第3章通用變頻器原理及功能

1、第第3章章 通用變頻器原理及功能通用變頻器原理及功能交流電動機，特別是鼠籠型異步電動機，結(jié)構(gòu)簡單、制造容易、價格便宜、堅固耐用、轉(zhuǎn)動慣量小、運行可靠、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，交流電動機調(diào)速的問題未能較好的解決，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)，在電氣傳動領(lǐng)域占據(jù)統(tǒng)治地位。 3.1.1 交流電機調(diào)速方法交流電機調(diào)速方法 交流電機(同步/異步)最好的調(diào)速方法 變變頻調(diào)速頻調(diào)速。同步電機轉(zhuǎn)速：異步電機轉(zhuǎn)速：通過改變電源頻率(供電電壓也隨之變化)實現(xiàn)的速度調(diào)節(jié)過程稱為變頻調(diào)速變頻調(diào)速。

2、 pfnns600)1 ()1 (600snspfns3.1 交交-直直-交變頻調(diào)速基本原理交變頻調(diào)速基本原理 變頻調(diào)速的裝置稱為變頻器變頻器。集電力電子功率變換器與控制器及電量檢測器于一體。3.1.2 變頻交流調(diào)速相關(guān)技術(shù)變頻交流調(diào)速相關(guān)技術(shù)PWM控制技術(shù) 矢量變換控制技術(shù) 直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù) 微型計算機控制技術(shù)及集成電路技術(shù) 網(wǎng)絡(luò)通信與現(xiàn)場總線技術(shù) 3.1.3 交交-直直-交變頻器的基本電路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工作原理 三相電壓型逆變器基本電路三相電壓型逆變器基本電路 每隔60電角度改變開關(guān)狀態(tài)，一個周期共

3、換相六次，對應(yīng)六個不同的工作狀態(tài)(六拍)。根據(jù)功率開關(guān)的導(dǎo)通持續(xù)時間不同，分為：180導(dǎo)電型120導(dǎo)電型180導(dǎo)電型逆變器的電壓波形導(dǎo)電型逆變器的電壓波形 特點：每只功率開關(guān)導(dǎo)通時間皆為180。按SlS6的順序?qū)總€工作狀態(tài)下都有三只功率開關(guān)同時導(dǎo)通，形成三相負(fù)載同時通電。 工作狀態(tài)（拍）工作狀態(tài)（拍）每個工作狀態(tài)下被導(dǎo)通的功率開關(guān)每個工作狀態(tài)下被導(dǎo)通的功率開關(guān)狀態(tài)狀態(tài)（060）S1S5S6狀態(tài)狀態(tài)（60120）S1S2S6狀態(tài)狀態(tài)（120180）S1S2S3狀態(tài)狀態(tài)（180240）S2S3S4狀態(tài)狀態(tài)（240300）S3S4S5狀態(tài)狀態(tài)（300360）S4S5S61 234 5 6 1負(fù)載

4、相電壓：以狀態(tài)為例，此時功率開關(guān)S1、S5、S6導(dǎo)通。dCACABCACAdCOAOUzzzzzzzzzUuu31dCACABBdBOUzzzzzzUu32負(fù)載線電壓 BOAOABuuuCOBOBCuuuAOCOCAuuu狀態(tài)1線電壓 uAB=Ud uBC=-Ud uCA=0 120導(dǎo)電型逆變器的電壓波形導(dǎo)電型逆變器的電壓波形 特點：每只功率開關(guān)導(dǎo)通時間皆為120。按SlS6的順序?qū)總€工作狀態(tài)下都有兩只功率開關(guān)同時導(dǎo)通，形成兩相負(fù)載同時通電。換流在相鄰橋臂中進(jìn)行，安全安全。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 。電壓輸出低電壓輸出低。1 2 3 4 5 6 1六脈

5、波方式諧波成分比較大，會影響電動機轉(zhuǎn)速的平穩(wěn)；電動機是感性負(fù)載，電源頻率降低時，感抗減小，如果電源電壓不變電流將增加，會造成過電流，因此變頻的同時還需改變電壓的大小變頻的同時還需改變電壓的大小。實現(xiàn)變壓變頻控制，可采用可控整流方法，在逆變器變頻的同時，改變直流環(huán)節(jié)電壓大小，即脈沖脈沖幅度調(diào)制幅度調(diào)制(PAM)。脈寬調(diào)制脈寬調(diào)制(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采用PAM，而都采用PWM技術(shù)。 3.1.5 脈寬調(diào)制脈寬調(diào)制(PWM)控制技術(shù)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沖序列，實

6、現(xiàn)變壓、變頻控制并且消除諧波的技術(shù)。交流調(diào)速中，為使輸出電壓或電流波形接近于正弦波形，所采用的PWM技術(shù)正弦正弦PWM (SPWM)電壓SPWM電流SPWM磁通SPWM(電壓空間矢量PWM,SVPWM)1.電壓正弦波脈寬調(diào)制法的基本思想電壓正弦波脈寬調(diào)制法的基本思想 沖量相等而形狀不同窄脈沖加在具有慣性環(huán)節(jié)上時，其效果基本相同。PWM控制技術(shù)以該理論為基礎(chǔ)，對半導(dǎo)體開關(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)律變化的脈沖，用這些脈沖來代替正弦波或其它所需要波形。 按一定規(guī)則對各脈沖寬度進(jìn)行調(diào)制，既可改變逆變電路輸出電壓大小，也可改變輸出頻率。這一系列脈沖寬度可以用計算方法

