機(jī)電控制系統(tǒng)課件

電力電子器件

交流電機(jī)具有得天獨(dú)厚的優(yōu)點(diǎn)交流調(diào)速的卻比直流調(diào)速難以實(shí)現(xiàn)20世紀(jì)60年代後，生產(chǎn)發(fā)展和節(jié)能要求，促進(jìn)交流調(diào)速技術(shù)的發(fā)展變頻技術(shù)是交流調(diào)速的核心，電力電子和電腦技術(shù)又是變頻技術(shù)的核心，電力電子器件是電力電子技術(shù)的基礎(chǔ)，是現(xiàn)代交流調(diào)速裝置的支柱20世紀(jì)50年代，晶閘管問(wèn)世標(biāo)誌著電力電子技術(shù)的開(kāi)端。20世紀(jì)80年代中期以前，變頻裝置主要採(cǎi)用晶閘管元件。裝置無(wú)法與同容量的直流調(diào)速裝置相比。80年代中期以後，採(cǎi)用第二代電力電子器件GTR、GTO、IGBT等製造的變頻裝置在性能與價(jià)格比上可以與直流調(diào)速裝置相媲美。20世紀(jì)90年代，第三代電力電子器件是製造變頻器的主流產(chǎn)品，中小功率的變頻調(diào)速裝置主要是採(cǎi)用IGBT，中大功率的變頻調(diào)速裝置採(cǎi)用GTO。20世紀(jì)90年代末至今，電力電子器件的發(fā)展進(jìn)入了第四代。主要實(shí)用的第四代器件有：高壓IGBT器件(SIEMENS公司HVIGBT)IGCT(IntergratedGateControlledThyristor)IEGT(InjectionEnhancedGateTransistor)SGCT(SymmetricalGateCommutatedThyristor)GTR、GTO器件本身存在的不可克服的缺陷，功率器件進(jìn)入第三代以來(lái)，GTR器件已被淘汰不再使用。進(jìn)入第四代後，GTO器件也將被逐步淘汰。第四代電力電子器件模組化更為成熟。智能化模組IPM、專用功率器件模組ASPM等。模組化功率器件將是21世紀(jì)主宰器件。2.1電力電子器件簡(jiǎn)介

電力電子器件(電力半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)器件)本質(zhì)上是大容量的無(wú)觸點(diǎn)可控功率開(kāi)關(guān)，主要用於開(kāi)關(guān)工作狀態(tài)。理想的功率開(kāi)關(guān)器件，應(yīng)當(dāng)有理想的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性：截止?fàn)顟B(tài)能承受高電壓(高阻斷電壓)；導(dǎo)通狀態(tài)通導(dǎo)大電流，壓降很低；在開(kāi)關(guān)切換時(shí)，開(kāi)、關(guān)時(shí)間短(高開(kāi)關(guān)頻率)，可承受高的電流變化率di/dt和電壓變化率dv/dt；截止、導(dǎo)通均可控。與處理資訊電子(微電子)器件相比電力電子器件以實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換為目的電力電子器件一般都工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)電力電子器件往往需要由資訊電子電路來(lái)控制電力電子器件自身的功率損耗遠(yuǎn)大於資訊電子器件，一般都要安裝散熱器。2.1.1電力電子器件的發(fā)展過(guò)程

1948年美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室肖克萊等人發(fā)明了能夠放大電信號(hào)的電晶體，開(kāi)創(chuàng)了半導(dǎo)體電子學(xué)。1957年美國(guó)通用電氣公司在電晶體基礎(chǔ)上發(fā)明了晶閘管，很快被應(yīng)用在整流電路和逆變電路。之後，出現(xiàn)了門極可關(guān)斷晶閘管、雙向晶閘管、光控晶閘管、逆導(dǎo)晶閘管等一系列派生器件，以及單極型

MOS

功率場(chǎng)效應(yīng)電晶體、雙極型功率電晶體、靜電感應(yīng)晶閘管、功能組合模組和功率積體電路等新型電力電子器件。功率器件經(jīng)歷了從結(jié)型控制器件(晶閘管、GTR、GTO)到場(chǎng)控器件(功率MOS-FET、IGBT、IGCT)的發(fā)展歷程。20世紀(jì)90年代又出現(xiàn)了智能功率模組(IPM)。容量/kW電壓/VGTOIGCTSCRMOSFET1200600300330060000.11.010100100010000HV-IGBTIGBTHV-IGBTIGBT，IPM2.1.2電力電子器件的分類

按器件內(nèi)部載流子的導(dǎo)電類型分雙極型器件電子、空穴均參與導(dǎo)電。電流控制型器件，耐壓高、通態(tài)壓降低、導(dǎo)通損耗小，適合於高壓大容量的應(yīng)用?？刂乒β蚀?、驅(qū)動(dòng)電路較複雜、工作頻率較低、耐衝擊能力差，易受二次擊穿而損壞2.1.2電力電子器件的分類

按器件內(nèi)部載流子的導(dǎo)電類型分單極型器件一種(多數(shù))載流子參與導(dǎo)電。屬電壓控制型器件控制功率小、驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單、工作頻率高、無(wú)二次擊穿問(wèn)題、安全工作區(qū)寬，適合於中小容量的應(yīng)用是通態(tài)壓降大、導(dǎo)通損耗大2.1.2電力電子器件的分類

按器件內(nèi)部載流子的導(dǎo)電類型分複合型器件單極性器件作為輸入級(jí)，雙極型器件作為輸出級(jí)屬電壓控制型器件大功率、低驅(qū)動(dòng)、高頻化，成為一代新型的場(chǎng)控複合器件載流子導(dǎo)電類型器件名稱英文名用途說(shuō)明雙極型器件二極體Diode整流、能量回饋、續(xù)流分為整流二極體和快速二極體功率電晶體GTR已被IGBT代替普通晶閘管Thyristor，SCR整流、逆變高壓大容量門極關(guān)斷晶閘管GTO大容量逆變已被IGCT代替單極型器件功率場(chǎng)效應(yīng)電晶體MOSFETDC–DC變換小功率，但適合高功率密度的應(yīng)用混合型器件絕緣柵雙極型電晶體IGBT逆變、DC–DC變換、整流應(yīng)用十分廣泛集成門極換向晶閘管IGCT大容量逆變GTO的進(jìn)化按可控程度分半控型器件通過(guò)門極只能控制其導(dǎo)通而不能控制其關(guān)斷的器件普通晶閘管及其派生器件。全控型器件

通過(guò)控制極既能控制其導(dǎo)通又能控制其關(guān)斷的器件GTO、BJT(GTR)、功率MOSFET、IGBT、IGCT等不可控器件功率二極體按控制信號(hào)的性質(zhì)分電流控制型器件通過(guò)從控制極注入或抽出控制電流控制導(dǎo)通或關(guān)斷。電晶體類，如電力電晶體、達(dá)林頓電晶體及其模組等晶閘管類，如普通晶閘管、可關(guān)斷晶閘管等雙極性器件導(dǎo)通壓降很低，導(dǎo)通損耗較小工作頻率相對(duì)低，控制極輸入阻抗低，控制功率較大，控制電路複雜。按控制信號(hào)的性質(zhì)分電壓控制型器件利用場(chǎng)控原理，其導(dǎo)通或關(guān)斷由控制極上的電壓信號(hào)決定，控制極電流很小結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)器件，如靜電感應(yīng)電晶體、靜電感應(yīng)晶閘管等絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)器件，如IGBT、功率MOS-FET工作頻率高，控制極輸入阻抗高，控制功率小，控制電路簡(jiǎn)單。電力電子器件在變頻器中的應(yīng)用GTO，應(yīng)用於大功率和高壓變頻器功率MOSFET、GTR，應(yīng)用於小型變頻器中GTR逐漸被IGBT所取代以IGBT為主開(kāi)關(guān)器件的混合型功率積體電路IPM已在小容量的變頻器中廣泛應(yīng)用。2.2常用電力電子器件2.2.1電流半控雙極型器件—晶閘管(SCR)不具有自身關(guān)斷能力的電流半控性電力電子器件K1.結(jié)構(gòu)與工作原理

PNPN4層半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，形成3個(gè)PN結(jié)J1、J2、J33個(gè)極：陽(yáng)極A、陰極K、門極G晶閘管的門極觸發(fā)電流從門極G流入晶閘管，從陰極K流出。陰極K是晶閘管主電路與控制電路的公共端。門極觸發(fā)電流往往是通過(guò)觸發(fā)電路在門極和陰極之間施加觸發(fā)電壓而產(chǎn)生的。為保證可靠、安全的觸發(fā)，觸發(fā)電路所提供的觸發(fā)電壓、電流和功率應(yīng)限制在可靠觸發(fā)區(qū)內(nèi)。晶閘管無(wú)自關(guān)斷能力，只有當(dāng)陽(yáng)極電流小於維持電流時(shí)才會(huì)關(guān)斷。為使其關(guān)斷，只有從外部切斷陽(yáng)極電流，或通過(guò)減小陽(yáng)極和陰極之間的電壓，或使其反向，使陽(yáng)極電流小於維持電流。在陽(yáng)極和陰極上加上反向電壓，促使晶閘管關(guān)斷的電路被稱為強(qiáng)迫換流電路。有關(guān)晶閘管的結(jié)論：晶閘管導(dǎo)通的條件在晶閘管的陽(yáng)極與陰極間加正向電壓；在晶閘管的門極和陰極之間也加正向電壓。晶閘管一旦導(dǎo)通，門極即失去控制作用。要使已導(dǎo)通的晶閘管關(guān)斷，必須使其陽(yáng)極電流減小到維持電流以下，這只能採(cǎi)用陽(yáng)極電壓減小到零或反向的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。2.晶閘管的伏安特性正嚮導(dǎo)通雪崩擊穿OUAIAIHIG2IG1IG=0UBUDSMUDRMURRMURSM反向阻斷正向阻斷3.晶閘管的主要參數(shù)

電壓參數(shù)斷態(tài)不重複峰值電壓VDSM門極斷路，陽(yáng)極電壓正向，正向伏安特性曲線急劇彎曲處所對(duì)應(yīng)的電壓。

斷態(tài)重複峰值電壓VDRM門極斷路而結(jié)溫為額定值下，允許重複加在器件上的正向峰值電壓反向不重複峰值電壓VRSM門極斷路，陽(yáng)極電壓反向，反向伏安特性曲線急劇彎曲處的反向峰值電壓值。

反向重複峰值電壓VRRM門極斷路而結(jié)溫為額定值下，允許重複加在器件上的反向峰值電壓通態(tài)峰值電壓VTM

通以規(guī)定倍數(shù)額定通態(tài)平均電流值時(shí)的瞬態(tài)峰值電壓通常取晶閘管的UDRM和URRM中較小的標(biāo)值作為該器件的額定電壓選用時(shí)，一般取額定電壓為正常工作時(shí)晶閘管所承受峰值電壓2~3倍。電流參數(shù)通態(tài)平均電流IT(AV)

晶閘管在環(huán)境溫度為40

C和規(guī)定的冷卻條件下，穩(wěn)定結(jié)溫不超過(guò)額定結(jié)溫時(shí)所允許流過(guò)的最大工頻正弦半波電流的平均值。在使用時(shí)，按實(shí)際波形的電流與通態(tài)平均電流所造成的發(fā)熱效應(yīng)相等，即有效值相等的原則來(lái)選取晶閘管的此項(xiàng)，並留一定裕量。一般取1.5～2倍。維持電流IH

