針對矢量控制淺析SIEMENS公司6SE70系列變頻器

楊林果　李哲

【摘 要】八一鋼鐵股份公司冷軋廠彩涂、鍍鋅生產(chǎn)線電氣傳動控制均采用了SIEMENS公司6SE70系列矢量變頻器。本文簡單介紹了矢量控制的基本原理，介紹了異步電機三相交流繞組物理模型等效為直流電機的物理模型的過程，并針對矢量控制淺析了6SE70系列變頻器的控制模型結(jié)構(gòu)。

【關(guān)鍵詞】矢量；變頻器；控制模型結(jié)構(gòu)

1.前言

直流電動機動態(tài)性能好、調(diào)節(jié)范圍寬廣，便于實現(xiàn)控制，異步交流電機與直流電機相比較結(jié)構(gòu)簡單、造價低、易于維護(hù)，所以很早人們就想象控制直流電機一樣去控制交流電機。異步交流電動機的數(shù)學(xué)模型是一個高階、非線性、強耦合的多變量系統(tǒng)，通過傳統(tǒng)的單變量、線性控制很難實現(xiàn)對其精確控制，針對此情況，許多專家學(xué)者對此進(jìn)行潛心的研究，形成了現(xiàn)已得到普遍應(yīng)用的矢量控制變頻調(diào)速系統(tǒng)。

2.矢量控制通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換完成電機繞組物理模型的等效

2.1 矢量控制的原理

直流電動機的磁通Φ和電樞電流Ia可以獨立進(jìn)行控制，是一種典型的解耦控制，異步電動機的矢量控制就是仿照直流電動機的控制方式，把定子電流的磁場分量和轉(zhuǎn)矩分量解耦開來，分別加以控制。這種解耦實際上是把異步電動機的物理模型設(shè)法等效變換成類似于直流電動機的模式，這種等效變換是借助于坐標(biāo)變換來完成的，等效的原則是，在不同坐標(biāo)系下電動機模型所產(chǎn)生的磁動勢相同。

2.2 異步電機三相交流繞組物理模型等效為直流電機的物理模型

2.2.1 三相交流繞組等效為兩相交流繞組

交流電機三相對稱的靜止繞組A、B、C通以三相平衡的正弦電流iA、iB、iC時所產(chǎn)生的合成磁勢是旋轉(zhuǎn)磁動勢F，它在空間呈正弦分布，并以同步轉(zhuǎn)速ω1，順A-B-C相序旋轉(zhuǎn)，其模型如圖1（a）所示。產(chǎn)生同樣的旋轉(zhuǎn)磁動勢并不一定非要三相，如圖1（b）所示，兩個互相垂直的靜止繞組α和β通入兩相對稱電流可以產(chǎn)生相同的旋轉(zhuǎn)磁動勢F，由此可見 iα、iβ和iA、iB、iC之間存在某種確定的換算關(guān)系，通過這種換算關(guān)系可以完成三相靜止坐標(biāo)系A(chǔ)、B、C軸系到兩相靜止坐標(biāo)系α、β軸系之間的坐標(biāo)變換。

2.2.2兩相交流繞組等效為直流旋轉(zhuǎn)繞組

如圖1（c）所示，在兩個匝數(shù)相等且互相垂直的繞組M和T，其中分別通以直流電流im和it，也可以產(chǎn)生與圖1（b）相同的合成磁動勢F，顯然im、it和iα、iβ之間存在著確定的變換關(guān)系，通過這種變換關(guān)系可以完成α、β兩相靜止坐標(biāo)系到M和T兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系之間的坐標(biāo)變換，如果人為控制磁通Φ的位置在M軸上，就等效出直流電動機物理模型，繞組M相當(dāng)于勵磁繞組，T相當(dāng)于偽靜止的電樞繞組。

