1  引言
　隨著電力電子技術(shù)、自動控制技術(shù)、計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，各類低壓變頻器的控制功能和控制技術(shù)性能得到了快速提升，相應(yīng)地帶來了變頻器的各種控制功能和大量名目繁多的相關(guān)控制參數(shù)，參數(shù)的選擇與參數(shù)的設(shè)置就顯得相當(dāng)?shù)闹匾蛷?fù)雜。那么，如何從應(yīng)用場合需求的角度來選擇控制方式并正確的設(shè)置相關(guān)參數(shù)，就不再是建立在對參數(shù)的孤立記憶與理解之上了，而是要求技術(shù)人員有全面的系統(tǒng)分析與解決實際問題的能力。
　 通常，面對一個特定的變頻器應(yīng)用場合，應(yīng)按照：提出問題→分析問題→解決問題的思路進行，為此，首先要將應(yīng)用需求和實際工礦環(huán)境信息、數(shù)據(jù)加以收集、整理（這實際上就是提出問題），避免實際需求功能的重復(fù)和遺漏，需求功能的遺漏會最終造成無法完整地實現(xiàn)目標(biāo)，而需求功能的重復(fù)是一種表象，容易導(dǎo)入混亂，需要技術(shù)人員從功能性特征的角度去加以歸并；其次，將這些需求歸類為對變頻器功能指標(biāo)的具體需求（這就是分析問題），這時還不需要考慮這些歸類后的需求到底要依靠哪個或哪些具體參數(shù)功能，而只需要考慮需求歸類的完整性、合理性與可行性，盡量減少需求歸類后各個功能需求中交叉現(xiàn)場的出現(xiàn)；最后，將歸類后的功能需求逐個分解為對變頻器某些特定的、具體的參數(shù)的設(shè)置需求（這就是解決問題），即按這些需求去尋找具體的參數(shù)功能，這樣當(dāng)你在選擇變頻器時就能很快判斷該變頻器的選擇是否能滿足總體需求，而進一步知道該在這個變頻器上設(shè)置哪些具體的參數(shù)。
　 本文將從控制功能需求分析角度出發(fā)，力求通過對不同功能的需求分析，介紹如何來選擇控制方式、控制參數(shù)以及這些參數(shù)的功能設(shè)定。主要從提出問題、分析問題的角度進行設(shè)計方案規(guī)劃闡述，以期能夠獲得一些應(yīng)用啟發(fā)，與大家商榷。

2  基本參數(shù)功能介紹
　變頻器的變頻、變壓調(diào)節(jié)功能（也稱V/F特性）是其區(qū)別于其它電子設(shè)備的根本性特征，因此，頻率、電壓等相關(guān)參數(shù)是每個變頻器最基本的參數(shù)，撇開各自名稱的不同，其主要的基本參數(shù)如下：
?。?）基本頻率
　是指變頻器輸出額定電壓時所對應(yīng)的頻率值，有時也稱為額定頻率。通常按照圖1(a)所示的設(shè)置就可以滿足V/F特性需求，即將電機的額定數(shù)據(jù)（額定電壓380V、額定頻率50Hz）作為該參數(shù)的值，這時斜線①的斜率K=380/50=7.6,它的V/F關(guān)系相當(dāng)于直線方程V=7.6F。但也有例外，比如：當(dāng)我們試圖使用一個變頻器去驅(qū)動1臺3相50Hz AC220V的電機時，就需要按圖1(b)中的斜線②來設(shè)置而不能再按斜線①設(shè)置參數(shù)。
?。?）轉(zhuǎn)折頻率
　是指變頻器在該轉(zhuǎn)折點的輸出電壓已經(jīng)達到額定電壓參數(shù)所設(shè)置的電壓數(shù)值，在這點以后的輸出頻率運行段都不再增加其輸出電壓，即輸出電壓將維持在這個電壓值不變。在圖1(b)中，對于斜線①來說，其V/F的轉(zhuǎn)折頻率點是A點；對于斜線②來說，其V/F的轉(zhuǎn)折頻率點是C點。通常，我們將轉(zhuǎn)折頻率值設(shè)置與基本頻率值相同，以便在變頻器輸出頻率達到基本頻率后，使變頻器的輸出電壓維持在額定電壓不變。如圖1(a)所示。