7、求得，但較為實用的方法是采用“調(diào)制調(diào)制”方法方法。 2. 電壓正弦波脈寬調(diào)制法的工作原理電壓正弦波脈寬調(diào)制法的工作原理 調(diào)制波調(diào)制波(Modulating wave): 所希望的正弦波形ur 載波載波(Carrier wave): 用以調(diào)制的等腰三角波uc，以頻率比調(diào)制波高得多。urucuOw wt圖6-5urucuOwtOwtuouofuoUd-Ud基本思想基本思想：等腰三角波與正弦波曲線在相交時刻產(chǎn)生控制信號，用來控制功率開關(guān)器件的通斷，得到一組等幅但脈沖寬度正比于對應(yīng)區(qū)間正弦波曲線函數(shù)值的矩形脈沖。改變參考信號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

8、改變。一般，參考信號參考信號ur幅值須小于三角波幅值幅值須小于三角波幅值，否則無法得出輸出電壓大小和頻率的配合關(guān)系。 3. 單極性與雙極性單極性與雙極性SPWM調(diào)制模式調(diào)制模式 單極性三角波調(diào)制法單極性三角波調(diào)制法 參加調(diào)制的三角載波和調(diào)制正弦波在半個周期內(nèi)極性不變。單極性調(diào)制時，逆變器在正弦波的半個周期內(nèi)每相只有一個開關(guān)器件開通或關(guān)斷。單相逆變器可以采用。 雙極性三角波調(diào)制法雙極性三角波調(diào)制法 參加調(diào)制的三角載波和調(diào)制正弦波在任何時候都具有正負(fù)極性變化 。雙極性調(diào)制時，逆變器同一橋臂上下兩個開關(guān)器件交替通斷，互補工作。容易引起電源短路，必須增加延時觸發(fā)裝置三相逆變電路常用此方法。圖 6-6u

9、rucuOwtOwtuouofuoUd-Ud多電平電壓源型逆變器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，為減少開關(guān)損耗和開關(guān)承受電壓，改善輸出電壓波形、減少轉(zhuǎn)矩脈動，采用增加直流側(cè)電平的方法。三電平逆變器(NPC) 相電壓相電壓P狀態(tài)狀態(tài)：VT1、VT2導(dǎo)通，VT3、VT4關(guān)斷時，輸出相電壓為+E/2N狀態(tài)狀態(tài)：VT3、VT4導(dǎo)通，VT1、VT2關(guān)斷時，輸出相電壓為E/2C狀態(tài)狀態(tài)：VT2和D1導(dǎo)通，或VT3和D2導(dǎo)通，輸出電壓為0 3個電平線電壓線電壓相電壓相加減，得出5個電平即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：每相的開關(guān)狀態(tài)只能從P到C、C

10、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)的危險性很小，適宜于大功率。 SPWM變頻器電路原理 主電路主電路控制電路控制電路3.2 不同控制方式的交不同控制方式的交-直直-交變頻調(diào)速系統(tǒng)交變頻調(diào)速系統(tǒng) 早期的通用變頻器大多為開環(huán)恒壓頻比(V/f=常數(shù))控制方式。針對開環(huán)恒壓頻比控制方式的改進(jìn)：電壓空間矢量控制法、頻率補償控制法、引入電壓和電流閉環(huán)控制等。 矢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)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)電動勢有效值ES為NS為定子

11、每相繞組串聯(lián)匝數(shù)；KS為基波繞組系數(shù)；m為電機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，繞組電流過大，燒壞電機。保證m=Const故當(dāng)頻率fS從額定值(基頻)向下(降低)調(diào)節(jié)時，必須同時降低ES，即mSSSSKNfE44. 4CmSSScfEES /fS為常數(shù)的機械特性然而感應(yīng)電動勢ES難以檢測和控制，實際可以檢測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，感應(yīng)電動勢ES也較大，此時可忽略定子阻抗壓降，認(rèn)為定子相電壓USES，為此在實際工程中是以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 )2(2SSSSSmmSSSSILfjIRI

12、LfjIZEUCcfUmSSSUS0ISRSUSUSNfSfSN 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，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，以補償定子阻抗壓降的影響。通過補償，電動機的最大轉(zhuǎn)矩得以提升，通常把補償措施也稱之為轉(zhuǎn)矩提升轉(zhuǎn)矩提升(Torque Boost) 基頻以下機械特性基頻以下機械特性補償量需適中。如果補償偏小(欠補償)，磁通量下降，低頻時電動機會有堵轉(zhuǎn)現(xiàn)象；如果補償偏大(過補償)，磁通量上升，電動機有過電流的危險。 2. 基頻以上變頻控制方式基頻以上變頻