使晶閘管維持導(dǎo)通所必需的最小電流擎住電流IL

晶閘管剛從斷態(tài)轉(zhuǎn)入通態(tài)並移除觸發(fā)信號(hào)後，能維持導(dǎo)通所需的最小電流。對(duì)同一晶閘管來(lái)說(shuō)，通常IL約為IH的2~4倍浪湧電流ITSM

規(guī)定的條件下，使結(jié)溫超過(guò)額定結(jié)溫的不重複性最大正向超載電流門極參數(shù)門極觸發(fā)電壓VGT

門極反向峰值電壓VRGM

門極觸發(fā)電流IGT

動(dòng)態(tài)參數(shù)斷態(tài)電壓臨界上升率du/dt

通態(tài)電流臨界上升率di/dt開(kāi)通時(shí)間tgt關(guān)斷時(shí)間tq100%90%10%uAKttOOtdtrtrrtgrURRMIRMiA4.特殊晶閘管

快速晶閘管(FST,FastSwitchingThyristor)快速晶閘管，高頻晶閘管普通晶閘管關(guān)斷時(shí)間數(shù)百微秒；快速晶閘管數(shù)十微秒；高頻晶閘管10μs左右。高頻晶閘管的不足在於其電壓和電流定額都不易做高由於工作頻率較高，選擇通態(tài)平均電流時(shí)不能忽略其開(kāi)關(guān)損耗的發(fā)熱效應(yīng)。雙向晶閘管(TRIAC，TriodeACSwitch)可認(rèn)為是一對(duì)反並聯(lián)普通晶閘管的集成。有兩個(gè)主電極T1和T2，一個(gè)門極G。在第I和第III象限有對(duì)稱的伏安特性。在交流調(diào)壓電路、固態(tài)繼電器和交流電機(jī)調(diào)壓調(diào)速等領(lǐng)域應(yīng)用較多IOUIG=0GT1T2逆導(dǎo)晶閘管(RCT,ReverseConductingThyristor)將晶閘管反並聯(lián)一個(gè)二極體製作在同一管芯上的功率集成器件。正向壓降小、關(guān)斷時(shí)間短、高溫特性好、額定結(jié)溫高。UOIIG=0KGA光控晶閘管(LTT，LightTriggeredThyristor)又稱光觸發(fā)晶閘管，是利用一定波長(zhǎng)的光照信號(hào)觸發(fā)導(dǎo)通的晶閘管。光觸發(fā)保證了主電路與控制電路之間的絕緣，且可避免電磁干擾的影響。因此目前在高壓大功率的場(chǎng)合。AGKAK光強(qiáng)度強(qiáng)弱OUIA2.2.2電流全控雙極型器件—電力電晶體(GTR/BJT)與普通雙極型電晶體基本原理一樣，主要是耐壓高、電流大、開(kāi)關(guān)特性好，作為功率開(kāi)關(guān)器件使用。20世紀(jì)80年代以來(lái)，在中、小功率範(fàn)圍內(nèi)取代晶閘管，但目前又大多被IGBT和電力MOSFET取代。通常採(cǎi)用至少由兩個(gè)電晶體按達(dá)林頓接法組成的單元結(jié)構(gòu)。採(cǎi)用積體電路工藝將許多這種單元並聯(lián)而成GTR的特性靜態(tài)特性共發(fā)射極接法時(shí)的典型輸出特性：截止區(qū)、放大區(qū)和飽和區(qū)在電力電子電路中GTR工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，只在開(kāi)關(guān)過(guò)程中，即在截止區(qū)和飽和區(qū)之間過(guò)渡時(shí)，要經(jīng)過(guò)放大區(qū)。截止區(qū)放大區(qū)飽和區(qū)OIcib3ib2ib1ib1<ib2<ib3Uce動(dòng)態(tài)特性延遲時(shí)間td和上升時(shí)間tr，二者之和為開(kāi)通時(shí)間ton儲(chǔ)存時(shí)間ts和下降時(shí)間tf，二者之和為關(guān)斷時(shí)間toffGTR的開(kāi)關(guān)時(shí)間在幾微秒以內(nèi)，比晶閘管和GTO都短很多ibIb1Ib2Icsic0090%Ib110%Ib190%Ics10%Icst0t1t2t3t4t5tttofftstftontrtdGTR的二次擊穿現(xiàn)象一次擊穿：集射電壓升高至擊穿電壓時(shí)，Ic迅速增大但控制在一定範(fàn)圍內(nèi)，電壓撤銷後仍能恢復(fù)。二次擊穿：集射電壓升高至擊穿電壓時(shí)，Ic迅速增大而得不到控制，電壓撤銷後無(wú)法恢復(fù)。2.2.2電壓全控單極型器件﹣功率場(chǎng)效應(yīng)電晶體(PowerMOSFET)MOSFET是一種多數(shù)載流子導(dǎo)電的半導(dǎo)體器件，具有基於金屬(M)-氧化物(O)-半導(dǎo)體(S)構(gòu)成的絕緣柵的結(jié)構(gòu)。有P溝道、N溝道和增強(qiáng)型、耗盡型之分。應(yīng)用於電力電子變換的場(chǎng)效應(yīng)電晶體，稱為功率MOSFET(電力MOSFET)，主要是N溝道增強(qiáng)型。具有工作頻率高、驅(qū)動(dòng)功率小、無(wú)二次擊穿等優(yōu)點(diǎn)，在中、小功率場(chǎng)合應(yīng)用廣泛。1.功率MOSFET的特點(diǎn)3個(gè)極：柵極G、源極S和漏極D以柵極電壓UGS控制漏極電流IDS，柵極電阻非常高,柵極電路基本不用電流。功率MOSFET模組內(nèi)部在漏源極之間並接了一個(gè)快速恢復(fù)二極體，防止反電壓損壞功率MOSFET，同時(shí)為反向電流提供通道。2.功率MOSFET的特性

漏極電流ID和柵源間電壓UGS的關(guān)係稱為MOSFET的轉(zhuǎn)移特性ID較大時(shí)，ID與UGS的關(guān)係近似線性，曲線的斜率定義為跨導(dǎo)Gfs010203050402468102030504001020305040飽和區(qū)非飽和區(qū)截止區(qū)ID/AUTUGS/VUDS/VUGS=UT=3VUGS=4VUGS=5VUGS=6VUGS=7VUGS=8VID/A截止區(qū)(對(duì)應(yīng)GTR的截止區(qū))飽和區(qū)(對(duì)應(yīng)GTR的放大區(qū))）非飽和區(qū)(對(duì)應(yīng)GTR的飽和區(qū))工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，即在截止區(qū)和非飽和區(qū)之間來(lái)回轉(zhuǎn)換。動(dòng)態(tài)特性開(kāi)通延遲時(shí)間td(on)上升時(shí)間tr開(kāi)通時(shí)間ton：td(on)+tr關(guān)斷延遲時(shí)間td(off)下降時(shí)間tf關(guān)斷時(shí)間toff：td(off)+tfRsRGRFRLiDuGSupiD+UEiDOOOuptttuGSuGSPuTtd(on)trtd(off)tf功率MOSFET只靠多子導(dǎo)電，不存在少子儲(chǔ)存效應(yīng)，因而關(guān)斷過(guò)程非常迅速，開(kāi)關(guān)時(shí)間在10~100ns之間，工作頻率可達(dá)100kHz以上，是主要電力電子器件中最高的；作為場(chǎng)控器件，功率MOSFET在靜態(tài)時(shí)幾乎不需輸入柵極電流，但在開(kāi)關(guān)過(guò)程中需對(duì)輸入電容充放電，仍需一定的驅(qū)動(dòng)功率，開(kāi)關(guān)頻率越高，所需要的驅(qū)動(dòng)功率越大。功率MOSFET不存在二次擊穿問(wèn)題，這是它的一大優(yōu)點(diǎn)，但在實(shí)際使用中仍應(yīng)注意留適當(dāng)?shù)碾娏骱碗妷涸Ａ俊?.功率MOSFET的主要參數(shù)

開(kāi)啟電壓UT：又稱閾值電壓，是使漏源間剛導(dǎo)通時(shí)的柵極電壓漏極最大電流ID：表徵功率MOSFET的電流容量通態(tài)電阻Ron：在確定的柵源電壓UGS下，功率MOSFET處?kù)逗懔鲄^(qū)時(shí)的直流電阻。2.2.3電壓全控複合型器件–絕緣柵雙極型電晶體IGBT

GTR(BJT)的特點(diǎn)：雙極型，電流驅(qū)動(dòng)，通流能力很強(qiáng)，開(kāi)關(guān)速度較低，所需驅(qū)動(dòng)功率大，驅(qū)動(dòng)電路複雜。

MOSFET的優(yōu)點(diǎn)：?jiǎn)螛O型，電壓驅(qū)動(dòng)，開(kāi)關(guān)速度快，輸入阻抗高，熱穩(wěn)定性好，所需驅(qū)動(dòng)功率小而且驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單輸入級(jí)MOSFET+輸出級(jí)GTR複合構(gòu)成，結(jié)合二者優(yōu)點(diǎn)?？煽啃愿?、功率大、輸入阻抗高、開(kāi)關(guān)速度快、通態(tài)電壓低、耐壓高、驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單、保護(hù)容易IGBT比GTR有更大的吸引力，有更廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。已成為變頻器、大功率開(kāi)關(guān)電源、逆變器等電力電子裝置的理想功率器件。在變頻器中，IGBT模組已完全取代了GTR。由於IGBT中雙極型PNP電晶體的存在，引入了少子儲(chǔ)存現(xiàn)象，因而IGBT的開(kāi)關(guān)速度低於電力MOSFET。(b)六單元電路(a)二單元電路(c)一單元模組外形IGBT的特性靜態(tài)特性轉(zhuǎn)移特性與MOSFET轉(zhuǎn)移特性類似輸出特性(伏安特性)與GTR的輸出特性類似O有源區(qū)正向阻斷區(qū)飽和區(qū)反向阻斷區(qū)ICUGE(th)UGEOICURMUFMUCEUGE(th)UGE增加動(dòng)態(tài)特性開(kāi)通延遲時(shí)間td(on)上升時(shí)間tr開(kāi)通時(shí)間ton：td(on)+tr關(guān)斷延遲時(shí)間td(off)下降時(shí)間tf關(guān)斷時(shí)間toff：td(off)+tfttt10%90%10%90%UCEIC0O0UGEUGEMICMUCEMtfv1tfv2tofftontfi1tfi2td(off)tftd(on)trUCE(on)UGEMUGEMICMICMIGBT的主要參數(shù)集射極額定電壓UCES：柵極與發(fā)射極短路時(shí)IGBT能承受的耐壓值。柵射極額定電壓UGES：柵極控制信號(hào)的額定值。多數(shù)為+20V。額定集電極電流IC：導(dǎo)通時(shí)能流過(guò)的持續(xù)最大電流。集射極飽和電壓UCE(sat)：正常飽和導(dǎo)通時(shí)集電極-發(fā)射極之間的電壓降，此值越小，管子的功率損耗越小。開(kāi)通時(shí)間ton與關(guān)斷時(shí)間toff：此參數(shù)會(huì)影響開(kāi)關(guān)速度和開(kāi)關(guān)損耗最大集電極功耗PCM：正常工作溫度下允許的最大功耗IGBT參數(shù)的特點(diǎn)開(kāi)關(guān)速度高，開(kāi)關(guān)損耗小，在1000V以上時(shí)，開(kāi)關(guān)損耗只有GTR的1/10，與電力MOSFET相當(dāng)相同電壓和電流定額時(shí)，安全工作區(qū)比GTR大，且具有耐脈衝電流衝擊能力通態(tài)壓降低，特別是在電流較大時(shí)輸入阻抗高，輸入特性與MOSFET類似與MOSFET和GTR相比，耐壓和通流能力還可進(jìn)一步提高，同時(shí)保持開(kāi)關(guān)頻率高的特點(diǎn)2.2.4電壓全控混合型器件—智能功率模組IPM1.IPM的結(jié)構(gòu)原理