圖1  變頻器部分基本參數(shù)特性圖

?。?）啟動頻率
　是指變頻器開始有電壓輸出時所對應(yīng)的頻率。在變頻器啟動過程中,當(dāng)變頻器的輸出頻率還沒達到啟動頻率設(shè)定值時,變頻器就不會輸出電壓。通常,為確保電機的啟動轉(zhuǎn)矩,可通過設(shè)定合適的啟動頻率來實現(xiàn)。
?。?）上下限頻率
　上限頻率、下限頻率有時也被分別稱為輸出頻率上限、輸出頻率下限。顧名思義,這個參數(shù)是對變頻器運行時輸出頻率的一種限制。需要注意的是,在變頻器啟動過程中,輸出頻率下限是不起作用的。例如:在圖1(a)中當(dāng)變頻器正處于從E點到A點的啟動過程中時，盡管設(shè)置了輸出頻率下限D(zhuǎn)點，但ED段仍然有頻率和電壓輸出。只有當(dāng)變頻器已經(jīng)在DA段運行時，就再也不能進入DE段運行了。在圖1(c)中的H點就更直觀地反映了這種情況。輸出頻率上限值的設(shè)定將使變頻器的實際運行頻率輸出值永遠小于該設(shè)定值，哪怕是給定頻率值超越了上限輸出頻率，變頻器也不會出現(xiàn)實際輸出頻率超越上限輸出頻率限制的情況。通常情況下，我們設(shè)定“上限輸出頻率值≥額定頻率值”，如圖1(a)所示，這樣就可以實現(xiàn)電機在超越額定速度的狀態(tài)下運行。但，在圖1(d)中卻發(fā)現(xiàn)了“上限輸出頻率值≤額定頻率值”的相反情況。那么，在什么情形下才要這樣的參數(shù)設(shè)置應(yīng)用呢？例如：對于一個輕負(fù)載和低啟動轉(zhuǎn)矩的“小馬拉大車”變轉(zhuǎn)矩負(fù)載應(yīng)用系統(tǒng)或者對于揚程、流量等有輸出限定的節(jié)能控制應(yīng)用場合。對于前者，只要“小馬”（變頻器標(biāo)稱額定輸出功率小于電機的額定功率）能夠讓電機得以順利啟動，那么，就可以通過這種方法來使電機始終運行在其輸出功率小于等于變頻器標(biāo)稱額定功率范圍內(nèi)，從而達到“小馬拉大車”的應(yīng)用實現(xiàn)。對于后者，可以作為“1+1≤1”的節(jié)能優(yōu)化控制判斷點（控制器通過對上限輸出頻率到達點的判斷，來決定此時是選擇繼續(xù)以單臺泵提升輸出頻率方式變頻運行，還是以2臺泵同時變頻運行），假定：有這樣的2套完全一樣的水泵電機，其電機額定功率為45kW，水泵額定流量320m3/h。若當(dāng)前系統(tǒng)實際僅需要流量256m3/h，那么只需要1套水泵電機以40Hz的頻率運行就可以滿足需求，此時，電機實際消耗功率約需要24kW。若此時系統(tǒng)實際需求流量需要增加到305m3/h時，那么該電機必須以約48Hz的頻率運行來滿足此時的流量需求，那么，此時該電機實際消耗功率約為40kW?，F(xiàn)在讓我們同樣在系統(tǒng)實際需求流量為305m3/h時，改變僅1#泵變頻運行的這種習(xí)慣，讓系統(tǒng)在需求流量大于288m3/h時就轉(zhuǎn)換為2套電機水泵系統(tǒng)同時變頻運行狀態(tài)，為了同樣達到305m3/h的實際系統(tǒng)流量需求，那么2套電機水泵系統(tǒng)就必須同時按輸出頻率約24Hz的頻率運行，那么，此時2套水泵電機各自僅需要消耗約6kW的輸出功率，即累計消耗功率小于12kW?？梢姶藭r2套泵同時變頻運行要遠比單套水泵電機運行時所消耗的功率40kW要小很多。此就是“1+1≤1”的節(jié)能優(yōu)化運行控制。關(guān)于詳細(xì)的功率計算對比，請參閱本人發(fā)表在2005年05月的《變頻器世界》的“中央空調(diào)系統(tǒng)變頻節(jié)能改造控制技術(shù)的分析與實現(xiàn)”一文相關(guān)章節(jié)的內(nèi)容。
除以上幾個與頻率相關(guān)的基本參數(shù)外，還有一個最大、最小頻率的概念，它是對應(yīng)最大、最小頻率給定值的一個范疇參數(shù)，通常我們將以上幾個頻率參數(shù)都設(shè)定在這兩個參數(shù)的范圍內(nèi)，如圖1(d)所示。

