第十一講-轉速開環(huán)的Uf控制變頻調速系統(tǒng)課件

2.7轉速開環(huán)的U/f控制變頻調速系統(tǒng)直流電機的主磁通和電樞電流分布的空間位置是確定的，而且可以獨立進行控制。交流異步電機的磁通則由定子與轉子電流合成產(chǎn)生，它的空間位置相對于定子和轉子都是運動的，除此以外，在籠型轉子異步電機中，轉子電流還是不可測和不可控的。因此，異步電機的動態(tài)數(shù)學模型要比直流電機模型復雜得多。2.7轉速開環(huán)的U/f控制變頻調速系統(tǒng)直流電機的主磁通1好在不少機械負載，例如風機和水泵，并不需要很高的動態(tài)性能，只要在一定范圍內能實現(xiàn)高效率的調速就行，因此可以只用電機的穩(wěn)態(tài)模型來設計其控制系統(tǒng)。為了實現(xiàn)電壓-頻率協(xié)調控制，可以采用轉速開環(huán)恒壓頻比帶低頻電壓補償?shù)目刂品桨?，這就是常用的通用變頻器控制系統(tǒng)。好在不少機械負載，例如風機和水泵，并不需22.7轉速開環(huán)的U/f控制變頻調速系統(tǒng)

概述

現(xiàn)代通用變頻器大都是采用二極管整流和由快速全控開關器件IGBT或功率模塊IPM組成的PWM逆變器，構成交-直-交電壓源型變壓變頻器，已經(jīng)占領了全世界0.5~600kW中、小容量變頻調速裝置的絕大部分市場。2.7轉速開環(huán)的U/f控制變頻調速系統(tǒng)

概述www.s3所謂“通用”，包含著兩方面的含義：（1）可以和通用的籠型異步電機配套使用；（2）具有多種可供選擇的功能，適用于各種不同性質的負載。系統(tǒng)介紹下圖繪出了一種典型的數(shù)字控制通用變頻器-異步電動機調速系統(tǒng)原理圖。所謂“通用”，包含著兩方面的含義：.c41.系統(tǒng)組成M3~電壓檢測泵升限制電流檢測溫度檢測電流檢測中央處理器顯示設定接口PWM發(fā)生器驅動電路~URUIR0R1R2RbVTbKR0R1RbR21.系統(tǒng)組成M電壓泵升電流溫度電流中顯示設定接口PWM驅動5限流電阻為了避免大電容C在通電瞬間產(chǎn)生過大的充電電流，在整流器和濾波電容間的直流回路上串入限流電阻（或電抗），通上電源時，先限制充電電流，再延時用開關K將其短路，以免長期接入時影響變頻器的正常工作，并產(chǎn)生附加損耗。主電路——由二極管整流器UR、PWM逆變器UI和中間直流電路三部分組成，一般都是電壓源型的，采用大電容C濾波，同時兼有無功功率交換的作用。限流電阻為了避免大電容C在通電瞬間產(chǎn)生過大的充電電流，在6泵升限制電路——由于二極管整流器不能為異步電機的再生制動提供反向電流的通路，所以除特殊情況外，通用變頻器一般都用電阻吸收制動能量。減速制動時，異步電機進入發(fā)電狀態(tài)，首先通過逆變器的續(xù)流二極管向電容C充電，當中間直流回路的電壓（通稱泵升電壓）升高到一定的限制值時，通過泵升限制電路使開關器件導通，將電機釋放的動能消耗在制動電阻上。泵升限制電路——由于二極管整流器不能為異步電機的再生制動提供7進線電抗器

二極管整流器雖然是全波整流裝置，但由于其輸出端有濾波電容存在，因此輸入電流呈脈沖波形。進線電抗器二極管整流器雖然是全波整流裝置，但由于其輸出8這樣的電流波形具有較大的諧波分量，使電源受到污染。為了抑制諧波電流，對于容量較大的PWM變頻器，都應在輸入端設有進線電抗器，有時也可以在整流器和電容器之間串接直流電抗器。還可用來抑制電源電壓不平衡對變頻器的影響。這樣的電流波形具有較大的諧波分量，使9PWM信號產(chǎn)生——現(xiàn)代PWM變頻器的控制電路大都是以微處理器為核心的數(shù)字電路產(chǎn)生，其功能主要是接受各種設定信息和指令，再根據(jù)它們的要求形成驅動逆變器工作的PWM信號。微機芯片主要采用8位或16位的單片機，或用32位的DSP；也可采用專用的PWM生成電路芯片。檢測與保護電路——各種故障的保護由電壓、電流、溫度等檢測信號經(jīng)信號處理電路進行分壓、光電隔離、濾波、放大等綜合處理，再進入A/D轉換器，輸入給CPU作為控制算法的依據(jù)，或者作為開關電平產(chǎn)生保護信號和顯示信號?？刂齐娐稰WM信號產(chǎn)生——現(xiàn)代PWM變頻器的控制電路大都是以微處理器10控制電路（續(xù)）信號設定——需要設定的控制信息主要有：U/f特性、工作頻率、頻率升高時間、頻率下降時間等，還可以有一系列特殊功能的設定。由于通用變頻器-異步電動機系統(tǒng)是轉速或頻率開環(huán)、恒壓頻比控制系統(tǒng)，低頻時，或負載的性質和大小不同時，都得靠改變U/f函數(shù)發(fā)生器的特性來補償，使系統(tǒng)達到恒定，甚至恒定的功能，在通用產(chǎn)品中稱作“電壓補償”或“轉矩補償”?？刂齐娐罚ɡm(xù)）信號設定——需要設定的控制信息主要有：U/f11補償方法