13、控制方式 電壓不允許超過額定電壓，否則損壞絕緣。恒壓頻比控制方式只適用于基頻(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，m越弱(恒壓弱磁升速恒壓弱磁升速)。相當(dāng)于直流電機弱磁調(diào)速。異步電動機調(diào)速時控制特性3. 恒轉(zhuǎn)矩控制和恒功率控制恒轉(zhuǎn)矩控制和恒功率控制 (1) 恒轉(zhuǎn)矩控制恒轉(zhuǎn)矩控制含義負(fù)載具有恒轉(zhuǎn)矩特性 電動機在速度變化的動態(tài)過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基頻以下的恒壓頻比控制屬于恒轉(zhuǎn)矩控制恒轉(zhuǎn)矩控制。(2) 恒功率控制恒功率控制含義負(fù)載具有恒功率的轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速特性 電機具有輸出恒功率能力 基頻以上的恒壓頻比控制基頻以上的恒壓頻比控制屬于恒功

14、率控制恒功率控制。基頻以下和以上集合在一起的機械特性3.2.2 矢量控制的調(diào)速系統(tǒng)矢量控制的調(diào)速系統(tǒng)恒壓頻比控制恒壓頻比控制基于異步電動機靜態(tài)數(shù)學(xué)模型，只控制了被控變量的幅值，而沒有控制到相位，雖然基本解決了異步電動機平滑調(diào)速的問題，獲得良好的靜態(tài)性能，但在動態(tài)過程中不能獲得良好的動態(tài)響應(yīng)。低頻特性差，啟動及低速時轉(zhuǎn)矩動態(tài)響應(yīng)等方面的性能不令人滿意。直流電動機雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)具有優(yōu)良的靜、動態(tài)調(diào)速特性，其根本原因在于作為控制對象的他勵直流電動機電磁轉(zhuǎn)矩能夠容易而靈活地進(jìn)行控制。 1971年德國學(xué)者Blaschke等人首先提出的矢矢量變換控制量變換控制(TransVector Control)實現(xiàn)

15、了這種控制思想。矢量變換控制成功地解決了交流電動機電磁轉(zhuǎn)矩的有效控制，使交流電動機變頻調(diào)速系統(tǒng)具有了直流調(diào)速系統(tǒng)的全部優(yōu)點，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. 直流電動機和異步電動機的電磁轉(zhuǎn)矩控制直流電動機和異步電動機的電磁轉(zhuǎn)矩控制 在機電傳動系統(tǒng)的運動方程由上式，轉(zhuǎn)速是通過電磁轉(zhuǎn)矩來改變的。機電傳動系統(tǒng)動態(tài)特性的好壞，除了受系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動慣量影響外，取決于電動機電磁轉(zhuǎn)矩的控制性能。如能實現(xiàn)電動機電磁轉(zhuǎn)矩的直接快速控制，將會大大提高傳動系統(tǒng)的動態(tài)特性。 dtdnGDTTLe37522. 直流電動機的電磁轉(zhuǎn)矩控制直流電動機的電磁轉(zhuǎn)矩控制 直流電動機的優(yōu)異的調(diào)速性能是因為具備了如下

16、三個條件：磁極固定在定子機座上，在空間產(chǎn)生一個穩(wěn)定直流磁場。則電樞磁勢的軸線與主極磁場軸線垂直，與交軸重合。電樞磁勢保持與磁場相垂直時，最能有效產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。 勵磁電流和電樞電流在各自回路中，兩者各自獨立，互不影響，分別可單獨調(diào)控。直流電動機的電磁轉(zhuǎn)矩公式 直流電動機的電磁轉(zhuǎn)矩具有控制容易而又靈活的特點。adMDedICT3. 異步電動機的電磁轉(zhuǎn)矩控制異步電動機的電磁轉(zhuǎn)矩控制 任何電動機產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩在本質(zhì)上都是電機內(nèi)部兩個磁場相互作用的結(jié)果。異步電動機的電磁轉(zhuǎn)矩公式為rrmMCssmMCedFCFCTsinsin異步電動機的電磁轉(zhuǎn)矩控制比直流電動機的電磁轉(zhuǎn)矩控制復(fù)雜得多，主要表現(xiàn)在：異步電機定子磁

17、勢、轉(zhuǎn)子磁勢及合成的氣隙磁勢均是以同步角速度在空間旋轉(zhuǎn)的矢量。定子磁勢和氣隙磁勢之間的夾角s不等于90 轉(zhuǎn)子磁勢與氣隙磁勢之間的夾角r也不等于90 如果m、Fr的模值為已知，還需知道它們空間矢量的夾角r，才可求出電磁轉(zhuǎn)矩。 異步電動機的電磁轉(zhuǎn)矩公式還可寫為異步電動機電磁轉(zhuǎn)矩是氣隙磁場和轉(zhuǎn)子磁勢相互作用的結(jié)果，且受轉(zhuǎn)子電路功率因數(shù)的制約。 m ，Ir ，cosr都是轉(zhuǎn)差率S的函數(shù)；m是定子磁勢和轉(zhuǎn)子磁勢合成產(chǎn)生的，并不恒定；對于籠形異步電動機而言可以直接測量和進(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與勵磁電流im的和。如要對轉(zhuǎn)矩進(jìn)行有效控制，必須要將ir和im從is中分離出來。