圖2  典型應(yīng)用案例圖

?。?）轉(zhuǎn)矩補償
　變頻器將電機在一定時間內(nèi)從靜止?fàn)顟B(tài)驅(qū)動到一定的運轉(zhuǎn)速度，需要克服機械裝置的靜態(tài)轉(zhuǎn)矩阻力和運行加速度轉(zhuǎn)矩阻力。由于電機在低速時激磁電壓降低，為此，需要補償電機的欠激磁狀態(tài)，使電機低速運行時轉(zhuǎn)矩增強（V/F特性增強，也即V/F在低頻段的斜率增大），以此來克服這2種轉(zhuǎn)矩阻力。圖1(b)中的斜線③是對斜線①的轉(zhuǎn)矩補償作用后的結(jié)果。需要指出，轉(zhuǎn)矩補償值較大時，容易導(dǎo)致低速時電機發(fā)生過激磁狀態(tài)，按這種狀態(tài)連續(xù)運行時，電機可能會發(fā)生快速發(fā)熱現(xiàn)象，危害電機的安全運行；同時，轉(zhuǎn)矩補償值過大時，也容易產(chǎn)生啟動階段過壓甚至過流故障發(fā)生。轉(zhuǎn)矩補償值的大小應(yīng)該以滿足電機啟動需求的最小值為較好。
?。?）加減速時間
　變頻器加速時間、減速時間分別對應(yīng)電機在啟動過程從0Hz到最大輸出頻率所需要的時間、停止過程中從最大輸出頻率到0Hz所需要的時間。如圖1(c)所示。加減速時間的大小將直接影響頻率給定躍變到實際最終輸出頻率響應(yīng)時間的長短。對于諸如風(fēng)機類大慣量平方特性負(fù)載，時間值的過長或過短都將容易引發(fā)變頻器在啟動、停止過程中的過壓、過流故障的發(fā)生。需要在實際調(diào)試中通過不斷的啟停操作的嘗試來尋找合理的時間設(shè)定值。另外，與加減速時間相關(guān)的參數(shù)還有加減速曲線類型選擇問題，圖1(c)中的斜線①、斜線②、斜線③是針對3種不同負(fù)載特性在加減速過程中而設(shè)置的，可參考LG公司《IS5系列變頻器用戶手冊》來了解這個問題，這里不再贅述。

　（7）與電機保護直接相關(guān)的參數(shù)
　變頻器不僅是一個變頻、變壓裝置，更是一個電機綜合保護裝置，通常都有以下保護功能參數(shù)：輸入/輸出缺相保護、電子熱保護、熱敏保護、過載保護、過流保護、堵轉(zhuǎn)保護等。除輸入缺相保護是對進線電源因素的保護外，后5種保護都是針對電機的直接保護，區(qū)別在于熱敏保護是一種直接的電機溫度信號檢測結(jié)果的保護，而其它保護則是一種基于電機銘牌數(shù)據(jù)（包括額定功率、電流、電壓、頻率、轉(zhuǎn)速，以及定子電阻與電抗）而進行的電流熱效應(yīng)計算的理論保護。電機的銘牌數(shù)據(jù)可以手動設(shè)置，在大多數(shù)主流變頻器中，也可以利用一個被稱為“自動馬達適配”（AMA：Auto Motor Adapter）的參數(shù)幫助我們自動設(shè)置電機的部分特征參數(shù)。另外，需要指出的是堵轉(zhuǎn)保護功能的使能作用，經(jīng)常會導(dǎo)致電機啟動過程中實際加減速時間將不再嚴(yán)格按照加減速時間參數(shù)的設(shè)定值進行，通常會導(dǎo)致實際啟停過程的時間延長。
?。?）與啟停操作和頻率給定方式相關(guān)的參數(shù)
　撇開RS-485串行通訊方式，變頻器的啟停操作方式和頻率給定方式一般都各自有2種：操作面板和端子。因此，我們可以得出變頻器如表1所述的4種組合運行方式：