IPM(IntelligentPowerModule)是將主開(kāi)關(guān)器件、續(xù)流二極體、驅(qū)動(dòng)電路、電流、電壓、溫度檢測(cè)組件及保護(hù)電路、介面電路等集成在同一封裝體內(nèi)，形成的功率積體電路。ECGNDFOUiUCC欠壓保護(hù)驅(qū)動(dòng)IGBT過(guò)流保護(hù)短路保護(hù)過(guò)熱保護(hù)溫度感測(cè)器＋控制端子主端子UDIGBT2.智能功率模組的封裝形式

IPM主電路有4種形式:單管封裝(H)雙管封裝(D)六合一封裝(C)七合一封裝(R)七合一IPM模組外型七合一封裝的IPM模組IPM有很好的經(jīng)濟(jì)型，除了在工業(yè)變頻器中被大量採(cǎi)用，經(jīng)濟(jì)型IPM也開(kāi)始在一些民用品如簡(jiǎn)易型工業(yè)單相變頻器，家用變頻電器中得到應(yīng)用。在模組額定電流10～1200A範(fàn)圍內(nèi)，通用變頻器均有採(cǎi)用IPM的趨向。交流電動(dòng)機(jī)，特別是鼠籠型非同步電動(dòng)機(jī)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、製造容易、價(jià)格便宜、堅(jiān)固耐用、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小、運(yùn)行可靠、很少維修、使用環(huán)境及結(jié)構(gòu)發(fā)展不受限制。但以前受科技發(fā)展限制，交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速的問(wèn)題未能較好的解決，只有一些調(diào)速性能差、低效高耗能的調(diào)速方法?，F(xiàn)在隨著技術(shù)發(fā)展，交流調(diào)速的問(wèn)題已得到很好的解決，正逐步取代直流調(diào)速系統(tǒng)，在電氣傳動(dòng)領(lǐng)域佔(zhàn)據(jù)統(tǒng)治地位。3.1.1交流電機(jī)調(diào)速方法

交流電機(jī)(同步/非同步)最好的調(diào)速方法——變頻調(diào)速。同步電機(jī)轉(zhuǎn)速：非同步電機(jī)轉(zhuǎn)速：通過(guò)改變電源頻率(供電電壓也隨之變化)實(shí)現(xiàn)的速度調(diào)節(jié)過(guò)程稱為變頻調(diào)速。3.1交-直-交變頻調(diào)速基本原理

變頻調(diào)速的裝置稱為變頻器。集電力電子功率變換器與控制器及電量檢測(cè)器於一體。3.1.2變頻交流調(diào)速相關(guān)技術(shù)PWM控制技術(shù)向量變換控制技術(shù)直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)微型電腦控制技術(shù)及積體電路技術(shù)網(wǎng)路通信與現(xiàn)場(chǎng)匯流排技術(shù)3.1.3交-直-交變頻器的基本電路變頻器主電路變頻器控制電路3.1.4三相電壓型逆變器基本工作原理

三相電壓型逆變器基本電路

每隔60o電角度改變開(kāi)關(guān)狀態(tài)，一個(gè)週期共換相六次，對(duì)應(yīng)六個(gè)不同的工作狀態(tài)(六拍)。根據(jù)功率開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通持續(xù)時(shí)間不同，分為：180o導(dǎo)電型120o導(dǎo)電型180o導(dǎo)電型逆變器的電壓波形

特點(diǎn)：每只功率開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)間皆為180o。按Sl→S6的順序?qū)總€(gè)工作狀態(tài)下都有三只功率開(kāi)關(guān)同時(shí)導(dǎo)通，形成三相負(fù)載同時(shí)通電。工作狀態(tài)（拍）每個(gè)工作狀態(tài)下被導(dǎo)通的功率開(kāi)關(guān)狀態(tài)①（0o~60o）S1S5S6狀態(tài)②（60o~120o）S1S2S6狀態(tài)③（120o~180o）S1S2S3狀態(tài)④（180o~240o）S2S3S4狀態(tài)⑤（240o~300o）S3S4S5狀態(tài)⑥（300o~360o）S4S5S61234561負(fù)載相電壓：以狀態(tài)①為例，此時(shí)功率開(kāi)關(guān)S1、S5、S6導(dǎo)通。負(fù)載線電壓狀態(tài)1線電壓

uAB=UduBC=-UduCA=0

120o導(dǎo)電型逆變器的電壓波形

特點(diǎn)：每只功率開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)間皆為120o。按Sl→S6的順序?qū)總€(gè)工作狀態(tài)下都有兩只功率開(kāi)關(guān)同時(shí)導(dǎo)通，形成兩相負(fù)載同時(shí)通電。換流在相鄰橋臂中進(jìn)行，安全。相電壓波形為矩形波，幅值為Ud/2；線電壓為梯形波，幅值為Ud

。電壓輸出低。1234561六脈波方式諧波成分比較大，會(huì)影響電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的平穩(wěn)；電動(dòng)機(jī)是感性負(fù)載，電源頻率降低時(shí)，感抗減小，如果電源電壓不變電流將增加，會(huì)造成過(guò)電流，因此變頻的同時(shí)還需改變電壓的大小。實(shí)現(xiàn)變壓變頻控制，可採(cǎi)用可控整流方法，在逆變器變頻的同時(shí)，改變直流環(huán)節(jié)電壓大小，即脈衝幅度調(diào)製(PAM)。脈寬調(diào)製(PWM)控制方式在直流環(huán)節(jié)電壓不變情況下，可改變輸出電壓的大小，還能改善波形。目前中小功率的逆變電路幾乎不採(cǎi)用PAM，而都採(cǎi)用PWM技術(shù)。3.1.5脈寬調(diào)製(PWM)控制技術(shù)

利用全控型電力電子器件的導(dǎo)通和關(guān)斷把直流電壓變成一定形狀的電壓脈衝序列，實(shí)現(xiàn)變壓、變頻控制並且消除諧波的技術(shù)。交流調(diào)速中，為使輸出電壓或電流波形接近於正弦波形，所採(cǎi)用的PWM技術(shù)—正弦PWM(SPWM)電壓SPWM電流SPWM磁通SPWM(電壓空間向量PWM,SVPWM)1.電壓正弦波脈寬調(diào)製法的基本思想

衝量相等而形狀不同窄脈衝加在具有慣性環(huán)節(jié)上時(shí)，其效果基本相同。PWM控制技術(shù)以該理論為基礎(chǔ)，對(duì)半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)器件通斷進(jìn)行控制，在輸出端得到一系列幅值相等而寬度可以按一定規(guī)律變化的脈衝，用這些脈衝來(lái)代替正弦波或其他所需要波形。按一定規(guī)則對(duì)各脈衝寬度進(jìn)行調(diào)製，既可改變逆變電路輸出電壓大小，也可改變輸出頻率。這一系列脈衝寬度可以用計(jì)算方法求得，但較為實(shí)用的方法是採(cǎi)用“調(diào)製”方法。2.電壓正弦波脈寬調(diào)製法的工作原理

調(diào)製波(Modulatingwave):

所希望的正弦波形ur

載波(Carrierwave):

用以調(diào)製的等腰三角波uc，以頻率比調(diào)製波高得多。urucuOwt基本思想：等腰三角波與正弦波曲線在相交時(shí)刻產(chǎn)生控制信號(hào)，用來(lái)控制功率開(kāi)關(guān)器件的通斷，得到一組等幅但脈衝寬度正比於對(duì)應(yīng)區(qū)間正弦波曲線函數(shù)值的矩形脈衝。改變參考信號(hào)ur幅值，脈寬隨之改變，逆變器輸出電壓大小改變；改變ur頻率，輸出電壓頻率隨之改變。一般，參考信號(hào)ur幅值須小於三角波幅值，否則無(wú)法得出輸出電壓大小和頻率的配合關(guān)係。3.單極性與雙極性SPWM調(diào)製模式

單極性三角波調(diào)製法

參加調(diào)製的三角載波和調(diào)製正弦波在半個(gè)週期內(nèi)極性不變。單極性調(diào)製時(shí)，逆變器在正弦波的半個(gè)週期內(nèi)每相只有一個(gè)開(kāi)關(guān)器件開(kāi)通或關(guān)斷。單相逆變器可以採(cǎi)用。雙極性三角波調(diào)製法

參加調(diào)製的三角載波和調(diào)製正弦波在任何時(shí)候都具有正負(fù)極性變化。雙極性調(diào)製時(shí)，逆變器同一橋臂上下兩個(gè)開(kāi)關(guān)器件交替通斷，互補(bǔ)工作。容易引起電源短路，必須增加延時(shí)觸發(fā)裝置三相逆變電路常用此方法。多電平電壓源型逆變器

在高電壓、大容量交-直-交電壓源型變頻器，為減少開(kāi)關(guān)損耗和開(kāi)關(guān)承受電壓，改善輸出電壓波形、減少轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，採(cǎi)用增加直流側(cè)電平的方法。三電平逆變器(NPC)相電壓P狀態(tài)：VT1、VT2導(dǎo)通，VT3、VT4關(guān)斷時(shí)，輸出相電壓為+E/2N狀態(tài)：VT3、VT4導(dǎo)通，VT1、VT2關(guān)斷時(shí)，輸出相電壓為－E/2C狀態(tài)：VT2和D1導(dǎo)通，或VT3和D2導(dǎo)通，輸出電壓為03個(gè)電平線電壓相電壓相加減，得出5個(gè)電平即±E/2、±E和0電平的增加可使輸出電壓更接近正弦一般規(guī)定：每相的開(kāi)關(guān)狀態(tài)只能從P到C、C到N，或者從N到C、C到P，不能直接從P到N或者從N到P；這種電路直通誤觸發(fā)的危險(xiǎn)性很小，適宜於大功率。SPWM變頻器電路原理主電路控制電路3.2不同控制方式的交-直-交變頻調(diào)速系統(tǒng)

早期的通用變頻器大多為開(kāi)環(huán)恒壓頻比(V/f=常數(shù))控制方式。針對(duì)開(kāi)環(huán)恒壓頻比控制方式的改進(jìn)：電壓空間向量控制法、頻率補(bǔ)償控制法、引入電壓和電流閉環(huán)控制等。向量控制—西門子直接轉(zhuǎn)矩控制—ABB、安川3.2.1恒壓頻比控制的變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)