18、rrmIMedICTcos直流電機的電磁轉(zhuǎn)矩關(guān)系簡單，容易控制；交流電機的電磁轉(zhuǎn)矩關(guān)系復(fù)雜，難以控制。但交、直流電動機產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的規(guī)律有著共同的基礎(chǔ)，通過等效變換，可以將交流電機轉(zhuǎn)矩控制轉(zhuǎn)化為直流電機轉(zhuǎn)矩控制的模式，從而解決控制交流電機的困難。 4.矢量控制的基本思想矢量控制的基本思想 由異步電動機磁勢、磁通空間矢量圖可見，通過控制定子磁勢Fs的模、或控制轉(zhuǎn)子磁勢Fr的模及其他們的空間位置，就能達(dá)到控制電機轉(zhuǎn)矩的目的?？刂艶s或Fr的模值，可以通過控制各相電流的幅值來實現(xiàn)，而空間位置可以通過控制各相電流的瞬時相位來實現(xiàn)。因此，只要能實現(xiàn)對異步電動機定子各相電流的瞬時控制，就能對異步電動機轉(zhuǎn)矩的實

19、施有效控制。異步電動機三相對稱定子繞組中，通入對稱的三相正弦交流電流iA，iB，iC時，則形成三相基波合成旋轉(zhuǎn)磁勢。 產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場不一定非要三相繞組不可，除單相外任意多相對稱繞組，通入多相對稱正弦電流，均能產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場位置互差90的兩相定子繞組，當(dāng)通入兩相對稱正弦電流時，也產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場。如果該兩相繞組旋轉(zhuǎn)磁場大小、轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)向與三相繞組所產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場完全相同，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i、i間必存在確定的變換關(guān)系。ABC1iAi iAi11ABC兩繞組分別通入直流電，如果人為地使這兩個繞組旋轉(zhuǎn)起來，則也可產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場。若使旋轉(zhuǎn)磁場

20、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)磁場均相同，則M-T直流繞組與-交流繞組及A-B-C交流繞組等效。這時-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)系 iAi2MTMT12iAi 直流電動機的勵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，但其磁勢在空間上方向固定，稱為“偽靜止繞偽靜止繞組組” 。直流電機的勵磁繞組和電樞繞組就可以用空間上互差90的直流繞組來等效。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直流電機。M繞組即勵磁繞組，T繞組即電樞繞組，M繞組中的直流電流iM稱為勵磁電流分量，T繞組中的直流電流iT

21、稱為轉(zhuǎn)矩電流分量。 由于-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)系，ABC122MTiAAiAi除了規(guī)定M-T兩軸的垂直關(guān)系和旋轉(zhuǎn)角速度，還需對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。選擇電機某個旋轉(zhuǎn)磁場的軸作為該同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)軸，稱為磁場定向(Field Orientation)。對于異步電動機矢量控制系統(tǒng)，磁場定向軸的選擇有三種：轉(zhuǎn)子磁場定向氣隙磁場定向定子磁場定向 選擇按轉(zhuǎn)子磁場定向轉(zhuǎn)子磁場定向即將M軸取為轉(zhuǎn)子全

22、磁鏈?zhǔn)噶縭 的軸。轉(zhuǎn)子磁鏈僅由定子電流勵磁分量iM產(chǎn)生，與轉(zhuǎn)矩分量iT無關(guān)，從這個意義上看，定子電定子電流的勵磁分量與轉(zhuǎn)矩分量是解耦的。流的勵磁分量與轉(zhuǎn)矩分量是解耦的。TM按轉(zhuǎn)子磁場定向后的等效直流電機按轉(zhuǎn)子磁場定向后的等效直流電機MT異步電機坐標(biāo)變換結(jié)構(gòu)圖3/2VR等效直流等效直流電機模型電機模型ABCw iAiBiCitimii異步電動機異步電動機3/2三相三相/兩相變換兩相變換; VR同步旋轉(zhuǎn)變換同步旋轉(zhuǎn)變換; M軸與軸與 軸（軸（A軸）的夾角軸）的夾角 矢量變換控制過程框圖由于將直流標(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，變換是通過矢量坐標(biāo)變換實現(xiàn)的，故稱為矢量變換控制

23、系矢量變換控制系統(tǒng)統(tǒng)(TransVector Control System)，通常簡稱為矢量控制系統(tǒng)矢量控制系統(tǒng)(Vector Control System，VC系統(tǒng))。因為需要進(jìn)行磁場的定向，故矢量控制系統(tǒng)也稱為磁場定向控制磁場定向控制系統(tǒng)。按轉(zhuǎn)子全磁鏈(全磁通)定向的異步電動機矢量控制系統(tǒng)稱為異步電動機按轉(zhuǎn)子磁鏈按轉(zhuǎn)子磁鏈(磁通磁通)定向的矢量控制系統(tǒng)定向的矢量控制系統(tǒng)。具體定向計算中要用到轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶康哪及磁場定向角(M軸與軸的夾角)，而這兩個量都難以直接測量，只能建立轉(zhuǎn)子磁鏈觀轉(zhuǎn)子磁鏈觀測模型，測模型，通過容易檢測的物理計算觀測。目前實際應(yīng)用的矢量控制系統(tǒng)，是通過檢測電機的、及等物理

