时保护方式好,对于持续时间短的过流不保护,持续时间长的过流才保护;
9
、堵转过流要绝对避免,要采用瞬时保护措施;
10
、保护的方式均可采用失速保护方式,就是及时将给定n2降下来!

11、还有一个重要的过压保护环;
12
、负载负转矩(负载拖动电机转子)时,这时n1小于n2电机发电运行,如果直流部为多负载公用并联母线电源,这些能量通过并联母线被处于电动状态的电机吸收,这是一种非常安全的情况;
13
、负载负转矩(负载拖动电机转子)时,这时n1小于n2电机发电运行,直流部电压升高,可通过能量回馈型的变频器网侧可逆变流器,将再生能量回馈给电网,这是另一种较安全的情况;
14
、对于有发电运行状态的n2闭环控制系统,绝不能用简单的电阻电流热效应的消耗电能的方式!可以采用升高n2失速保护方式;

 

antisway

 

    小声的问一下支持国产变频器
列车上的变频器是单相三电平的中压变频器吗?
功率元件是IGBTIGCT或者IEGT呢?
时代有自己三电平中压变频器的发展计划吗?

 

 

支持国产变频

 

    回答antisway的问题,
1,
列车上的变频器是单相三电平的中压变频器吗?

现在我们完全自主开发的列车都是三相两电平变频器,前面是单相25kv单相交流电,通过IGBT四象限整流器后,变频器输入直流电压750V-2800V各种电压等级都有.小日本的机车用三点式主电路.
2,
功率元件是IGBTIGCT或者IEGT呢?

功率元件现在主要是IGBT,90年代主要是GT0,IGCT较少,IEGT没有用过
3,
时代有自己三电平中压变频器的发展计划吗?
三点式我们也开发过,但不是我们的主要研究方向,我们的主要产品仍然是两点式,三点式主要用于开发的高压变频器项目中.

 

支持国产变频

 

   针对刘老师的看法
7
、所以我把第一种变频调速方式叫同步转速n1的闭环控制,我把第二种变频调速方式叫转子转速n2的闭环控制;
现在的商业变频器都是第二种,第一种同步转速n1闭环控制不需要闭环,现在的数字控制器开环控制n1的精度基本上都是100%.所以都是第二种,前面我给出的v/f和矢量控制都是第二种方式,但是在控制转矩的性能方面是有明显的区别.在低动态响应的场合区别不明显,但在对转矩动态性能要求很高的场合,比如我们的电力机车,简单v/f控制和矢量控制有本质的区别,直接导致了矢量控制和直接转矩控制的提出.
六、关于无传感器的问题:

无速度传感器控制以及电机参数的自辨识是非常关键的技术,现代控制理论(自适应控制,模糊控制,神经网络控制)的很多方法都是在异步电机的辨识的典型应用.这些方面国外的技术有很多值得我们借鉴的地方.

 

 

刘志斌

 

无速度传感器控制以及电机参数的自辨识是非常关键的技术

1
、谢谢专家的发言!

2
、无速度传感器控制以及电机参数的自辨识是非常关键的技术!

 

 

支持国产变频

 

  刘老师对知识的执着很值得我们年轻人学习!

 

 

刘志斌

 

 “在控制转矩的性能方面是有明显的区别.在低动态响应的场合区别不明显,但在对转矩动态性能要求很高的场合,比如我们的电力机车,简单v/f控制和矢量控制有本质的区别

1
n1跟随负载的变化,几乎是瞬时的,转子电磁转矩与负载几乎是瞬动平衡,保证n2匀速恒定不变;

2
n1的闭环控制即v/f控制,但是n2跟随负载变化,响应速度慢一些,滞后一些,由于额定转差率小,只有2%-3%,大部分场合不算什么缺点;

 

   我再来谈一下我对直流调速的个人见解,希望专家发表意见:

一、单从调速角度看,直流调速也有两种情况:
1
、直流电机端电压U的闭环控制:
1)这种直流电机调速时,直流电机的端电压U是恒定的,转子电枢的转速Na跟随负载大、小变化;
2)因为负载重时,转速低,电枢电流Ia大,电枢绕组电阻Ra的压降Ua大,在等效电阻R(把电能转化为机械能的功率等效电阻)的电压变小了!
3)而影响转速大小的就是这个等效电阻的电压(电枢反电动势Ea);
4)由于转子电枢的转速Na跟随负载有变化,所以这种调速,直流电机的机械特性较软,控制精度较差,调速响应慢!

2、直流电机的转子电枢Na的闭环控制:
(1)
这种调速方式,转子转速Na是恒定的,电机端电压U是跟随负载大小变化调整的;
(2)
电机端电压U是跟随负载大小变化时,电枢电流Ia大、小变化,电磁转矩T大小变化;电磁转矩T与负载瞬动平衡;
(3)
这种调速方式,转子转速控制精度高,控制响应快,电机机械特性硬;

 

刘志斌

有人问,变频恒压供水属哪一类调速?

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  • 游客 (游客) (游客) (游客) : v9527-wbymcs51@yahoo.cn 补充说明, 丹佛斯FC51我起初是按照工频50Hz设定,但实际的输出频率要高,后改为46.2Hz输出为50Hz。 在没有看到老师的介绍以前,我一直是认为是电压高引起的,我的公网电压是420V。 现在觉得是因为丹佛斯VVC+模式在负载增加时为了保持n2转子转速恒定而自动提高了输出频率。 问题是能耗会增加吗,

    2012-01-09 02:41

  • 游客 (游客) (游客) : 请教一下 丹佛斯的变频器,FC51里面有两种电动控制原理,VVC+和U/F, 1,VVC+是属于简单的矢量控制吗, 2,U/F是不是等同于V/F模式呢, 个人感觉在一些普通的应用场合,V/F模式更能符合使用要求,例如在要求软启动的设备上,打开VVC+模式会产生启动冲击,而U/F则不会出现, v9527-wbymcs51@yahoo.cn

    2012-01-09 02:28

  • 游客 (游客) : 请教一下 丹佛斯的变频器,FC51里面有两种电动控制原理,VVC+和U/F, 1,VVC+是属于简单的矢量控制吗, 2,U/F是不是等同于V/F模式呢, 个人感觉在一些普通的应用场合,V/F模式更能符合使用要求,例如在要求软启动的设备上,打开VVC+模式会产生启动冲击,而U/F则不会出现,

    2012-01-09 02:26

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