1.恒壓頻比控制方式

氣隙磁通在定子每相繞組中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)有效值ES為NS為定子每相繞組串聯(lián)匝數(shù)；KS為基波繞組係數(shù)；Φm為電機(jī)氣隙中每極合成磁通最大值如果僅減小頻率，其他不變，磁通增大，鐵芯飽和，繞組電流過(guò)大，燒壞電機(jī)。保證Φm=Const故當(dāng)頻率fS從額定值(基頻)向下(降低)調(diào)節(jié)時(shí)，必須同時(shí)降低ES，即ES

/fS為常數(shù)的機(jī)械特性然而感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)ES難以檢測(cè)和控制，實(shí)際可以檢測(cè)和控制的是定子電壓US。定子回路相量方程當(dāng)定子頻率較高時(shí)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)ES也較大，此時(shí)可忽略定子阻抗壓降，認(rèn)為定子相電壓US≈ES，為此在實(shí)際工程中是以US代替ES而獲得電壓與頻率之比為常數(shù)的恒壓頻比控制方程式，即US0≈ISRSUSUSNfSfSNⅠⅡ

恒壓頻比控制特性恒壓頻比控制成立的前提是忽略定子阻抗壓降，是在fS較小時(shí)，ES也較小，定子阻抗壓降比重增大，不能忽略。為了讓此控制方式在低頻也能應(yīng)用，實(shí)際中根據(jù)負(fù)載電流大小把定子相電壓US適當(dāng)抬高，以補(bǔ)償定子阻抗壓降的影響。通過(guò)補(bǔ)償，電動(dòng)機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩得以提升，通常把補(bǔ)償措施也稱之為轉(zhuǎn)矩提升(TorqueBoost)基頻以下機(jī)械特性補(bǔ)償量需適中。如果補(bǔ)償偏小(欠補(bǔ)償)，磁通量下降，低頻時(shí)電動(dòng)機(jī)會(huì)有堵轉(zhuǎn)現(xiàn)象；如果補(bǔ)償偏大(過(guò)補(bǔ)償)，磁通量上升，電動(dòng)機(jī)有過(guò)電流的危險(xiǎn)。2.基頻以上變頻控制方式

電壓不允許超過(guò)額定電壓，否則損壞絕緣。恒壓頻比控制方式只適用於基頻(額定頻率)及以下的變頻調(diào)速。基頻以上只能保持電壓不變，f1越高，轉(zhuǎn)速升高，Φm越弱(恒壓弱磁升速)。相當(dāng)於直流電機(jī)弱磁調(diào)速。非同步電動(dòng)機(jī)調(diào)速時(shí)控制特性3.恒轉(zhuǎn)矩控制和恒功率控制

(1)恒轉(zhuǎn)矩控制含義負(fù)載具有恒轉(zhuǎn)矩特性電動(dòng)機(jī)在速度變化的動(dòng)態(tài)過(guò)程中具有輸出恒定轉(zhuǎn)矩的能力基頻以下的恒壓頻比控制屬於恒轉(zhuǎn)矩控制。(2)恒功率控制含義負(fù)載具有恒功率的轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速特性電機(jī)具有輸出恒功率能力基頻以上的恒壓頻比控制屬於恒功率控制?；l以下和以上集合在一起的機(jī)械特性3.2.2向量控制的調(diào)速系統(tǒng)恒壓頻比控制基於非同步電動(dòng)機(jī)靜態(tài)數(shù)學(xué)模型，只控制了被控變數(shù)的幅值，而沒(méi)有控制到相位，雖然基本解決了非同步電動(dòng)機(jī)平滑調(diào)速的問(wèn)題，獲得良好的靜態(tài)性能，但在動(dòng)態(tài)過(guò)程中不能獲得良好的動(dòng)態(tài)回應(yīng)。低頻特性差，啟動(dòng)及低速時(shí)轉(zhuǎn)矩動(dòng)態(tài)回應(yīng)等方面的性能不令人滿意。直流電動(dòng)機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)具有優(yōu)良的靜、動(dòng)態(tài)調(diào)速特性，其根本原因在於作為控制對(duì)象的他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩能夠容易而靈活地進(jìn)行控制。交流電動(dòng)機(jī)是否可以模仿直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩控制規(guī)律而加以控制，使交流電機(jī)能達(dá)到直流電機(jī)的調(diào)速性能呢？

1971年德國(guó)學(xué)者Blaschke等人首先提出的向量變換控制(TransVectorControl)實(shí)現(xiàn)了這種控制思想。向量變換控制成功地解決了交流電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩的有效控制，使交流電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)具有了直流調(diào)速系統(tǒng)的全部?jī)?yōu)點(diǎn)，是當(dāng)今工業(yè)生產(chǎn)中得到普遍應(yīng)用的高性能交流調(diào)速系統(tǒng)。1.直流電動(dòng)機(jī)和非同步電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩控制

在機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程由上式，轉(zhuǎn)速是通過(guò)電磁轉(zhuǎn)矩來(lái)改變的。機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的好壞，除了受系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量影響外，取決於電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩的控制性能。如能實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩的直接快速控制，將會(huì)大大提高傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。2.直流電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩控制

直流電動(dòng)機(jī)的優(yōu)異的調(diào)速性能是因?yàn)榫邆淞巳缦氯齻€(gè)條件：磁極固定在定子機(jī)座上，在空間產(chǎn)生一個(gè)穩(wěn)定直流磁場(chǎng)。則電樞磁勢(shì)的軸線與主極磁場(chǎng)軸線垂直，與交軸重合。電樞磁勢(shì)保持與磁場(chǎng)相垂直時(shí)，最能有效產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。勵(lì)磁電流和電樞電流在各自回路中，兩者各自獨(dú)立，互不影響，分別可單獨(dú)調(diào)控。直流電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩公式直流電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩具有控制容易而又靈活的特點(diǎn)。3.非同步電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩控制任何電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩在本質(zhì)上都是電機(jī)內(nèi)部?jī)蓚€(gè)磁場(chǎng)相互作用的結(jié)果。非同步電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩公式為非同步電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩控制比直流電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩控制複雜得多，主要表現(xiàn)在：非同步電機(jī)定子磁勢(shì)、轉(zhuǎn)子磁勢(shì)及合成的氣隙磁勢(shì)均是以同步角速度在空間旋轉(zhuǎn)的向量。定子磁勢(shì)和氣隙磁勢(shì)之間的夾角θs不等於90°轉(zhuǎn)子磁勢(shì)與氣隙磁勢(shì)之間的夾角θr也不等於90°如果Фm、Fr的模值為已知，還需知道它們空間向量的夾角θr，才可求出電磁轉(zhuǎn)矩。非同步電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩公式還可寫為非同步電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩是氣隙磁場(chǎng)和轉(zhuǎn)子磁勢(shì)相互作用的結(jié)果，且受轉(zhuǎn)子電路功率因數(shù)的制約。Фm

，Ir

，cosφr都是轉(zhuǎn)差率S的函數(shù)；Фm是定子磁勢(shì)和轉(zhuǎn)子磁勢(shì)合成產(chǎn)生的，並不恒定；對(duì)於籠形非同步電動(dòng)機(jī)而言可以直接測(cè)量和進(jìn)行控制的量是定子電流iS，它是轉(zhuǎn)子電流ir的歸算值ir’與勵(lì)磁電流im的和。如要對(duì)轉(zhuǎn)矩進(jìn)行有效控制，必須要將ir和im從is中分離出來(lái)。直流電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩關(guān)係簡(jiǎn)單，容易控制；交流電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩關(guān)係複雜，難以控制。但交、直流電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的規(guī)律有著共同的基礎(chǔ)，通過(guò)等效變換，可以將交流電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制轉(zhuǎn)化為直流電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制的模式，從而解決控制交流電機(jī)的困難。4.向量控制的基本思想

由非同步電動(dòng)機(jī)磁勢(shì)、磁通空間向量圖可見(jiàn)，通過(guò)控制定子磁勢(shì)Fs的模、或控制轉(zhuǎn)子磁勢(shì)Fr的模及其他們的空間位置，就能達(dá)到控制電機(jī)轉(zhuǎn)矩的目的?？刂艶s或Fr的模值，可以通過(guò)控制各相電流的幅值來(lái)實(shí)現(xiàn)，而空間位置可以通過(guò)控制各相電流的暫態(tài)相位來(lái)實(shí)現(xiàn)。因此，只要能實(shí)現(xiàn)對(duì)非同步電動(dòng)機(jī)定子各相電流的暫態(tài)控制，就能對(duì)非同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的實(shí)施有效控制。非同步電動(dòng)機(jī)三相對(duì)稱定子繞組中，通入對(duì)稱的三相正弦交流電流iA，iB，iC時(shí)，則形成三相基波合成旋轉(zhuǎn)磁勢(shì)。產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)不一定非要三相繞組不可，除單相外任意多相對(duì)稱繞組，通入多相對(duì)稱正弦電流，均能產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)位置互差90°的兩相定子繞組，當(dāng)通入兩相對(duì)稱正弦電流時(shí)，也產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。如果該兩相繞組旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)大小、轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)向與三相繞組所產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)完全相同，則兩套交流繞組等效。三相交流繞組中的正弦電流iA、iB、iC與兩相交流繞組中的正弦交流電流iα、iβ間必存在確定的變換關(guān)係。兩繞組分別通入直流電，如果人為地使這兩個(gè)繞組旋轉(zhuǎn)起來(lái)，則也可產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。若使旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的大小、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向與兩相交流繞組及三相交流繞組產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)均相同，則M-T直流繞組與α-β交流繞組及A-B-C交流繞組等效。這時(shí)α-β交流繞組中的交流電流與M-T直流繞組中的直流電流iM、iT之間必存在著確定的變換關(guān)係直流電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁繞組是空間上固定的直流繞組，而電樞繞組是旋轉(zhuǎn)的繞組，但其磁勢(shì)在空間上方向固定，稱為“偽靜止繞組”。直流電機(jī)的勵(lì)磁繞組和電樞繞組就可以用空間上互差90°的直流繞組來(lái)等效。當(dāng)觀察者站在M-T繞組上與其一起旋轉(zhuǎn)，他所看到的就是一臺(tái)直流電機(jī)。M繞組即勵(lì)磁繞組，T繞組即電樞繞組，M繞組中的直流電流iM稱為勵(lì)磁電流分量，T繞組中的直流電流iT稱為轉(zhuǎn)矩電流分量。由於α-β兩相交流繞組又與A-B-C三相交流繞組等效，故M-T直流繞組與A-B-C交流繞組等效。M-T直流繞組中的電流iM、iT與三相電流iA、iB、iC之間必存在著確定關(guān)係，除了規(guī)定M-T兩軸的垂直關(guān)係和旋轉(zhuǎn)角速度，還需對(duì)M-T軸坐標(biāo)系的取向加以規(guī)定。選擇特定的同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，即確定M-T軸坐標(biāo)系的取向，稱為定向。選擇電機(jī)某個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的軸作為該同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)軸，稱為磁場(chǎng)定向(FieldOrientation)。對(duì)於非同步電動(dòng)機(jī)向量控制系統(tǒng)，磁場(chǎng)定向軸的選擇有三種：轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向氣隙磁場(chǎng)定向定子磁場(chǎng)定向選擇按轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向即將M軸取為轉(zhuǎn)子全磁鏈向量Ψr