實現(xiàn)補償?shù)姆椒ㄓ袃煞N：一種是在微機中存儲多條不同斜率和折線段的U/f函數(shù)，由用戶根據(jù)需要選擇最佳特性；另一種辦法是采用霍耳電流傳感器檢測定子電流或直流回路電流，按電流大小自動補償定子電壓。但無論如何都存在過補償或欠補償?shù)目赡?，這是開環(huán)控制系統(tǒng)的不足之處。補償方法實現(xiàn)補償?shù)姆椒ㄓ袃煞N：www.sdu12給定積分——由于系統(tǒng)本身沒有自動限制起制動電流的作用，因此，頻定設定信號必須通過給定積分算法產(chǎn)生平緩升速或降速信號，升速和降速的積分時間可以根據(jù)負載需要由操作人員分別選擇。綜上所述，PWM變壓變頻器的基本控制作用如圖所示。近年來，許多企業(yè)不斷推出具有更多自動控制功能的變頻器，使產(chǎn)品性能更加完善，質量不斷提高。給定積分——由于系統(tǒng)本身沒有自動限制起制動電流的作用，因此，132.7轉速開環(huán)的U/f控制變頻調速系統(tǒng)tff*ufu斜坡函數(shù)U/f曲線脈沖發(fā)生器驅動電路工作頻率設定升降速時間設定電壓補償設定PWM產(chǎn)生2.7轉速開環(huán)的U/f控制變頻調速系統(tǒng)tff*ufu14E2PROM電源監(jiān)控鍵盤顯示信號輸出時鐘電路檢測信號信號調理充電繼電器模擬信號外部中斷信號驅動電路PWMMCS87C196MC圖2-50以MCS87C196MC單片機為核心的開環(huán)通用變頻器控制電路框圖E2PROM電源監(jiān)控鍵盤顯示信號輸出時鐘電路檢測信號信號調理15圖2-5351A/D轉換器的接口電路檢測信號RRUCCC0.01μ270270VD1N4148VD1N4148ACHXMCS-196UrefR1R2R3UdcLF353+-R412345678UCCR5EXTINTOVGNDNCACANCUCCNCUoGND6N137GND圖2-5452過電壓檢測信號的輸入接口電路2個二極管：過載保護作用；RC濾波器可以對尖峰類噪聲進行有效的抑制。在模擬輸入端加上阻容電路，（1）低通濾波的作用（2）在過電壓的條件下，串聯(lián)電阻可以起到限流作用；（3）模擬信號源內阻過大會降低A/D轉換的精度，而并聯(lián)的電容則起到誤差補償?shù)淖饔脠D2-5351A/D轉換器的接口電路檢測信號RRUCCC162.7轉速開環(huán)的U/f控制變頻調速系統(tǒng)

開環(huán)U/f控制變頻器發(fā)展的特點是通用化、系列化和規(guī)?；a(chǎn)。新一代的U/f控制變頻器已經(jīng)實現(xiàn)了轉矩控制功能，具有無跳閘能力。由這種變頻器驅動的通用異步電動機已經(jīng)具備了挖土機特性，像直流電動機一樣，可以人為地設定其極限輸出轉矩。

近年來，許多企業(yè)不斷推出具有更多自動控制功能的變頻器，使產(chǎn)品性能更加完善，質量不斷提高。2.7轉速開環(huán)的U/f控制變頻調速系統(tǒng)

開環(huán)U/f控制172.8轉速閉環(huán)轉差頻率控制的變頻調速系統(tǒng)0.問題的提出

前節(jié)所述的轉速開環(huán)變頻調速系統(tǒng)可以滿足平滑調速的要求，但靜、動態(tài)性能都有限，要提高靜、動態(tài)性能，首先要用轉速反饋閉環(huán)控制。轉速閉環(huán)系統(tǒng)的靜特性比開環(huán)系統(tǒng)強，這是很明顯的，但是，是否能夠提高系統(tǒng)的動態(tài)性能呢？還得進一步探討一下。

2.8轉速閉環(huán)轉差頻率控制的變頻調速系統(tǒng)0.問題的提18電力傳動的基本控制規(guī)律

任何電力拖動自動控制系統(tǒng)都服從于基本運動方程式

提高調速系統(tǒng)動態(tài)性能主要依靠控制轉速的變化率d

/dt

，根據(jù)基本運動方程式，控制電磁轉矩就能控制d

/dt

，因此，歸根結底，調速系統(tǒng)的動態(tài)性能就是控制轉矩的能力。電力傳動的基本控制規(guī)律任何電力拖動自動控191.轉差頻率控制的基本概念直流電機的轉矩與電樞電流成正比，控制電流就能控制轉矩，因此，直流雙閉環(huán)調速系統(tǒng)轉速調節(jié)器的輸出信號當作電流給定信號，也就是轉矩給定信號。在交流異步電機中，影響轉矩的因素較多，控制異步電機轉矩的問題也比較復雜。1.轉差頻率控制的基本概念直流電機的轉矩與電樞電流成20將