表1  啟停操作與頻率給定方式的組合

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　其中，“0”代表該方式無效，“1”代表該方式有效。它們各代表的意義是，編號0：全端子操作與頻率給定方式；編號1：端子啟停+面板頻率給定方式；編號2：面板啟停+端子頻率給定方式；編號3：全面板操作與頻率給定方式。在集中控制系統(tǒng)應(yīng)用中以編號0方式（下文會常用到）使用的最多。
　在對變頻器的主要基本參數(shù)做出介紹后，下面讓我們來介紹一下變頻器中都有哪些常用的控制方式，針對這些控制方式都應(yīng)用在哪些比較典型的應(yīng)用場合，以及相應(yīng)需要設(shè)置哪些相關(guān)參數(shù)。
本文把以下將要介紹的開環(huán)與閉環(huán)控制方式、工藝過程控制方式、開環(huán)轉(zhuǎn)矩控制方式、速度反饋轉(zhuǎn)矩控制方式統(tǒng)稱為常規(guī)控制方式，而把專用變頻器或通過選件卡實現(xiàn)的為某個特定行業(yè)應(yīng)用而　采用的控制方式稱為特殊控制方式。

3  開環(huán)與閉環(huán)速度控制方式
　對變頻器控制而言，所謂開環(huán)就是變頻器的運行輸出頻率只受頻率給定值大小變化的影響，而沒有與外部反饋信號作用建立數(shù)學(xué)關(guān)系或根本就不存在外部反饋信號?？梢婇_環(huán)控制方式在概念上是一種只顧“命令”而不顧“實際結(jié)果”的控制方式（之所以說是概念上，是因為現(xiàn)在有些變頻器產(chǎn)品，諸如通過滑差補償?shù)葏?shù)的設(shè)定可以達到命令與結(jié)果之間有一定程度的關(guān)聯(lián)），因此，開環(huán)速度控制方式的速度精度不夠精確，對需要追求高精度速度準(zhǔn)確性或?qū)嶋H速度追蹤調(diào)節(jié)的控制應(yīng)用場合，就需要采用閉環(huán)速度控制方式。
　需要申明的是，我們在這里講的開環(huán)與閉環(huán)都是站在變頻器設(shè)備的角度而不是控制系統(tǒng)角度進行判定的。比如，在我們經(jīng)?？吹降淖冾l恒壓供水系統(tǒng)中，那些通過數(shù)字PID儀表來設(shè)定壓力給定值和接收現(xiàn)場壓力變送器的實際壓力反饋信號的控制方式，若站在控制系統(tǒng)角度，這個系統(tǒng)就是閉環(huán)控制方式，但若站在變頻器角度看，在這里仍然被稱為開環(huán)控制方式，因為對變頻器而言它的運行頻率給定來自PID儀表的輸出，整個給定、反饋、調(diào)節(jié)等功能全部又PID儀表來完成的，變頻器只是被作為一個驅(qū)動執(zhí)行設(shè)備在使用。
3.1 開環(huán)速度控制方式
　● 問題1的提出
　假設(shè)有這樣一個印刷業(yè)務(wù)用戶，如圖2(a)所示，希望通過變頻驅(qū)動實現(xiàn)對收卷過程的恒定線速度控制，具體要求如下：
?。?） 啟停操作和調(diào)速都在現(xiàn)場操作箱上進行，并可通過電位器在控制箱上調(diào)節(jié)收卷的線速度；
?。?） 收卷電機的線速度要始終與牽引電機的線速度保持一致（放卷由剎車片控制，張力由張力架調(diào)節(jié)）；
?。?） 限定速度調(diào)節(jié)范圍。
　針對用戶的機械設(shè)備和提出的這個需求，我們將其控制驅(qū)動對象分為2個部分：牽引輥道電機驅(qū)動和收卷筒電機的驅(qū)動。
　● 問題1的分析
　首先，讓我們看看用戶對牽引電機控制的要求，針對用戶的需求，可以把其中對牽引電機的需求收集為表2所示的具體子項，并將這些子項對應(yīng)給出所需求的變頻器功能。
　很顯然，按照表2中的參數(shù)，在牽引電機上只需要采用開環(huán)速度控制方式就可以滿足用戶對牽引電機變頻驅(qū)動的要求。同時，按照表2中的各項“需求對應(yīng)的變頻器功能”，我們也很容易去尋找到具備這樣功能的變頻器，那么，我們也就能相當(dāng)輕松地完成用戶對牽引電機的控制需求了。當(dāng)然，除了表2中的需要功能外，變頻器的一些基本參數(shù)功能，諸如：電機參數(shù)、頻率參數(shù)、加減速時間參數(shù)等（如第2節(jié)內(nèi)容所提到的一些基本參