的軸。轉(zhuǎn)子磁鏈僅由定子電流勵(lì)磁分量iM產(chǎn)生，與轉(zhuǎn)矩分量iT無(wú)關(guān)，從這個(gè)意義上看，定子電流的勵(lì)磁分量與轉(zhuǎn)矩分量是解耦的。TM按轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向後的等效直流電機(jī)MT非同步電機(jī)座標(biāo)變換結(jié)構(gòu)圖3/2VR等效直流電機(jī)模型ABC

iAiBiCitimi

i

非同步電動(dòng)機(jī)3/2——三相/兩相變換;VR——同步旋轉(zhuǎn)變換;

——M軸與

軸（A軸）的夾角向量變換控制過(guò)程框圖由於將直流標(biāo)量作為原始的控制量，再將其變換成交流量去控制交流電機(jī)，變換是通過(guò)向量座標(biāo)變換實(shí)現(xiàn)的，故稱為向量變換控制系統(tǒng)(TransVectorControlSystem)，通常簡(jiǎn)稱為向量控制系統(tǒng)(VectorControlSystem，VC系統(tǒng))。因?yàn)樾枰M(jìn)行磁場(chǎng)的定向，故向量控制系統(tǒng)也稱為磁場(chǎng)定向控制系統(tǒng)。按轉(zhuǎn)子全磁鏈(全磁通)定向的非同步電動(dòng)機(jī)向量控制系統(tǒng)稱為非同步電動(dòng)機(jī)按轉(zhuǎn)子磁鏈(磁通)定向的向量控制系統(tǒng)。具體定向計(jì)算中要用到轉(zhuǎn)子磁鏈向量的模Ψr及磁場(chǎng)定向角(M軸與軸的夾角)，而這兩個(gè)量都難以直接測(cè)量，只能建立轉(zhuǎn)子磁鏈觀測(cè)模型，通過(guò)容易檢測(cè)的物理計(jì)算觀測(cè)。目前實(shí)際應(yīng)用的向量控制系統(tǒng)，是通過(guò)檢測(cè)電機(jī)的定子電壓、電流及轉(zhuǎn)速等物理量，利用轉(zhuǎn)子磁鏈觀測(cè)模型，即時(shí)計(jì)算轉(zhuǎn)子磁鏈的模和空間位置。向量控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)

控制器VR-12/3電流控制變頻器3/2VR等效直流電機(jī)模型+i*mi*t

si*

i*

i*Ai*Bi*CiAiBiCi

iβimit~回饋信號(hào)非同步電動(dòng)機(jī)給定信號(hào)

5.帶轉(zhuǎn)矩內(nèi)環(huán)的轉(zhuǎn)速、磁鏈閉環(huán)非同步電動(dòng)機(jī)向量控制系統(tǒng)6.無(wú)速度感測(cè)器的向量控制系統(tǒng)

要達(dá)到高精度的轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制及磁場(chǎng)定向的需要，必不可少的要在電機(jī)軸上安裝速度感測(cè)器，回饋實(shí)際轉(zhuǎn)速信號(hào)。但許多場(chǎng)合不允許外裝任何速度和位置檢測(cè)元件。隨著交流調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展和實(shí)際應(yīng)用需要，國(guó)內(nèi)外展開(kāi)了無(wú)速度感測(cè)器的交流調(diào)速系統(tǒng)研究，成為交流調(diào)速技術(shù)一個(gè)重要的應(yīng)用研究領(lǐng)域。無(wú)速度感測(cè)器調(diào)速系統(tǒng)：取消速度檢測(cè)裝置，通過(guò)間接計(jì)算法求出電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速值，作為轉(zhuǎn)速回饋信號(hào)?，F(xiàn)有很多方案。以基於轉(zhuǎn)子磁鏈定向的無(wú)速度感測(cè)器轉(zhuǎn)差型向量控制系統(tǒng)為例介紹。系統(tǒng)在電機(jī)定子側(cè)裝設(shè)電壓感測(cè)器和電流感測(cè)器，根據(jù)檢測(cè)到的電壓電流值及電機(jī)的參數(shù)，由轉(zhuǎn)速推算器估算出電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速。轉(zhuǎn)速推算器受轉(zhuǎn)子參數(shù)變化的影響，因而基於轉(zhuǎn)子磁鏈定向的轉(zhuǎn)速推算器還需要考慮轉(zhuǎn)子參數(shù)的自適應(yīng)控制技術(shù)。轉(zhuǎn)速推算器的實(shí)用性還取決於推算精度和計(jì)算速度，故必須採(cǎi)用高速微處理器才能實(shí)現(xiàn)。無(wú)速度感測(cè)器向量控制不需要外接轉(zhuǎn)速感測(cè)器，方便了用戶。但與有回饋向量控制相比，在機(jī)械特性、低頻特性和動(dòng)態(tài)回應(yīng)性能等方面存在不足。對(duì)於一些要求有較硬機(jī)械特性，但調(diào)速範(fàn)圍不很廣，對(duì)動(dòng)態(tài)回應(yīng)要求不高的場(chǎng)合，可以採(cǎi)用該方式。3.2.3直接轉(zhuǎn)矩控制的調(diào)速系統(tǒng)概述

1.直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)的誕生與發(fā)展

自從70年代向量控制技術(shù)發(fā)展以來(lái)，從理論上解決了交流調(diào)速系統(tǒng)在靜、動(dòng)態(tài)性能上與直流傳動(dòng)相媲美的問(wèn)題。然而，在實(shí)際上由於轉(zhuǎn)子磁鏈難以準(zhǔn)確觀測(cè)，且系統(tǒng)受電動(dòng)機(jī)參數(shù)影響較大，以及控制過(guò)程中所用向量旋轉(zhuǎn)變換的複雜性，使得實(shí)際控制效果難以達(dá)到理論預(yù)期。1977年由A.B.Piunkett首先提出直接轉(zhuǎn)矩控制思想。1985年德國(guó)魯爾大學(xué)的Depenbrock教授首次取得了實(shí)際應(yīng)用的成功。直接轉(zhuǎn)矩控制在很大程度上解決了向量控制中計(jì)算複雜、特性易受電動(dòng)機(jī)參數(shù)變化影響、實(shí)際性能難以達(dá)到理論分析結(jié)果的一些重要技術(shù)問(wèn)題。直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)一誕生，就以自己新穎的控制思想，簡(jiǎn)潔明瞭的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，優(yōu)良的靜、動(dòng)態(tài)性能受到了普遍的關(guān)注並得到了迅速的發(fā)展。2.直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的特性

採(cǎi)用直接轉(zhuǎn)矩控制的非同步電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)，電機(jī)磁場(chǎng)接近圓形，諧波小，損耗低，雜訊及溫升小。特點(diǎn)：直接在定子坐標(biāo)系下分析交流電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型，控制電動(dòng)機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩。磁場(chǎng)定向採(cǎi)用的是定子磁鏈軸，只要知道定子電阻就可以觀測(cè)。採(cǎi)用空間向量的概念來(lái)分析三相交流電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型和控制各物理量，使問(wèn)題簡(jiǎn)化。直接轉(zhuǎn)矩控制強(qiáng)調(diào)的是轉(zhuǎn)矩的直接控制效果。與向量控制不同，直接轉(zhuǎn)矩控制不通過(guò)控制電流、磁鏈等量來(lái)間接控制轉(zhuǎn)矩，而把轉(zhuǎn)矩直接作為被控量。通過(guò)轉(zhuǎn)矩兩點(diǎn)式調(diào)節(jié)器把轉(zhuǎn)矩檢測(cè)值與轉(zhuǎn)矩給定值作滯環(huán)比較，把轉(zhuǎn)矩波動(dòng)限制在一定的容差範(fàn)圍內(nèi)。控制效果取決於轉(zhuǎn)矩的實(shí)際狀況，控制既直接又簡(jiǎn)單。直接轉(zhuǎn)矩控制(DirectTorqueControl)也稱之為直接自控制(DirectSelf-Control)。3.直接轉(zhuǎn)矩控制的基本思想電機(jī)轉(zhuǎn)速的變化與電機(jī)的轉(zhuǎn)矩有著直接而又簡(jiǎn)單的關(guān)係，電機(jī)的轉(zhuǎn)矩影響其轉(zhuǎn)速?？刂坪驼{(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速的關(guān)鍵是有效地控制和調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩。由電機(jī)統(tǒng)一理論可知，電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩是由定子磁勢(shì)向量Fs，轉(zhuǎn)子產(chǎn)生轉(zhuǎn)子磁勢(shì)向量Fr，合成磁勢(shì)向量F∑相互作用產(chǎn)生的，即等於它們中任何兩個(gè)向量的向量積。非同步電動(dòng)機(jī)的Fs、Fr、F∑

均以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，彼此相對(duì)靜止。故可以通過(guò)控制兩磁勢(shì)向量的幅值和兩磁勢(shì)向量之間的夾角來(lái)控制非同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩。但這些向量在非同步電動(dòng)機(jī)定子坐標(biāo)系中都是交流量，給控制帶來(lái)了困難。直接轉(zhuǎn)矩控制直接在定子坐標(biāo)系上用交流量計(jì)算轉(zhuǎn)矩。轉(zhuǎn)矩等於Fs和F∑的向量積，而Fs正比於定子電流向量is，F(xiàn)∑比例於磁鏈向量Ψm，故轉(zhuǎn)矩與定子電流向量及磁鏈向量Ψm的大小和二者夾角有關(guān)。並且定子電流向量可直接檢測(cè)得到，磁鏈向量Ψm可從電機(jī)的磁鏈模型中獲得。在定子坐標(biāo)系中求得實(shí)際轉(zhuǎn)矩後，由轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器，形成轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制系統(tǒng)，可獲得與向量變換控制系統(tǒng)相接近的靜、動(dòng)態(tài)調(diào)速性能指標(biāo)。從控制轉(zhuǎn)矩角度看，只關(guān)心電流和磁鏈的乘積，並不介意磁鏈本身的變化。但磁鏈與電機(jī)的運(yùn)行性能密切相關(guān)。磁鏈與電機(jī)的電壓、電流、效率、溫升、轉(zhuǎn)速、功率因數(shù)有關(guān)。從電機(jī)合理運(yùn)行角度出發(fā)，希望保持磁鏈幅值恒定。因此要對(duì)磁鏈進(jìn)行必要的控制。同控制轉(zhuǎn)矩一樣，設(shè)置磁鏈調(diào)節(jié)器構(gòu)成磁鏈閉環(huán)控制系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)控制磁鏈幅值為恒定的目的。目前控制磁鏈有兩種方案讓磁鏈向量基本上沿圓形軌跡運(yùn)動(dòng)(日本學(xué)者高橋勳教授)讓磁鏈向量沿六邊形軌跡運(yùn)動(dòng)(德國(guó)學(xué)者Depenbrock)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)基本思路框圖性能與特點(diǎn)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)向量控制系統(tǒng)磁鏈控制定子磁鏈轉(zhuǎn)子磁鏈轉(zhuǎn)矩控制砰-砰控制，有轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)連續(xù)控制，比較平滑座標(biāo)變換靜止座標(biāo)變換，較簡(jiǎn)單旋轉(zhuǎn)座標(biāo)變換，較複雜轉(zhuǎn)子參數(shù)變化影響無(wú)有調(diào)速範(fàn)圍不夠?qū)挶容^寬直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)和向量控制系統(tǒng)特點(diǎn)及性能比較各種品牌變頻器3.3通用變頻器的外部介面電路