1.3中介紹的恒Es

/

1

控制（即恒

m控制）時的電磁轉矩公式為代入上式，得

，是電機的結構常數(shù)。1.轉差頻率控制的基本概念將21

當電機穩(wěn)態(tài)運行時，s值很小，因而

s也很小，有

1的百分之幾，可以認為

sLlr'<<Rr'，則轉矩可近似表示為令

s=s

1

，并定義為轉差角頻率。則

（2-41）

當電機穩(wěn)態(tài)運行時，s值很小，因而22

（2-42）

式（2-42）表明，在s值很小的穩(wěn)態(tài)運行范圍內，如果能夠保持氣隙磁通

m不變，異步電機的轉矩就近似與轉差角頻率

s成正比。這就是說，在異步電機中控制

s，就和直流電機中控制電流一樣，能夠達到間接控制轉矩的目的。（2-42）式（2-42）23控制轉差頻率就代表控制轉矩，這就是轉差頻率控制的基本概念?？刂妻D差頻率就代表控制轉矩，這就是轉差頻率控制的基本概念。w24可以看出：在

s較小的穩(wěn)態(tài)運行段上，轉矩Te基本上與

s成正比；當Te達到其最大值Temax時，

s達到

smax值。ωsmaxωsmTemaxTemωsTeO圖2-54按恒Φm值控制的Te=f(

s

)特性

當

s較大時，就得采用式（2-41）的精確轉矩公式，把這個轉矩特性（即機械特性）

畫在下圖?？梢钥闯觯害豷maxωsmTemaxTemωsTeO圖2-525對于式（2-41），取dTe/d

s=0可得（2-44）

（2-43）

在轉差頻率控制系統(tǒng)中，只要給

s限幅，使其限幅值為就可以基本保持Te與

s的正比關系，也就可以用轉差頻率控制來代表轉矩控制。這是轉差頻率控制的基本規(guī)律之一。

對于式（2-41），取dTe/ds=0可得（226

上述規(guī)律是在保持

m恒定的前提下才成立的，于是問題又轉化為，如何能保持

m恒定？我們知道，按恒Es/

1控制時可保持

m恒定。在上圖的等效電路中可得：

（6-65）

由此可見，要實現(xiàn)恒Es/

1控制，須在Us/

1=恒值的基礎上再提高電壓Us以補償定子電流壓降。上述規(guī)律是在保持m恒定的前提下才成立的，于是問題27如果忽略電流相量相位變化的影響，不同定子電流時恒Es/

1控制所需的電壓-頻率特性Us=f(

1,Is)如下圖所示。圖2-53不同定子電流時恒Es/

控制所需的電壓-頻率特性OUs/

1=Const.Es/

1=Const.定子電流增大的趨勢如果忽略電流相量相位變化的影響，不同定子28

上述關系表明，只要Us和

1及Is的關系符合上圖所示特性，就能保持Eg/

1恒定，也就是保持

m恒定。這是轉差頻率控制的基本規(guī)律之二。總結起來，轉差頻率控制的規(guī)律是：（1）在

s≤sm的范圍內，轉矩Te基本上與

s成正比，條件是氣隙磁通不變。（2）在不同的定子電流值時，按上圖的函數(shù)關系Us=f(

1,Is)控制定子電壓和頻率，就能保持氣隙磁通

m恒定。上述關系表明，只要Us和1及Is的關29系統(tǒng)組成轉差頻率控制的轉速閉環(huán)變頻調速系統(tǒng)結構原理圖FBS電壓型逆變器PWMM3~ASR3.轉差頻率控制的變頻調速系統(tǒng)系統(tǒng)組成轉差頻率控制的轉速閉環(huán)變頻調速系統(tǒng)結構原理圖FBSM30控制原理

實現(xiàn)上述轉差頻率控制規(guī)律的轉速閉環(huán)變壓變頻調速系統(tǒng)結構原理圖如圖所示。頻率控制——轉速調節(jié)器ASR的輸出信號是轉差頻率給定

s*，與實測轉速信號

相加，即得定子頻率給定信號

1*，即

（2-45）

電壓控制——由

1和定子電流反饋信號Is從微機存儲的Us=f(

1,Is)函數(shù)中查得定子電壓給定信號Us*，用Us*和

1*控制PWM電壓型逆變器，即得異步電機調速所需的變壓變頻電源?？刂圃韺崿F(xiàn)上述轉差頻率控制規(guī)律的31性能評價

轉差角頻率

s*與實測轉速信號

相加后得到定子頻率輸入信號

1*這一關系是轉差頻率控制系統(tǒng)突出的