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數(shù)），無論在什么樣的控制方式應(yīng)用系統(tǒng)中都是必不可少需要設(shè)置的，這里不再贅述（以下類同，略）。

表2  開環(huán)速度控制方式的功能需求與參數(shù)選擇

　通過以上分析，可以得出如表2所示的分析結(jié)果。再按照表2中的歸類后的功能需求，逐個分解為對變頻器某些特定的、具體的參數(shù)的設(shè)置，這樣就可以得到如圖2(a)中的1#變頻器所示的設(shè)計結(jié)構(gòu)圖了。圖2(a)中的1#變頻器采用的控制方式就是開環(huán)控制、編號0方式。
　在本文中，對于常規(guī)控制方式的案例分析中，不準(zhǔn)備將諸如表2中的對應(yīng)的變頻器功能再進一步轉(zhuǎn)化為某個特定品牌的變頻器參數(shù)，以免給讀者造成品牌依賴性誤導(dǎo)（以下常規(guī)控制方式的案例同），只想表達一種思維過程，供讀者參考。而對于特殊應(yīng)用場合的控制方式，將以具體品牌為例加以說明。
3.2 閉環(huán)速度控制方式
　● 問題2的提出
　同問題1的提出，如圖2(a)，略。
　● 問題2的分析
　首先，由于用戶需要收卷電機的運行線速度與牽引電機保持一致，為達到這個目的，我們只要將牽引電機與收卷電機用同一個速度給定就可以實現(xiàn)這2臺電機角速度的一致（當(dāng)然，也可以將牽引電機實際運行速度的輸出信號DC4～20mA或DC0～5V/10V作為收卷電機的速度給定信號，這2種方式的差異在于：前者為同步速率給定方式；而后者為主從隨動給定方式，存在一定的響應(yīng)延遲，具體差異分析，略）；其次，由于收卷滾筒在運行過程中，隨著紙張等物體被不斷地纏繞在滾筒上，導(dǎo)致滾筒的半徑在不斷地增大，如果收卷電機的角速度保持不變，那么，收卷過程中的線速度也同樣在不斷地加快，為滿足用戶對收卷過程中線速度恒定的需求，必須想辦法讓收卷電機的角速度隨滾筒半徑的增長而降低，以實現(xiàn)線速度恒定的目的。為此，需要一個檢測線速度的傳感器信號，以此來作為變頻器的速度反饋，告訴變頻器要做出角速度的實時調(diào)整。在本例中，我們在夾送導(dǎo)向輥上安裝了編碼器（不能安裝在電機軸或收卷滾筒軸上，否則，編碼器測出的信號就不是線速度反饋信號而是角速度反饋信號），以編碼器的脈沖率來表示實際線速度的快慢。如圖2(a)中所示，這樣對于2#變頻器而言，它既有一個用電位器表示的給定速度，又有一個用編碼器的脈沖來表示的實際速度反饋信號，因此，2#變頻器就應(yīng)該是一個閉環(huán)速度控制方式的應(yīng)用案例。
　通過以上對用戶需求的分析，我們可以得出如表3所示的結(jié)果。

表3  閉環(huán)速度控制方式的功能需求與參數(shù)選擇

　在表3中，我們略去了與閉環(huán)速度控制非直接相關(guān)的其它一些功能的列舉，在實際應(yīng)用中就像對基本參數(shù)的需求一樣，同樣需要對這些功能進行選擇與相應(yīng)參數(shù)的設(shè)置。