24、量，利用轉(zhuǎn)子磁鏈觀測模型轉(zhuǎn)子磁鏈觀測模型，實時計算轉(zhuǎn)子磁鏈的模和空間位置。矢量控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)w控制器控制器VR-12/3電流控制電流控制變頻器變頻器3/2VR等效直流等效直流電機模型電機模型+i*mi*t wsi*i*i*Ai*Bi*CiAiBiCiiimit反饋信號異步電動機給定信號 5. 帶轉(zhuǎn)矩內(nèi)環(huán)的轉(zhuǎn)速、磁鏈閉環(huán)異步電動機帶轉(zhuǎn)矩內(nèi)環(huán)的轉(zhuǎn)速、磁鏈閉環(huán)異步電動機矢量控制系統(tǒng)矢量控制系統(tǒng)6. 無速度傳感器的矢量控制系統(tǒng)無速度傳感器的矢量控制系統(tǒng) 要達(dá)到高精度的轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制及磁場定向的需要，必不可少的要在電機軸上安裝速度傳感器，反饋實際轉(zhuǎn)速信號。但許多場合不允許外裝任何速度和位置檢測元件。隨

25、著交流調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展和實際應(yīng)用需要，國內(nèi)外展開了無速度傳感器的交流調(diào)速系統(tǒng)研究，成為交流調(diào)速技術(shù)一個重要的應(yīng)用研究領(lǐng)域。無速度傳感器調(diào)速系統(tǒng)無速度傳感器調(diào)速系統(tǒng)：取消速度檢測裝置，通過間接計算法求出電機的實際轉(zhuǎn)速值，作為轉(zhuǎn)速反饋信號。 現(xiàn)有很多方案。以基于轉(zhuǎn)子磁鏈定向的無速度傳感器轉(zhuǎn)差型矢量控制系統(tǒng)為例介紹。系統(tǒng)在電機定子側(cè)裝設(shè)電壓傳感器和電流傳感器，根據(jù)檢測到的電壓電流值及電機的參數(shù)，由轉(zhuǎn)速推算器轉(zhuǎn)速推算器估算出電機的實際轉(zhuǎn)速。轉(zhuǎn)速推算器受轉(zhuǎn)子參數(shù)變化的影響，因而基于轉(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)速推算器的實用性還取決于推算精度和計算速度，故必須采用高速微處理

26、器才能實現(xiàn)。無速度傳感器矢量控制不需要外接轉(zhuǎn)速傳感器，方便了用戶。但與有反饋矢量控制相比，在機械特性、低頻特性和動態(tài)響應(yīng)性能等方面存在不足。對于一些要求有較硬機械特性，但調(diào)速范圍不很廣，對動態(tài)響應(yīng)要求不高的場合，可以采用該方式。3.2.3 直接轉(zhuǎn)矩控制的調(diào)速系統(tǒng)概述直接轉(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)展直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)的誕生與發(fā)展 自從70年代矢量控制技術(shù)發(fā)展以來，從理論上解決了交流調(diào)速系統(tǒng)在靜、動態(tài)性能上與直流傳動相媲美的問題。然而，在實際上由于轉(zhuǎn)子磁鏈難以準(zhǔn)確觀測，且系統(tǒng)受電動機參數(shù)影響較大，以及控制過程中所用矢量旋轉(zhuǎn)變換的復(fù)雜性，使得實際控制效果難以達(dá)到理論預(yù)期。1

27、977年由A.B.Piunkett首先提出直接轉(zhuǎn)矩控制思想。1985年德國魯爾大學(xué)的Depenbrock教授首次取得了實際應(yīng)用的成功。 直接轉(zhuǎn)矩控制在很大程度上解決了矢量控制中計算復(fù)雜、特性易受電動機參數(shù)變化影響、實際性能難以達(dá)到理論分析結(jié)果的一些重要技術(shù)問題。直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)一誕生，就以自己新穎的控制思想，簡潔明了的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，優(yōu)良的靜、動態(tài)性能受到了普遍的關(guān)注并得到了迅速的發(fā)展。 2. 直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的特性直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的特性 采用直接轉(zhuǎn)矩控制的異步電機變頻調(diào)速系統(tǒng)，電機磁場接近圓形，諧波小，損耗低，噪聲及溫升小。特點：直接在定子坐標(biāo)系下分析交流電動機的數(shù)學(xué)模型，控制電動機的磁鏈和轉(zhuǎn)矩。

28、 磁場定向采用的是定子磁鏈軸，只要知道定子電阻就可以觀測。采用空間矢量的概念來分析三相交流電動機的數(shù)學(xué)模型和控制各物理量，使問題簡化。 直接轉(zhuǎn)矩控制強調(diào)的是轉(zhuǎn)矩的直接控制效果。與矢量控制不同，直接轉(zhuǎn)矩控制不通過控制電流、磁鏈等量來間接控制轉(zhuǎn)矩，而把轉(zhuǎn)矩直接作為被控量。通過轉(zhuǎn)矩兩點式調(diào)節(jié)器把轉(zhuǎn)矩檢測值與轉(zhuǎn)矩給定值作滯環(huán)比較，把轉(zhuǎn)矩波動限制在一定的容差范圍內(nèi)?？刂菩ЧQ于轉(zhuǎn)矩的實際狀況，控制既直接又簡單。直接轉(zhuǎn)矩控制直接轉(zhuǎn)矩控制(Direct Torque Control)也稱之為直接自控制直接自控制(Direct Self-Control)。3.直接轉(zhuǎn)矩控制的基本思想直接轉(zhuǎn)矩控制的基本思想電機