通用變頻器是由主電路和控制電路組成?？刂齐娐钒ǎ褐骺刂齐娐贰⒅麟娐夫?qū)動(dòng)電路、信號(hào)檢測(cè)電路、保護(hù)電路、外部介面電路、數(shù)字操作顯示盒。主控制電路是變頻器的運(yùn)行指揮中心，是一個(gè)高性能的微處理器。3.3.1變頻器主電路端子連接

MM440變頻器主電路接線方法3.3.2變頻器控制端子多功能數(shù)字量輸入端子

多功能數(shù)字量輸出端子

模擬量輸入端子

模擬量輸出端子

通信端子

數(shù)字操作顯示面板

擴(kuò)張端子擴(kuò)展模組

主回路介面控制回路介面模擬量輸入模擬量輸出通訊介面控制回路介面開(kāi)關(guān)量輸入開(kāi)關(guān)量輸出編碼器介面3.4通用變頻器的主要控制功能

3.4.1變頻器頻率設(shè)定功能1.變頻器中頻率的名稱與功能給定頻率輸出頻率基本頻率上限頻率(最高頻率)和下限頻率(最低頻率)回避頻率(跳轉(zhuǎn)頻率)點(diǎn)動(dòng)頻率載波頻率跳轉(zhuǎn)頻率跳轉(zhuǎn)頻率寬度2.變頻器頻率給定方式面板給定方式外接模擬量給定外接數(shù)字量給定(多段速頻率給定)直接選擇型：一個(gè)數(shù)字量輸入端對(duì)應(yīng)一個(gè)固定頻率設(shè)定值，控制信號(hào)直接選用固定頻率，如果幾個(gè)輸入信號(hào)同時(shí)有效則所選用的固定頻率疊加。二進(jìn)位編碼選擇型：通過(guò)多功能輸入端子的邏輯組合，可以選擇多段頻率進(jìn)行多段速運(yùn)行。四數(shù)字輸入端二進(jìn)位編碼速度表

端子信號(hào)固定速度DIN4DIN3DIN2DIN1停止?fàn)顟B(tài)0000P1001固定速度10001P1002固定速度20010P1003固定速度30011P1004固定速度40100P1005固定速度50101P1006固定速度60110P1007固定速度70111P1008固定速度81000P1009固定速度91001P1010固定速度101010P1011固定速度111011P1012固定速度121100P1013固定速度131101P1014固定速度141110P1015固定速度151111邏輯組合信號(hào)對(duì)應(yīng)的給定頻率數(shù)量是有限的，所以外接數(shù)字量給定是多段速頻率給定，屬有級(jí)調(diào)速。外接脈衝給定通信給定3.4.2變頻器運(yùn)轉(zhuǎn)控制功能

變頻器運(yùn)轉(zhuǎn)控制功能是變頻器的基本運(yùn)行功能，用以控制電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)、停止、正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)、正向點(diǎn)動(dòng)與反向點(diǎn)動(dòng)、複位等。變頻器的運(yùn)轉(zhuǎn)控制可以通過(guò)操作器鍵盤、輸入端子、通信方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。1.操作器鍵盤運(yùn)轉(zhuǎn)控制最簡(jiǎn)單直接的運(yùn)轉(zhuǎn)控制方法通過(guò)操作器鍵盤上的運(yùn)行鍵、停止鍵、點(diǎn)動(dòng)鍵和複位鍵來(lái)直接控制變頻器的運(yùn)轉(zhuǎn)，通過(guò)操作器鍵盤上的指示燈和顯示器觀察變頻器的運(yùn)行狀態(tài)資訊和故障報(bào)警資訊?，F(xiàn)場(chǎng)控制，一般在調(diào)試時(shí)使用2.外部輸入端子運(yùn)轉(zhuǎn)控制

通過(guò)輸入端子從外部輸入開(kāi)關(guān)信號(hào)來(lái)控制變頻器的運(yùn)轉(zhuǎn)。連接在輸入端子上的按鈕、選擇開(kāi)關(guān)、繼電器觸點(diǎn)或PLC觸點(diǎn)替代了操作器鍵盤上的運(yùn)行鍵、停止鍵、點(diǎn)動(dòng)鍵和複位鍵的功能，可以在遠(yuǎn)距離控制變頻器的運(yùn)轉(zhuǎn)。變頻器實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)非常簡(jiǎn)單，只需改變控制回路，無(wú)須改變主回路。正反轉(zhuǎn)控制兩線式控制模式三線式控制模式點(diǎn)動(dòng)控制由於工序要求或設(shè)備調(diào)試調(diào)整需要，還需點(diǎn)動(dòng)運(yùn)行，即按下按鈕時(shí)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)工作，手松開(kāi)按鈕時(shí)電動(dòng)機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)。操作器鍵盤上有一個(gè)電動(dòng)機(jī)點(diǎn)動(dòng)鍵(JOG)。在變頻器無(wú)輸出的情況下按此鍵，將使電動(dòng)機(jī)起動(dòng)，並按預(yù)設(shè)定的點(diǎn)動(dòng)頻率運(yùn)行；釋放此鍵時(shí)變頻器停車。如果變頻器/電動(dòng)機(jī)正在運(yùn)行，按此鍵將不起作用。點(diǎn)動(dòng)運(yùn)行頻率和點(diǎn)動(dòng)加減速時(shí)間均在參數(shù)內(nèi)設(shè)置。也可將變頻器兩個(gè)多功能輸入端定義為正向點(diǎn)動(dòng)和反向點(diǎn)動(dòng)功能，通過(guò)其外接按鈕實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的正反點(diǎn)動(dòng)控制。3.通信運(yùn)行控制

以串行通信方式向變頻器傳送運(yùn)行信號(hào)，控制變頻器的啟動(dòng)、停止、點(diǎn)動(dòng)、故障複位等功能。運(yùn)行控制信號(hào)和速度給定信號(hào)是在某一個(gè)通信協(xié)議格式下同時(shí)傳送的。3.4.3變頻器的升速和啟動(dòng)功能

為了限制啟動(dòng)電流，需要對(duì)變頻器輸出頻率的上升速度加以限制。1.升速時(shí)間設(shè)定

變頻器從零速加速到最高頻率所需的時(shí)間升速時(shí)間長(zhǎng)可以減小起動(dòng)電流，減少機(jī)械衝擊，但過(guò)長(zhǎng)又浪費(fèi)時(shí)間。準(zhǔn)確計(jì)算升速時(shí)間比較困難，實(shí)際中，一般把升速時(shí)間設(shè)置長(zhǎng)一些，觀察起動(dòng)過(guò)程電流情況，再逐漸減少升速時(shí)間。2.升速方式選擇各種變頻器為用戶提供的有三種升速方式：直線形方式、S形方式、半S形方式。直線形升速方式

S形升速方式

三個(gè)時(shí)間階段上升曲線平滑圓弧起始段固定斜率直線上升段上升曲線平滑圓弧結(jié)束段S形曲線升速速度和加速度均是平滑變化，衝擊小。半S形升速方式

對(duì)S形升速方式的簡(jiǎn)化，只在升速的起始段或結(jié)束段採(cǎi)用平滑圓弧，其餘採(cǎi)用斜率固定的直線升速。風(fēng)機(jī)類負(fù)載，適合採(cǎi)用上升曲線的結(jié)束端是平滑圓弧的半S形升速方式。對(duì)於慣性較大的負(fù)載可以考慮採(cǎi)用上升曲線的起始端是平滑圓弧的半S形升速方式。3.與升速有關(guān)的其他功能起動(dòng)頻率設(shè)定對(duì)於慣性較大、靜態(tài)摩擦轉(zhuǎn)矩也較大的負(fù)載，起動(dòng)時(shí)要有一定的衝擊力才易於起動(dòng)對(duì)變頻器設(shè)置一個(gè)起動(dòng)頻率，使電機(jī)在起動(dòng)時(shí)有足夠的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩。設(shè)置起動(dòng)頻率時(shí)要設(shè)置相應(yīng)的起動(dòng)頻率保持時(shí)間。起動(dòng)頻率設(shè)置常用於情況：機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)上有間隙,減緩機(jī)械撞擊；起升機(jī)構(gòu)在起吊重物前鋼絲繩處?kù)扼牫跔顟B(tài)，拉緊鋼絲繩需要低速運(yùn)行一段時(shí)間，使?jié)櫥蜏靥岣呓档宛ざ龋黄鹕龣C(jī)構(gòu)的起吊重物長(zhǎng)時(shí)間處?kù)稇覓鞝顟B(tài)，由機(jī)械抱閘裝置提供制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，重新上升或下降時(shí)，先讓變頻器輸出起動(dòng)頻率，產(chǎn)生一定的起升轉(zhuǎn)矩後再松閘，避免松閘過(guò)程中起吊重物下滑。起動(dòng)前的直流制動(dòng)功能若在開(kāi)始起動(dòng)時(shí)，電動(dòng)機(jī)就已有一定轉(zhuǎn)速，而變頻器仍是從最低頻率開(kāi)始運(yùn)行，則會(huì)由於制動(dòng)引起過(guò)壓過(guò)流。如在尚未停車前就第二次起動(dòng)，或者正要啟動(dòng)的風(fēng)機(jī)在外界風(fēng)力作用下正在反轉(zhuǎn)。許多變頻器具備起動(dòng)前的直流制動(dòng)功能，以保證電動(dòng)機(jī)完全停住才開(kāi)始起動(dòng)。直流制動(dòng)是指通過(guò)逆變器向電動(dòng)機(jī)定子繞組注入直流制動(dòng)電流，形成靜止的直流磁場(chǎng)，使電動(dòng)機(jī)快速停車。直流制動(dòng)的主要設(shè)定參數(shù)有兩個(gè)制動(dòng)電流大小直流制動(dòng)的時(shí)間捕捉再啟動(dòng)功能啟動(dòng)變頻器後，快速改變變頻器的輸出頻率，搜尋電動(dòng)機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速，捕捉到後按設(shè)定的升速曲線升速運(yùn)行到給定頻率。該功能適用於驅(qū)動(dòng)有初始轉(zhuǎn)速的大慣性負(fù)載電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)?？赡苡伸端阉麟娏鞫铀?，有一定危險(xiǎn)性。暫停升速功能

有的變頻器對(duì)慣性較大，起動(dòng)時(shí)升速較慢的負(fù)載，設(shè)置了暫停升速功能。先低速運(yùn)轉(zhuǎn)一段時(shí)間，然後再繼續(xù)升速。需設(shè)定的參數(shù)是升速暫停頻率和暫停時(shí)間。3.4.4變頻器的降速與制動(dòng)功能

1.變頻器停車方式降速停車及降速時(shí)間設(shè)定降速停車方式也有直線形、S形形和半S形。電動(dòng)機(jī)從電動(dòng)狀態(tài)變?yōu)榘l(fā)電狀態(tài)，電機(jī)的動(dòng)能轉(zhuǎn)變成交流電能，回饋到直流母線上，產(chǎn)生泵升電壓。減速時(shí)間越短，降速越快，制動(dòng)電流也越大，回饋能量來(lái)不及消耗，可能會(huì)造成過(guò)電流、過(guò)電壓故障?？上葘⒔邓贂r(shí)間設(shè)置長(zhǎng)一些，觀察停機(jī)過(guò)程中直流電壓的大小，再逐漸縮短降速時(shí)間，直至直流電壓接近上限值時(shí)為止。