結(jié)論：通過以上分析，經(jīng)過坐標(biāo)變換，求出iA、iB、iC與iα、iβ和im、it之間的準(zhǔn)確關(guān)系，這就將異步電動機等效成直流電動機，模仿直流電動機的控制方法，求得等效直流電動機的控制量，再經(jīng)過相應(yīng)的反變換，就可以按控制直流電動機的方式控制異步電動機了。

2.3在功率不變條件下的坐標(biāo)變換陣

坐標(biāo)變換的總原則是：變換前后功率不變。

2.3.1 三相/兩相變換（3/2）

由圖2所示，當(dāng)進(jìn)行三相/兩相變換時，三相總磁動勢應(yīng)和兩項總磁動勢相等，即兩相繞組瞬時總磁動勢在α、β軸上的投影應(yīng)該相等，所以有如下計算公式：

將兩相靜止坐標(biāo)系α、β和二相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系M和T畫在一起分析如圖3所示。圖中，靜止坐標(biāo)系的二相交流電流iα、iβ和旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的二個直流電流im、it產(chǎn)生同樣的以同步轉(zhuǎn)速ω1旋轉(zhuǎn)的合成磁動勢F1。為了便于分析，假定各繞組匝數(shù)都相等，可以消去磁動勢中的繞組匝數(shù)，而直接標(biāo)上電流，例如合成磁動勢F1可直接標(biāo)成i1。圖3中，M軸、T軸和矢量i1都以ω1轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，因此分量im、it的大小不變，相當(dāng)于M、T繞組的直流磁動勢。但α軸和β軸是靜止的，α軸和M軸的夾角ψ隨時間而變化，因此，i1 在α軸和β軸上的分量iα、iβ的大小也隨時間變化，相當(dāng)于α，β繞組交流磁動勢的瞬時值。

2.3.3直角坐標(biāo)/極坐標(biāo)變換（K/P變換）

3. Siemens公司6SE70系列矢量變頻器的控制模型結(jié)構(gòu)

3.1 八鋼冷軋廠鍍鋅線的傳動基本配置

八鋼冷軋廠鍍鋅線的傳動采用了帶編碼器反饋的矢量控制，基本配置：采用公用直流母線，由一臺整流單元供電，下帶多個逆變單元，在逆變器箱體中安裝有CBP2通訊板、CUVC矢量控制板。由CBP2通訊板通過Profibus DP網(wǎng)絡(luò)接收PLC的指令，將控制指令傳到CUVC矢量控制板，所有的矢量控制均在CUVC板中完成。在變頻器控制過程中應(yīng)用了大量的數(shù)字控制，其控制精度高、調(diào)試方式靈活、設(shè)置參數(shù)較多。

3.2 6SE70 系列矢量變頻器的簡化控制模型

如圖4所示， 6SE70系列矢量變頻器的控制內(nèi)容與本文第二章節(jié)是一致的，經(jīng)歷了坐標(biāo)變換及等效過程，它的控制所需參數(shù)也是im、it來展開的，下面分析一下它的特點。

3.2.1等效勵磁控制環(huán)節(jié)

從本文第二章節(jié)的知識可知，im相當(dāng)于直流調(diào)速系統(tǒng)的勵磁電流，所以系統(tǒng)必須盡量保證im的恒定。在圖4中，我們通過分析可以看出勵磁磁通是根據(jù)電機銘牌的參數(shù)，經(jīng)過變頻器內(nèi)的數(shù)學(xué)模型描出勵磁磁通曲線，并通過特定的曲線函數(shù)發(fā)生器變換成勵磁電流給定值isd。為了保證im的穩(wěn)定，系統(tǒng)引用了負(fù)反饋來協(xié)調(diào)，其負(fù)反饋的反饋值是運用檢測到的實際定子電流通過專門的數(shù)學(xué)模型計算出來的。im的控制其根本分為給定勵磁環(huán)節(jié)，勵磁調(diào)節(jié)器，勵磁負(fù)反饋環(huán)節(jié)等三大核心部分組成。