29、轉(zhuǎn)速的變化與電機的轉(zhuǎn)矩有著直接而又簡單的關(guān)系，電機的轉(zhuǎn)矩影響其轉(zhuǎn)速?？刂坪驼{(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)速的關(guān)鍵是有效地控制和調(diào)節(jié)電機的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)矩。由電機統(tǒng)一理論可知，電動機的電磁轉(zhuǎn)矩是由定子磁勢矢量Fs，轉(zhuǎn)子產(chǎn)生轉(zhuǎn)子磁勢矢量Fr，合成磁勢矢量F相互作用產(chǎn)生的，即等于它們中任何兩個矢量的矢量積。 ),(sin)(rsrsmrsmeiFFCCTFFFF),(sin)(FFFFssmsmFFCC),(sin)(FFFFrrrFFCCmm異步電動機的Fs、Fr、F 均以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，彼此相對靜止。故可以通過控制兩磁勢矢量的幅值和兩磁勢矢量之間的夾角來控制異步電動機的轉(zhuǎn)矩。但這些矢量在異步電動機定子坐標(biāo)系中都是交流量，

30、給控制帶來了困難。 直接轉(zhuǎn)矩控制直接在定子坐標(biāo)系上用交流量計算轉(zhuǎn)矩。轉(zhuǎn)矩等于Fs和F的矢量積，而Fs正比于定子電流矢量is， F比例于磁鏈?zhǔn)噶縨，故轉(zhuǎn)矩與定子電流矢量及磁鏈?zhǔn)噶縨的大小和二者夾角有關(guān)。并且定子電流矢量可直接檢測得到，磁鏈?zhǔn)噶縨可從電機的磁鏈模型中獲得。在定子坐標(biāo)系中求得實際轉(zhuǎn)矩后，由轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器，形成轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制系統(tǒng)，可獲得與矢量變換控制系統(tǒng)相接近的靜、動態(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，并不介意磁鏈本身的變化。但磁鏈與電機的運行性能密切相關(guān)。磁鏈與電機的電壓、電流、效率、溫升、轉(zhuǎn)速、功率因數(shù)有關(guān)。從電機合理運行角度出發(fā)，希望保持磁鏈幅值恒定。因此要對磁

31、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?zhǔn)噶炕旧涎貓A形軌跡運動(日本學(xué)者高橋勛教授)讓磁鏈?zhǔn)噶垦亓呅诬壽E運動(德國學(xué)者Depenbrock)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)基本思路框圖性能與特點性能與特點直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)矢量控制系統(tǒng)矢量控制系統(tǒng)磁鏈控制磁鏈控制定子磁鏈定子磁鏈轉(zhuǎn)子磁鏈轉(zhuǎn)子磁鏈轉(zhuǎn)矩控制轉(zhuǎn)矩控制砰砰- -砰控制，有轉(zhuǎn)矩脈動砰控制，有轉(zhuǎn)矩脈動連續(xù)控制，比較平滑連續(xù)控制，比較平滑坐標(biāo)變換坐標(biāo)變換靜止坐標(biāo)變換，較簡單靜止坐標(biāo)變換，較簡單旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換，較復(fù)雜旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換，較復(fù)雜轉(zhuǎn)子參數(shù)變化影響轉(zhuǎn)

32、子參數(shù)變化影響無無有有調(diào)速范圍調(diào)速范圍不夠?qū)挷粔驅(qū)挶容^寬比較寬直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)和矢量控制系統(tǒng)特點及性能比較直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)和矢量控制系統(tǒng)特點及性能比較各種品牌變頻器各種品牌變頻器3.3 通用變頻器的外部接口電路通用變頻器的外部接口電路 通用變頻器是由主電路主電路和控制電路控制電路組成?？刂齐娐钒ǎ褐骺刂齐娐贰⒅麟娐夫?qū)動電路、信號檢測電路、保護(hù)電路、外部接口電路、數(shù)字操作顯示盒。主控制電路主控制電路是變頻器的運行指揮中心，是一個高性能的微處理器。3.3.1 變頻器主電路端子連接變頻器主電路端子連接 MM440變頻器主電路接線方法3.3.2 變頻器控制端子變頻器控制端子多功能數(shù)字多功能數(shù)字量輸入