自由停車電動(dòng)機(jī)的電源被切斷，拖動(dòng)系統(tǒng)處?kù)蹲杂芍苿?dòng)狀態(tài)。自由停車時(shí)間的長(zhǎng)短由拖動(dòng)系統(tǒng)的慣性決定。自由停車與機(jī)械制動(dòng)器配合可用於緊急停止場(chǎng)合。當(dāng)要緊急停車時(shí)，先中止變頻器輸出，再進(jìn)行機(jī)械抱閘制動(dòng)控制。簡(jiǎn)單的自由停車方式而沒(méi)有機(jī)械制動(dòng)器的配合，是不適用於位能性負(fù)載的。複合制動(dòng)停車方式適用大慣性負(fù)載，防止過(guò)多的回饋能量將降速停車效果和直流制動(dòng)效果兩者結(jié)合起來(lái)。在變頻器輸出下降頻率上迭加一個(gè)直流制動(dòng)電流，使兩種制動(dòng)力結(jié)合起來(lái)，起到快速電氣制動(dòng)的效果。複合制動(dòng)時(shí)，從機(jī)械能轉(zhuǎn)換過(guò)來(lái)的一部分制動(dòng)能量回饋到變頻器的直流母線上，另一部分能量消耗在電動(dòng)機(jī)上。2.制動(dòng)功能回饋制動(dòng)(再生制動(dòng))：變頻器逐漸減小輸出頻率，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速超過(guò)同步轉(zhuǎn)速，進(jìn)入發(fā)電狀態(tài)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能，電機(jī)的轉(zhuǎn)速降低趨於同步轉(zhuǎn)速?；仞佒苿?dòng)可提高降速調(diào)節(jié)速度，提高動(dòng)態(tài)回應(yīng)速度。直流制動(dòng)(能耗制動(dòng))：在定子繞組注入直流電流，迫使交流電動(dòng)機(jī)迅速停車。3.泵生電壓解決方案能耗電阻回饋制動(dòng)整流多臺(tái)逆變器共用直流母線電動(dòng)回饋制動(dòng)電動(dòng)整流逆變逆變交流回饋主動(dòng)前端ActiveFrontEnd

4.與降速有關(guān)的其他功能使能抱閘制動(dòng)3.4.5通用變頻器的V/f控制功能1.預(yù)定義V/f曲線指變頻器內(nèi)部已經(jīng)為用戶定義的各種不同類型的曲線。

遞減力矩恒定力矩高啟動(dòng)力矩恒定力矩曲線適於驅(qū)動(dòng)與轉(zhuǎn)速無(wú)關(guān)的恒力矩負(fù)載。遞減力矩曲線適用於風(fēng)機(jī)、水泵等與轉(zhuǎn)速呈2次方或3次方比例的負(fù)載力矩。高啟動(dòng)力矩曲線適於變頻器與電動(dòng)機(jī)之間的連線超過(guò)150米；要求啟動(dòng)時(shí)輸出力矩較大(如升降機(jī)等負(fù)載)；變頻器輸入或輸出處串接了AC電抗器。2.自定義V/f曲線

對(duì)於特殊的負(fù)載，可通過(guò)設(shè)置用戶自定義V/f曲線的幾個(gè)參數(shù)，得到任意V/f曲線。自定義V/f曲線一般都通過(guò)折線設(shè)定，3.V/f曲線轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償

低頻時(shí)需要對(duì)輸出電壓做提升補(bǔ)償，以補(bǔ)償定子電阻和漏抗上壓降引起的轉(zhuǎn)矩?fù)p失。低頻時(shí)漏抗壓降可以忽略，提升的電壓主要是補(bǔ)償定子電阻上的壓降。轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償量有的以額定轉(zhuǎn)矩的百分?jǐn)?shù)設(shè)定(安川VS-G7)；有的以額定電流的百分?jǐn)?shù)設(shè)定(西門子MM440)。3.4.6通用變頻器的向量控制功能1.向量控制功能向量控制分為速度向量控制與轉(zhuǎn)矩向量控制主要區(qū)別是閉環(huán)調(diào)節(jié)是基於哪個(gè)物理量。2.有速度感測(cè)器的向量控制主要用於高精度的速度控制、轉(zhuǎn)矩控制、簡(jiǎn)單伺服控制等對(duì)控制性能要求嚴(yán)格的使用場(chǎng)合。該方式下採(cǎi)用的速度感測(cè)器一般是旋轉(zhuǎn)編碼器(PG)，並安裝在直接反映被控電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的軸上。3.編碼器類型及連接根據(jù)變頻器的編碼器模組介面對(duì)信號(hào)的要求，選擇合適的編碼器類型與其連接。編碼器的信號(hào)輸出方式有：NPN或PNP集電極開(kāi)路、推挽式、差分信號(hào)。為了適配不同輸出信號(hào)方式的編碼器，編碼器模組上有跳線器或選擇開(kāi)關(guān)，通過(guò)設(shè)定可以接受多種類型的編碼器信號(hào)。硬體上連接和設(shè)置好後，還要對(duì)變頻器的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。TTL差分信號(hào)編碼器連接TTL信號(hào)短接線，接5V編碼器類型設(shè)置開(kāi)關(guān)：0101013.4.7變頻器的PID控制功能1.基本概念

根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例、積分、微分計(jì)算出控制量進(jìn)行控制?？刂破鬏敵龊涂刂破鬏斎?誤差)間的關(guān)係很多情況下，不一定需要全部三個(gè)單元，可以取其中的一到兩個(gè)單元。比例控制單元是必不可少的。變頻器PID功能相當(dāng)於變頻器作為過(guò)程控制器2.變頻器的PID控制例子

變頻器內(nèi)部有兩種PID控制應(yīng)用：變頻器自身速度、轉(zhuǎn)矩的PID閉環(huán)控制。外接回饋信號(hào)，對(duì)外部被控量(流量、壓力、溫度、張力等)進(jìn)行PID閉環(huán)控制。恒壓供水控制系統(tǒng)MM440壓力感測(cè)器壓力給定信號(hào)設(shè)定回饋3.4.8變頻器的保護(hù)功能

過(guò)電流保護(hù)功能超載保護(hù)功能過(guò)電壓保護(hù)功能其他保護(hù)功能風(fēng)機(jī)運(yùn)行逆變模組過(guò)熱制動(dòng)電阻過(guò)熱負(fù)載三相不對(duì)稱內(nèi)部錯(cuò)誤暫態(tài)停電保護(hù)

小結(jié)交流變頻調(diào)速變頻調(diào)速理論變頻器的使用為什麼要用變頻調(diào)速？怎樣獲得想要的交流電？PAM(六脈波)PWM執(zhí)行器被控對(duì)象想要什麼樣的交流電？(演算法)恒壓頻比向量控制直接轉(zhuǎn)矩控制控制器

工業(yè)控制現(xiàn)場(chǎng)總線

通常把具有一定的編碼、格式和位長(zhǎng)要求的數(shù)字信號(hào)稱為數(shù)據(jù)資訊。數(shù)據(jù)通信就是將數(shù)據(jù)資訊通過(guò)適當(dāng)?shù)膫魉途€路從一臺(tái)機(jī)器傳送到另一臺(tái)機(jī)器。機(jī)器可以是電腦、PLC或具有數(shù)據(jù)通信功能的其他數(shù)字設(shè)備。4.1數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)

4.1.1數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)傳輸方式

1.並行傳輸與串行傳輸

若按照傳輸數(shù)據(jù)的時(shí)空順序分類並行傳輸數(shù)據(jù)在多個(gè)通道同時(shí)傳輸傳輸速度快，但成本較高，干擾大。當(dāng)距離較近且要求傳輸速率較高時(shí)採(cǎi)用b7b6b5b4b3b2b1b0串行傳輸數(shù)據(jù)傳輸按順序逐位在一條通道上傳輸成本低、實(shí)現(xiàn)容易、控制簡(jiǎn)單、可靠，但短距離速度慢。常用於遠(yuǎn)距離傳輸而速度要求不高的場(chǎng)合。b7b6b5b4b3b2b1b02.基帶串行傳輸與頻帶串行傳輸根據(jù)傳輸是否搬移信號(hào)的頻譜，是否進(jìn)行調(diào)製分類?；鶐Т袀鬏?/p>

對(duì)信號(hào)不做任何調(diào)製，直接按原有的脈衝形式傳輸。數(shù)字信號(hào)傳輸常採(cǎi)用。編碼方式：NRZ，曼徹斯特碼，差分曼徹斯特碼等。曼徹斯特碼具有“內(nèi)含時(shí)鐘”的性質(zhì)，對(duì)接收端提取位同步信號(hào)非常有利，而且當(dāng)碼元中間無(wú)跳變時(shí)，就形成違例碼，這種違例的情況可形成幀標(biāo)誌。頻帶串行傳輸

把信號(hào)調(diào)製到某一頻帶上傳輸。用調(diào)製器把二進(jìn)位信號(hào)調(diào)製成模擬信號(hào)在通信線路上傳輸；接收端再經(jīng)過(guò)解調(diào)器解調(diào)模擬信號(hào)還原為二進(jìn)位信號(hào)。調(diào)製可採(cǎi)用：調(diào)幅、調(diào)頻和調(diào)相頻帶傳輸在同一條傳輸線路上可用頻帶分割的方法將頻帶劃分為幾個(gè)通道，同時(shí)傳輸多路信號(hào)。(a)調(diào)幅(b)調(diào)頻(c)調(diào)相3.非同步和同步傳輸方式根據(jù)解決發(fā)送端和接收端之間的同步問(wèn)題不同方式非同步傳輸每個(gè)字元加入起始和停止標(biāo)誌位。發(fā)送是獨(dú)立隨機(jī)的。實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，但傳輸大量數(shù)據(jù)的場(chǎng)合，比較浪費(fèi)，效率低。同步傳輸數(shù)據(jù)以幀(一組數(shù)據(jù))為單位傳輸，在幀開(kāi)始和結(jié)束有標(biāo)誌，而幀中每個(gè)位元組間不附加停止位和起始位。傳輸效率高，但實(shí)現(xiàn)較為複雜，所需的軟硬體價(jià)格比非同步傳輸高。4.串行數(shù)據(jù)傳輸速率在數(shù)據(jù)通信中，用“串列傳輸速率”來(lái)描述數(shù)據(jù)的傳輸速率。串列傳輸速率：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)傳輸?shù)拇a元數(shù)，即每秒鐘傳送的二進(jìn)位位數(shù)，其單位為bit/s或bps。常用的單位有：kbps、Mbps和Gbps。串列傳輸速率也常叫傳輸率，是衡量串行數(shù)據(jù)速度快慢的重要指標(biāo)。有時(shí)也用“位週期”來(lái)表示傳輸速率，位週期是串列傳輸速率的倒數(shù)。在串行通信中，所說(shuō)的傳輸速率指串列傳輸速率，而不是指字元速率。兩者關(guān)係：如在某非同步串行通信中，傳送一個(gè)字元需12個(gè)位(1個(gè)起始位，8個(gè)數(shù)據(jù)位，2個(gè)停止位，1個(gè)校驗(yàn)位)，其傳輸速率是4800bps，每秒傳輸字元為4800/12=4004.1.2數(shù)據(jù)串行通信方式數(shù)據(jù)在串行通信線路上傳輸有方向性按照數(shù)據(jù)在某一時(shí)間傳輸?shù)姆较?，可分為：?jiǎn)喂ねㄐ牛簲?shù)據(jù)傳輸只能一個(gè)方向半雙工通信：數(shù)據(jù)可在兩個(gè)方向傳輸，但同一時(shí)刻指限於一個(gè)方向全雙工通信：數(shù)據(jù)可在兩個(gè)方向同時(shí)傳輸4.1.3OSI參考模型及網(wǎng)路通信協(xié)議

