摘要：变频器的矢量控制技术是变频器控制的最新技术，是当前交流电机变频调速传动的主要控制策略。为扩大和加深技术的推广，本文对矢量控制变频器的矢量控制基本思想、工作原理、选型、常见故障及策略等内容进行了较为全面的介绍，并对其进行了市场分析和预测。为广大科研、企业、教学等一线工作者提供了参考。
关键字：变频器；矢量控制；应用
0 引言
随着电力电子技术、功率半导体器件及变频控制理论的快速发展，作为智能控制电源的变频器已被广泛应用于各行业。变频器主要根据电动机的特性对供电电压、频率进行适当控制，主要控制方式有V/F控制、矢量控制、直接转矩控制等，不同的控制方式所得到的调速性能、特性以及用途各不相同。其中，矢量控制技术以其新颖的控制思想，优良的动静态性能受到了普遍的关注并得到迅速的发展。但矢量技术在国外应用较为成熟，国内还处于初级阶段。本文将根据矢量控制变频器的特性对其进行较全面的介绍。
1 矢量控制的基本思想
由电机学可知，任何电动机产生电磁转矩的原理，在本质上都是电机内部两个磁场相互作用的结果，因此各种电动机的电磁转矩具有统一的表达式[1]，即
■ （1-1）
式中， np ： 电机的极对数；FT 、FT ：定、转子磁势矢量的模值； Φm ：气隙主磁通矢量的模值；
Θr 、 Θr :定子磁势空间矢量FT 、转子磁势空间矢量分别与气隙合成势空间矢量 FT 之间的夹角
图1 直流电机（二极）磁势、磁通空间矢量图
由图1可以看出，主极磁通和电枢电流方向（指该电流产生的磁势方向）总是互相垂直的，二者各自独立，互不影响。此外，对于他励直流电机而言，励磁和电枢是两个独立的回路，可以对电枢电流和励磁电流进行单独控制和调节，达到控制转矩的目的，实现转速调节。可见，直流电机的电磁转矩具有控制容易而又灵活的特点。
图2 异步电动机的磁势、磁通空间矢量图
由式（1-1）及图2所示的异步电动机磁势、磁通空间矢量图可以看出，通过控制定子磁势 Fs的模值、或控制转子磁势的Fr的模值及它们在空间的位置，就能达到控制电机转矩的目的。控制Fs模值的大小、或Fr模值的大小，可以通过控制各相电流的幅值大小来实现，而在空间上的位置角θs、θr，可以通过控制各相电流的瞬时相位来实现。因此，只要能实现对异步电动机定子各相电流（iA、iB、iC）的瞬时控制，就能实现对异步电动机转矩的有效控制。
2 工作原理及控制种类
2.1 工作原理
矢量控制理论是上世纪70年代西门子工程师F.Blaschke首先提出来解决交流电机转矩控制问题。其基本原理是通过测量和控制异步电动机定子电流矢量，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。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。矢量控制算法已被广泛地应用在siemens，AB，GE，Fuji等国际化大公司变频器上【2】。
2.2 矢量控制方式
(1)基于转差频率控制的矢量控制方式
它的控制思想是在进行U / f =恒定控制的基础上,通过检测异步电动机的实际速度n,并得到对应的控制频率f,然后根据希望得到的转矩,分别控制定子电流矢量及两个分量间的相位,对通用变频器的输出频率f进行控制。
图4 基于转差频率的异步电动机矢量控制结构原理图
由图4可见，转差频率间接矢量控制的磁链定向由磁链和转矩给定信号确定，靠矢量控制方程保证，并没有用磁链模型实际计算转子磁链及相位，所以属于间接的磁场定向，但由于矢量控制方程中包含电动机转子参数，定向精度仍受参数变化的影响。但总的来说，转差频率间接矢量由于具有动态性能好，调速范围宽的优点，在实际生产中受到很大欢迎，应用极为广泛。
(2)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,按照转矩计算公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。
图5 无速度传感器矢量控制系统方框图
如图5，该系统具有较高的稳态转速精度、转速跟随性能和负载抗扰性能，具有较大的
实用价值。无速度传感器矢量控制通用变频器已成为新一代高性能通用变频器的发展方向。
(3)有速度传感器的矢量控制方式
它主要用于高精度的速度控制、转矩控制、简单伺服控制等对控制性能要求严格的使用场合。在该方式下采用的速度传感器一般是旋转编码器，并安装在被控电动机的轴端，而不是象闭环v/f控制安装编码器或接近开关那样随意。
有速度传感器矢量控制方式的变频调速是一种理想的控制方式，它具有可以从零转速起进行速度控制，即使低速亦能运行，因此调速范围很宽广，可达1000:1；可以对转矩实行精确控制；系统的动态响应速度快；电动机的加速度特性很好等优点。
3 矢量控制的优缺点及选型
3.1 矢量控制的优缺点
矢量控制可以使变频器根据频率和负载情况实时的改变输出频率和电压，因此其动态性能相对完善。具有可以对转矩进行精确控制、系统响应快、调速范围广、加减速性能好等特点。在对转矩控制要求高的场合，以其优越的控制性能受到用户的赞赏。
然而在实际应用中，由于转子磁链难以准确观测，系统特性受电动机参数的影响较大，且在等效直流电动机控制过程中所用矢量旋转变换较复杂，使得实际的控制效果难以达到理想分析的结果。