33、端子量輸入端子 多功能數(shù)字多功能數(shù)字量輸出端子量輸出端子 模擬量輸模擬量輸入端子入端子 模擬量輸模擬量輸出端子出端子 通信端子通信端子 數(shù)字操作數(shù)字操作顯示面板顯示面板 擴張端子擴張端子擴展模塊擴展模塊 主回路接口主回路接口控制回路接口控制回路接口模擬量輸入模擬量輸入模擬量輸出模擬量輸出通訊接口通訊接口控制回路接口控制回路接口開關(guān)量輸入開關(guān)量輸入開關(guān)量輸出開關(guān)量輸出編碼器接口編碼器接口3.4 通用變頻器的主要控制功能通用變頻器的主要控制功能 3.4.1 變頻器頻率設(shè)定功能變頻器頻率設(shè)定功能1. 變頻器中頻率的名稱與功能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

34、率(最低頻率)回避頻率(跳轉(zhuǎn)頻率) 點動頻率 載波頻率 跳轉(zhuǎn)頻率跳轉(zhuǎn)頻率跳轉(zhuǎn)頻率寬度跳轉(zhuǎn)頻率寬度2. 變頻器頻率給定方式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) 直接選擇型直接選擇型：一個數(shù)字量輸入端對應(yīng)一個固定頻率設(shè)定值，控制信號直接選用固定頻率，如果幾個輸入信號同時有效則所選用的固定頻率疊加。二進(jìn)制編碼選擇型二進(jìn)制編碼選擇型：通過多功能輸入端子的邏輯組合，可以選擇多段頻率進(jìn)行多段速運行。四數(shù)字輸入端四數(shù)字輸入端二進(jìn)制編碼速度表二進(jìn)制編碼速度表 端子信號端子信號固定速度固定速度DIN4DIN3DIN2DIN1停止?fàn)顟B(tài)0000P1001固定速度10001

35、P1002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邏輯組合信號對應(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，屬有級調(diào)速有級調(diào)速。外接脈沖給定通信給定 3.4.2 變頻器運轉(zhuǎn)控制功能變頻器運轉(zhuǎn)控制功能 變頻器運轉(zhuǎn)控制功能是變頻器的

36、基本運行功能，用以控制電動機的、與、與、等。變頻器的運轉(zhuǎn)控制可以通過操作器鍵盤操作器鍵盤、輸輸入端子入端子、通信方式通信方式來實現(xiàn)。1. 操作器鍵盤運轉(zhuǎn)控制操作器鍵盤運轉(zhuǎn)控制最簡單直接的運轉(zhuǎn)控制方法通過操作器鍵盤上的運行鍵、停止鍵、點動鍵和復(fù)位鍵來直接控制變頻器的運轉(zhuǎn)，通過操作器鍵盤上的指示燈和顯示器觀察變頻器的運行狀態(tài)信息和故障報警信息?，F(xiàn)場控制，一般在調(diào)試時使用2. 外部輸入端子運轉(zhuǎn)控制外部輸入端子運轉(zhuǎn)控制 通過輸入端子從外部輸入開關(guān)信號來控制變頻器的運轉(zhuǎn)。連接在輸入端子上的按鈕、選擇開關(guān)、繼電器觸點或PLC觸點替代了操作器鍵盤上的運行鍵、停止鍵、點動鍵和復(fù)位鍵的功能，可以在遠(yuǎn)距離控制變頻

37、器的運轉(zhuǎn)。變頻器實現(xiàn)正反轉(zhuǎn)非常簡單，只需改變控制回路，無須改變主回路。 正反轉(zhuǎn)控制 兩線式控制模式 三線式控制模式 點動控制 由于工序要求或設(shè)備調(diào)試調(diào)整需要，還需點動運行，即按下按鈕時電動機轉(zhuǎn)動工作，手松開按鈕時電動機停止運轉(zhuǎn)。操作器鍵盤上有一個電動機點動鍵(JOG)。在變頻器無輸出的情況下按此鍵，將使電動機起動，并按預(yù)設(shè)定的點動頻率運行；釋放此鍵時變頻器停車。如果變頻器/電動機正在運行，按此鍵將不起作用。點動運行頻率和點動加減速時間均在參數(shù)內(nèi)設(shè)置。也可將變頻器兩個多功能輸入端定義為正向點動和反向點動功能，通過其外接按鈕實現(xiàn)電動機的正反點動控制。 3. 通信運行控制通信運行控制 以串行通信方式

38、向變頻器傳送運行信號，控制變頻器的啟動、停止、點動、故障復(fù)位等功能。運行控制信號和速度給定信號是在某一個通信協(xié)議格式下同時傳送的。3.4.3 變頻器的升速和啟動功能變頻器的升速和啟動功能 為了限制啟動電流，需要對變頻器輸出頻率的上升速度加以限制。1. 升速時間設(shè)定升速時間設(shè)定 變頻器從零速加速到最高頻率所需的時間升速時間長可以減小起動電流，減少機械沖擊，但過長又浪費時間。準(zhǔn)確計算升速時間比較困難，實際中，一般把升速時間設(shè)置長一些，觀察起動過程電流情況，再逐漸減少升速時間。 2. 升速方式選擇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。直線形升速方式直線形