為保證通信的正常進(jìn)行，需通信各方遵守共同的協(xié)議。網(wǎng)路通信協(xié)議也叫做通信控制規(guī)程，或稱傳輸控制規(guī)程。通信雙方在通信時(shí)需要遵循的規(guī)則和約定就是協(xié)議。協(xié)議主要由語(yǔ)義、語(yǔ)法和定時(shí)三部分。語(yǔ)義規(guī)定通信雙方準(zhǔn)備“講什麼”，亦即確定協(xié)議元素的種類；語(yǔ)法規(guī)定通信雙方“如何講”，確定數(shù)據(jù)的資訊格式、信號(hào)電平等；定時(shí)則包括速度匹配和排序等。網(wǎng)路通信協(xié)議採(cǎi)用分層設(shè)計(jì)便於網(wǎng)間互連，各層相互獨(dú)立，通過(guò)介面聯(lián)繫。目前採(cǎi)用的網(wǎng)路通信協(xié)議有兩類：非同步通信協(xié)議和同步通信協(xié)議。同步通信協(xié)議又有面向字元和面向比特以及面向位元組計(jì)數(shù)等。1.ISO/OSI參考模型國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織於1979年正式頒佈開(kāi)放系統(tǒng)互聯(lián)參考模型ISO/OSI是資訊處理領(lǐng)域內(nèi)的最重要標(biāo)準(zhǔn)之一，為協(xié)調(diào)研製系統(tǒng)互連的各類標(biāo)準(zhǔn)提供共同基礎(chǔ)，為保持所有相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的相容性提供了共同參考。標(biāo)準(zhǔn)為研究、設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)和改造資訊處理系統(tǒng)提供了功能上和概念上的框架。ISO/OSI的7層模型物理層資料鏈路層網(wǎng)路層運(yùn)輸層會(huì)話層表示層應(yīng)用層在物理鏈路上傳輸無(wú)結(jié)構(gòu)比特流，參數(shù)有信號(hào)電壓、比特寬度，涉及建立、維修和拆除物理鏈路所需的機(jī)械的、電氣的、功能和過(guò)程特性。把一條不可靠的傳輸通道轉(zhuǎn)變?yōu)橐粭l可靠的通道，發(fā)送帶有檢查的數(shù)據(jù)塊(幀)；使用差錯(cuò)檢測(cè)和幀確認(rèn)。通過(guò)網(wǎng)路傳輸數(shù)據(jù)分組，分組可以是獨(dú)立傳輸?shù)?數(shù)據(jù)報(bào))或者是通過(guò)一條預(yù)先建立的網(wǎng)路連接(虛電路)傳輸?shù)?，?fù)責(zé)路由選擇和擁擠控制。在端點(diǎn)之間提供可靠的、透明的數(shù)據(jù)傳輸，提供端到端的錯(cuò)誤恢復(fù)和流控制。在兩個(gè)進(jìn)程之間建立、維護(hù)和結(jié)束連接(會(huì)話)，可以提供檢查點(diǎn)和再啟動(dòng)服務(wù)、隔離服務(wù)完成有用的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，提供一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用介面和公共的通信服務(wù)。給開(kāi)放系統(tǒng)互連OSI環(huán)境的用戶提供服務(wù)，如事務(wù)服務(wù)程式、檔傳送協(xié)議、網(wǎng)路管理各層所共有的功能封裝過(guò)程分段存儲(chǔ)連接建立流量控制差錯(cuò)控制多路複用7層模型只是一個(gè)參考模型，並未確切描述用於各層的協(xié)議和服務(wù)，僅僅是標(biāo)明每層應(yīng)該做什麼，解釋協(xié)議相互之間應(yīng)該如何相互作用。網(wǎng)路中實(shí)際用到的協(xié)議並非嚴(yán)格按照這七層定義，而是根據(jù)實(shí)際需要。大多現(xiàn)場(chǎng)匯流排的結(jié)構(gòu)分層採(cǎi)用OSI模型的第1、2和7層?；兑蕴W(wǎng)的TCP/IP採(cǎi)用了第1、2、3、4和7層。2.非同步通信協(xié)議

非同步通信指通信中兩個(gè)字元之間的時(shí)間間隔不固定，而在一個(gè)字元內(nèi)各位時(shí)間間隔固定。非同步通信的資訊以字元為單位傳送，每個(gè)字元按位傳輸，總是以“起始位”開(kāi)始，以“停止位”結(jié)束。字元由發(fā)送方非同步產(chǎn)生，有隨機(jī)性。字元一般採(cǎi)用5、6、7或8位二進(jìn)位編碼；每個(gè)字元可能需要用10位或11位才能傳送，如起始位1位；字元編碼7位；奇偶校驗(yàn)位1位；停止位1～2位。接收和發(fā)送的時(shí)鐘頻率略有偏差，也不會(huì)造成偏差累積而錯(cuò)位，加之字元間的空閒位也為偏差提供了緩衝，所以非同步串行通信的可靠性較高。字元都要用起始位和停止位作為字元開(kāi)始和結(jié)束的標(biāo)誌，接收端要採(cǎi)用倍頻時(shí)鐘對(duì)接收到的數(shù)據(jù)同步採(cǎi)樣，傳送效率低。非同步通信一般用在數(shù)據(jù)速率要求不高的場(chǎng)合(小於19.2kbps)。要求高速傳送時(shí)，一般要採(cǎi)用同步通信。(1)起止式非同步通信格式

靠起始位和停止位實(shí)現(xiàn)字元界定或同步，故稱起止式協(xié)議非同步通信的幀格式傳送字元E的ASCII碼(45H)的時(shí)序波形。起始位邏輯“0”1位數(shù)據(jù)位邏輯“0”或“1”5位、6位、7位、8位校驗(yàn)位邏輯“0”或“1”1位或無(wú)停止位邏輯“1”1位、1.5位或2位空閒位邏輯“1”任意數(shù)量(2)非同步通信的接收過(guò)程

接收端以“接收時(shí)鐘”和“串列傳輸速率因數(shù)”決定一位的時(shí)間長(zhǎng)度。以接收一個(gè)字元E的ASCII碼，串列傳輸速率因數(shù)等於16(接收時(shí)鐘週期)、正邏輯為例說(shuō)明非同步通信的接收過(guò)程。(3)非同步通信的發(fā)送過(guò)程

以發(fā)送一個(gè)字元E的ASCII碼為例說(shuō)明非同步通信的發(fā)送過(guò)程。3.同步通信協(xié)議在約定通信速率下，發(fā)送端和接收端的時(shí)鐘信號(hào)始終保持一致，通信雙方在發(fā)送和接收數(shù)據(jù)時(shí)具有完全一致的定時(shí)關(guān)係。發(fā)送方在每次同步傳送n個(gè)位元組數(shù)據(jù)塊前，先發(fā)送1個(gè)或2個(gè)同步字元，表示傳送過(guò)程開(kāi)始，接著發(fā)n個(gè)位元組數(shù)據(jù)塊。字元之間無(wú)空隙。以同步字元使收發(fā)雙方同步(1個(gè)同步字元是單同步，2個(gè)同步字元是雙同步)，接收端從傳輸?shù)馁Y訊中抽取同步資訊，修正同步。同步串行通信以幀為單位傳輸，每幀由5部分組成：標(biāo)誌區(qū)、地址區(qū)、控制區(qū)、資訊區(qū)和幀校驗(yàn)區(qū)。同步通信過(guò)程中要求在傳輸線路上始終保持連續(xù)的字元位流，若發(fā)送端沒(méi)有數(shù)據(jù)傳輸，則線路上要用專用的“空閒”字元或同步字元填充。同步通信傳送資訊位數(shù)幾乎不受限制，一次通信傳的數(shù)據(jù)有幾十到幾千位元組，通信效率高。但要求在通信中保持精確的同步時(shí)鐘，發(fā)送器和接收器比較複雜，成本較高，一般用於傳送速率要求較高的場(chǎng)合；傳輸?shù)馁Y訊中不能有同步字元出現(xiàn)，透明性較差。同步通信協(xié)議有：面向字元的同步協(xié)議：?jiǎn)瓮?、雙同步、外同步等；面向位的同步協(xié)議面向位元組計(jì)數(shù)的同步協(xié)議4.1.4通信傳輸介質(zhì)

傳輸介質(zhì)：網(wǎng)路中連接收發(fā)兩方的物理通道。同軸電纜雙絞線光纖無(wú)線4.1.5網(wǎng)路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

從網(wǎng)路拓?fù)鋵W(xué)的觀點(diǎn)看，網(wǎng)路由一組節(jié)點(diǎn)和連接節(jié)點(diǎn)的鏈路組成。網(wǎng)路中節(jié)點(diǎn)的互連模式叫網(wǎng)路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)星形結(jié)構(gòu)樹形結(jié)構(gòu)環(huán)形結(jié)構(gòu)匯流排型結(jié)構(gòu)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)4.1.6介質(zhì)訪問(wèn)控制

介質(zhì)訪問(wèn)控制是指在節(jié)點(diǎn)對(duì)網(wǎng)路通道的佔(zhàn)有通信權(quán)的管理與控制。介質(zhì)訪問(wèn)控制方式載波偵聽(tīng)多路訪問(wèn)/衝突監(jiān)測(cè)方式(CSMA/CD)令牌環(huán)方式(TokenRing)

令牌匯流排方式(TokenBus)

4.2工業(yè)網(wǎng)路常用標(biāo)準(zhǔn)串行通信介面

在工業(yè)網(wǎng)路控制系統(tǒng)中常用的標(biāo)準(zhǔn)串行通信介面有RS-232C、RS-422、RS-485。RS-232C、RS-422與RS-485標(biāo)準(zhǔn)，最初都是由美國(guó)電子工業(yè)協(xié)會(huì)(EIA)制訂併發(fā)布的，作為工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，以保證不同廠家產(chǎn)品相容。由於EIA提出的建議標(biāo)準(zhǔn)都是以“RS”作為首碼，所以習(xí)慣仍然以RS作首碼稱謂。RS-232、RS-422與RS-485標(biāo)準(zhǔn)只對(duì)接口的電氣特性做出規(guī)定，不涉及接插件、電纜或協(xié)議，對(duì)應(yīng)OSI模型中物理層的電氣特性部分，用戶可以建立自己的高層通信協(xié)議。4.2.1RS-232C串行通信介面RS-232C定義了數(shù)據(jù)終端設(shè)備(DTE)