3.2 矢量控制变频器选型时要确定以下几点[3]： （1）采用变频的目的：恒压控制或恒流控制等。
（2）变频器的负载类型：如叶片泵或容积泵等，特别注意负载的性能曲线，性能曲线决定了应用时的方式方法。
（3）在使用变频器驱动高速电机时，由于高速电机的电抗小，高次谐波增加导致输出电流值增大。因此用于高速电机的变频器的选型，其容量要稍大于普通电机的选型。
（4）变频器如果需要长电缆运行时，此时要采取措施抑制长电缆对地耦合电容的影响，避免变频器出力不足，所以在这样情况下，变频器容量要放大一档或者在变频器的输出端安装输出电抗器。
（5）对于一些特殊的应用场合，如高温、高海拔，会引起变频器的降容，变频器容量要放大一挡。
（6）变频器输出频率不同型号有不同的数值，根据变频调速系统生产工艺的要求，选择能满足条件的变频器和采用相应的控制方式。
4 常见故障及对策
变频器本身具有相当丰富的异常故障显示和保护功能。若保护功能动作时，变频器立即跳闸，LED显示故障代码，或者将故障信息存储在程序的某个参数内，使电动机处于自由运转状态到停止[4]。一般来说，变频器常见的故障有以下几个方面:
4.1 过流故障。它可分为加速、减速、恒速过电流。其可能是由于变频器的加减速时间太短、负载发生突变、负荷分配不均，输出短路等原因引起的。一般可通过延长加减速时间、减少负荷的突变、外加能耗制动元件、进行负荷分配设计、对线路进行检查。如果断开负载变频器还是过流故障，说明变频器逆变电路已环，需要更换变频器[5]。
4.2 过载故障。包括变频过载和电机过载。其可能是加速时间太短，电网电压太低、负载过重等原因引起的。一般可通过延长加速时间、延长制动时间、检查电网电压等。负载过重，所选的电机和变频器不能拖动该负载，也可能是由于机械润滑不好引起。如前者则必须更换大功率的电机和变频器；如后者则要对生产机械进行检修[5]。
4.3欠压。常见原因为三相输入电压偏低、缺相或整流器缺相，电压变换器功能异常造成，属于变频器电源输入部分有问题，需检查后才可运行。
4.4 过压。一般是指直流过电压，可能的原因有：三相交流输入电压异常，电压变换器异常，加减速时间设定不正确等。前二者可用万用表测量进行简单判断，而加减速时间设定不正常比较难以判断，有可能因为负载变化后造成转动惯量增大，减速时间参数没有改变，造成减速时回馈能量来不及反馈回电网，导致变频器直流电压升高。可根据情况适当增大变频器减速时间即可。
4.5 接地。故障原因比较少，使用万用表或摇表根据变频器说明书合理选择测试点，即可判断故障点。
4.6 特殊情况下的故障处理。如果出现变频器能运行，但是电流显示不正常，波动大，甚至过电流等特殊故障时，可采用将变频器控制方式改为V/F控制方式运行，并检查变频器的外围器件如测速机、编码器、输出电缆或电机的工作情况去排除故障。
当然由于各厂家所生产的变频器由于结构不同，采用的控制方式不同，出现的故障可能会表现为各种不同的现象。因此，排故时要根据变频器的结构和控制原理采取相应的措施。
5 市场分析及预测
变频器凭借其在速度和节能方面的优势，广泛应用在电力、纺织化纤、建材、石油、化工、冶金等行业。目前，国内变频器市场中的厂商主要有国外跨国集团厂商、中外合作生产企业、国内生产企业。生产基地集中在长三角和珠三角。国外的品牌主要是德国西门子、瑞士ABB、富士等电气巨头，国内企业主要分布在北京、广州、浙江、上海、四川、山东等地。国内企业的硬件设计水平与国外品牌相比差距不大，但在软件方面差距明显，国内变频器企业以V/F产品为主，对于性能优越、技术含量高的矢量控制变频器还较少。
据机电产品市场杂志社调查报告的数字分析，我国变频器的市场潜力为1200亿~1800亿元。2008年我国中低压变频器市场总量约112.1亿元。预计到2012年国内中低压变频器市场容量将超过190亿元，高压变频器市场规模将达到148亿元。特别是变频器大容量化和小型化、专用化、软件化、网络化、绿色环保化且不可替代的发展趋势，说明矢量控制变频器的市场前景较为广阔。
6 结语
矢量控制成功地解决了交流电动机定子电流转矩分量和励磁分量的耦合问题，实现了交流电动机电磁转矩的实时控制，提高了交流电动机变压变频调速系统的动态性能，具有明显的优越性。但在实际应用中,矢量控制存在有转子磁链难以准确观测,系统特性受电动机参数的影响较大,矢量旋转变换较复杂等缺点,使得实际的控制效果和理想分析的结果有一定差距。因此，控制技术的研究和改进是一个不断探索的过程。
参考文献：
[1] 机电之家
[2] 矢量控制理论介绍;变频器世界;2006年第05期
[3] 唐桂波;;变频器原理及其使用中的问题分析[J];冶金设备;2009年S1期
[4] http://www.省略/
[5] 邹涌泉;;变频器工作原理以及应用中的注意问题;自动化与仪器仪表;2011年01期
作者简介：
1．张鹏杰（1975-），女，汉族，重庆大学控制工程硕士，讲师，济源职业技术学院专业特长及研究领域：机电一体化、控制工程等。
2.许伟昶（1974-），男，汉族，解放军信息工程大学控制工程硕士，讲师，济源职业技术学院，专业特长及研究领域：计算机、机电一体化、控制工程等。