3.2.2 轉(zhuǎn)矩控制環(huán)節(jié)

it相當(dāng)于直流調(diào)速系統(tǒng)中的電樞電流， 它也同樣引用了負(fù)反饋，其控制過程和作用與im類似。首先，速度給定與速度反饋經(jīng)過速度調(diào)節(jié)器的運算，其速度調(diào)節(jié)器的輸出經(jīng)過變換提供了電流調(diào)節(jié)器的給定輸入isq，它與電流分量中的電樞負(fù)反饋的值相作用經(jīng)過電流調(diào)節(jié)器的運算，得到電樞電流it。

3.2.3 滑差補償環(huán)節(jié)

通過了解前面的矢量控制的基本知識，可以知道，我們的im， it的控制方程是建立在轉(zhuǎn)子磁場定向的基礎(chǔ)上的，im、it的精度很大程度上決定了控制系統(tǒng)品質(zhì)的好壞。也就是說，M，T坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)子磁場定向是關(guān)鍵，它的定位是否精確是控制系統(tǒng)動態(tài)品質(zhì)好壞的核心。它可分為間接觀測和直接觀測。理論上直接觀測應(yīng)該比較準(zhǔn)確，但實際上埋設(shè)在電機里的測量元件受到的干擾太大，埋設(shè)也不方便，不宜推廣。所以多采用間接觀測的方法，即檢測出定子電壓，電流和轉(zhuǎn)速等容易測得的物理量，利用轉(zhuǎn)子磁鏈的觀測模型，實時計算轉(zhuǎn)子磁鏈的幅值和相位。SIEMENS公司6SE70系列就是采用間接觀測法進(jìn)行控制的。

由于間接觀測法的轉(zhuǎn)子磁鏈觀測模型依賴于電機參數(shù)，而影響電機參數(shù)的因素多而復(fù)雜，這也是間接觀測法的主要缺點。那么6SE70是怎么解決的呢？它提供了滑差補償環(huán)節(jié)?；钛a償環(huán)節(jié)由三部分組成：電流模型，電壓模型，及電流、電壓選擇模型。它的主要作用是補償由于電機實際運行參數(shù)與銘牌參數(shù)之間有誤差。如下所述：

（1）電流模型是在電機低速時起作用的。由于電機在低速狀態(tài)，頻率低，輸出的定子電壓也低，由此產(chǎn)生的線圈電阻的壓降和干擾電壓等對電機控制影響很大，所以在低速時一般用電流量來計算滑差補償。

（2）電壓模型是在電機高速時起作用的模型。由于電機處于高速狀態(tài)，頻率高，輸出的定子電壓也高，此時產(chǎn)生的線圈電阻的壓降和干擾電壓等對電機控制影響不大，此時通過測量電機電壓，電流和轉(zhuǎn)速的實際值來計算滑差量，可以大大提高滑差補償?shù)木取?/p>

（3）滑差電流、電壓選擇模型起到控制電流模型和電壓模型平滑轉(zhuǎn)換的作用，它的好壞直接影響了電機啟動階段的速度動態(tài)性和穩(wěn)定性，尤其是在沒有速度編碼器反饋的矢量變頻調(diào)速系統(tǒng)中，影響特別明顯。

4.結(jié)束語

本文第二章內(nèi)容介紹了矢量控制的基礎(chǔ)知識，為第三章介紹6SE70系列矢量變頻器提供理論依據(jù)。根據(jù)本文第三章所述內(nèi)容可以看出SIEMENS公司6SE70系列矢量變頻器大致可以分為三大主要部分：勵磁控制環(huán)節(jié)，轉(zhuǎn)矩控制環(huán)節(jié)，滑差補償控制環(huán)節(jié)，其它部分基本是對它們的補充，把握這三大部分，可以很清楚地理解它的控制結(jié)構(gòu)，對其它不同公司的同類系統(tǒng)的理解也有一定的幫助。

參考文獻(xiàn)：

[1]《通用變頻器及其應(yīng)用》 韓安榮主編 機械工業(yè)出版社

[2] Siemens 《矢量大全》