39、升速方式 P1120fft12upS形升速方式形升速方式 三個時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，沖擊小。半半S形升速方式形升速方式 對S形升速方式的簡化，只在升速的起始段或結(jié)束段采用平滑圓弧，其余采用斜率固定的直線升速。風(fēng)機類負(fù)載，適合采用上升曲線的結(jié)束端是平滑圓弧的半S形升速方式。對于慣性較大的負(fù)載可以考慮采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)的其它功能與升速有關(guān)的其它功能起動頻率設(shè)定 對于慣性較大、靜態(tài)摩擦轉(zhuǎn)矩也較大的負(fù)載，起動時要有一定的沖擊力才易于起動對變頻器設(shè)置一個起動頻率，使電機在

40、起動時有足夠的起動轉(zhuǎn)矩。設(shè)置起動頻率時要設(shè)置相應(yīng)的起動頻率保持時間。 起動頻率設(shè)置常用于情況：機械傳動機構(gòu)上有間隙,減緩機械撞擊；起升機構(gòu)在起吊重物前鋼絲繩處于松弛狀態(tài)，拉緊鋼絲繩需要低速運行一段時間，使?jié)櫥蜏靥岣呓档宛ざ?；起升機構(gòu)的起吊重物長時間處于懸掛狀態(tài)，由機械抱閘裝置提供制動轉(zhuǎn)矩，重新上升或下降時，先讓變頻器輸出起動頻率，產(chǎn)生一定的起升轉(zhuǎn)矩后再松閘，避免松閘過程中起吊重物下滑。起動前的直流制動功能起動前的直流制動功能若在開始起動時，電動機就已有一定轉(zhuǎn)速，而變頻器仍是從最低頻率開始運行，則會由于制動引起過壓過流。如在尚未停車前就第二次起動，或者正要啟動的風(fēng)機在外界風(fēng)力作用下正在反轉(zhuǎn)。許

41、多變頻器具備起動前的直流制動功能，以保證電動機完全停住才開始起動。直流制動是指通過逆變器向電動機定子繞組注入直流制動電流，形成靜止的直流磁場，使電動機快速停車。直流制動的主要設(shè)定參數(shù)有兩個制動電流大小直流制動的時間 捕捉再啟動功能捕捉再啟動功能啟動變頻器后，快速改變變頻器的輸出頻率，搜尋電動機實際轉(zhuǎn)速，捕捉到后按設(shè)定的升速曲線升速運行到給定頻率。該功能適用于驅(qū)動有初始轉(zhuǎn)速的大慣性負(fù)載電動機的啟動?？赡苡捎谒阉麟娏鞫铀?，有一定危險性。暫停升速功能暫停升速功能 有的變頻器對慣性較大，起動時升速較慢的負(fù)載，設(shè)置了暫停升速功能。先低速運轉(zhuǎn)一段時間，然后再繼續(xù)升速。需設(shè)定的參數(shù)是升速暫停頻率和暫停時間

42、。 3.4.4 變頻器的降速與制動功能變頻器的降速與制動功能 1. 變頻器停車方式變頻器停車方式降速停車及降速時間設(shè)定降速停車及降速時間設(shè)定降速停車方式也有直線形、S形形和半S形。 電動機從電動狀態(tài)變?yōu)榘l(fā)電狀態(tài)，電機的動能轉(zhuǎn)變成交流電能，回饋到直流母線上，產(chǎn)生泵升電壓。減速時間越短，降速越快，制動電流也越大，回饋能量來不及消耗，可能會造成過電流、過電壓故障。可先將降速時間設(shè)置長一些，觀察停機過程中直流電壓的大小，再逐漸縮短降速時間，直至直流電壓接近上限值時為止。 自由停車自由停車電動機的電源被切斷，拖動系統(tǒng)處于自由制動狀態(tài)。自由停車時間的長短由拖動系統(tǒng)的慣性決定。自由停車與機械制動器配合可用于

43、緊急停止場合。當(dāng)要緊急停車時，先中止變頻器輸出，再進(jìn)行機械抱閘制動控制。簡單的自由停車方式而沒有機械制動器的配合，是不適用于位能性負(fù)載的。復(fù)合制動停車方式復(fù)合制動停車方式適用大慣性負(fù)載，防止過多的反饋能量將降速停車效果和直流制動效果兩者結(jié)合起來。在變頻器輸出下降頻率上迭加一個直流制動電流，使兩種制動力結(jié)合起來，起到快速電氣制動的效果。復(fù)合制動時，從機械能轉(zhuǎn)換過來的一部分制動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機上。2. 制動功能制動功能回饋制動回饋制動(再生制動)：變頻器逐漸減小輸出頻率，電動機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速超過同步轉(zhuǎn)速，進(jìn)入發(fā)電狀態(tài)，將機械能轉(zhuǎn)換成電能，電機的轉(zhuǎn)速降低趨于同步轉(zhuǎn)速?；仞佒苿涌商岣呓邓僬{(diào)節(jié)速度，提高動態(tài)響應(yīng)速度。 直流制動直流制動(能耗制動)：在定子繞組注入直流電流，迫使交流電動機迅速停車。3. 泵生電壓解決方案泵生電壓解決方案能耗電阻 反饋制動反饋制動整流整流多臺逆變器共用直流母線 電動電動反饋制動反饋制動電動電動整流整流逆變逆變逆變逆變交流回饋主動前端主動前端Active Front End 4. 與降速有關(guān)的其它功能與降速有關(guān)的其它功能使能抱閘制動