变频器的内部控制方式.ppt

五 变频器的内部控制方式 *1 变频器技术及应用变频器技术及应用 五 变频器的内部控制方式 *1 五 变频器的内部控制方式 5.2 5.2 转转转转差差频频频频率控制（率控制（SFSF控制）控制） *2 转转转转差差频频频频率控制率控制变频变频变频变频 器概述器概述 1. 1. U/f U/f 控制方式可控制方式可满满满满足普通系足普通系统统统统的控制要求，主要用于通用的控制要求，主要用于通用 变频变频变频变频 器，但其器，但其转转转转速控制精度及系速控制精度及系统统统统的响的响应应应应性性较较较较差，因差，因为为为为它采它采 用的是开用的是开环环环环控制方式。控制方式。 *2 五 变频器的内部控制方式 5.2 5.2 转转转转差差频频频频率控制（率控制（SFSF控制）控制） *3 转转转转差差频频频频率控制率控制变频变频变频变频 器器概述概述 2. 2. 转转转转差差频频频频率控制率控制变频变频变频变频 器是利用器是利用闭环闭环闭环闭环 控制控制环节环节环节环节 ，根据，根据电动电动电动电动 机机转转转转速差速差和和转转转转矩矩成正比的原理，通成正比的原理，通过过过过控制控制电动电动电动电动 机的机的转转转转差差 n n ， 来控制来控制电动电动电动电动 机的机的转转转转矩，从而达到控制矩，从而达到控制电动电动电动电动 机机转转转转速精度的目的。速精度的目的。 *3 五 变频器的内部控制方式 5.2 5.2 转转转转差差频频频频率控制（率控制（SFSF控制）控制） *4 转转转转差差频频频频率控制率控制变频变频变频变频 器器概述概述 3.3.转转转转差差频频频频率控制率控制变频变频变频变频 器内器内设设设设比比较电较电较电较电 路路和和PIDPID控制控制电电电电 路路，处处处处理目理目标标标标信号和反信号和反馈馈馈馈信号及信号及产产产产生的生的误误误误差。差。 *4 五 变频器的内部控制方式 4. 4. U/f U/f 控制控制变频变频变频变频 器与器与转转转转差差频频频频率控制率控制变频变频变频变频 器的器的区区别别别别 U/U/控制控制变频变频变频变频 器内部器内部不不设设设设置置PIDPID控制功能，控制功能，不不设设设设置置 反反馈馈馈馈端子。而端子。而转转转转差差频频频频率控制在率控制在变频变频变频变频 器的内部要器的内部要设设设设比比较较较较 电电电电路和路和PIDPID控制控制电电电电路。路。 若要用若要用U/U/控制控制 变频变频变频变频 器器实现实现实现实现 闭环闭环闭环闭环 控控 制，需在制，需在变频变频变频变频 器器之之 外配置外配置PIDPID控制板。控制板。 用用U U/ /控制控制变频变频变频变频 器器实实实实 现现现现PIDPID控制控制 5.2 5.2 转转转转差差频频频频率控制（率控制（SFSF控制）控制） 转转转转差差频频频频率控制率控制变频变频变频变频 器器概述概述 *5 五 变频器的内部控制方式5.2 5.2 转转转转差差频频频频率控制（率控制（SFSF控制）控制） 5.2.1 5.2.1 转转转转差差频频频频率控制率控制原理原理 1. 转差频率控制的基本概念 根据异步电动电动 机数学模型，在稳态时稳态时 ，即采用恒Eg/控制（即 恒m控制）时时的电电磁转转矩公式为为 将 代入上式，得 *6*6 五 变频器的内部控制方式5.2 5.2 转转转转差差频频频频率控制（率控制（SFSF控制）控制） 5.2.1 5.2.1 转转转转差差频频频频率控制率控制原理原理 1. 转差频率控制的基本概念 令 这里，s1 称为转转差角频率差角频率 ，简称转差转差 频率频率，则 有 当电机稳态运行时，s 值很小， s也很小，可以认为 则转矩可近似表示为 *7*7 五 变频器的内部控制方式5.2 5.2 转转转转差差频频频频率控制（率控制（SFSF控制）控制） 5.2.1 5.2.1 转转转转差差频频频频率控制率控制原理原理 1. 转差频率控制的基本概念 所以，在s值很小的稳态运行范围内，如果能 够保持气隙磁通 不变，异步电动机的转矩就近似 与转差角频率转差角频率 成正比。 因此，控制转差频率也就代表了控制转矩，这就 是转差频率控制的基本概念。 *8*8 五 变频器的内部控制方式5.2 5.2 转转转转差差频频频频率控制（率控制（SFSF控制）控制） 5.2.1 5.2.1 转转转转差差频频频频率控制原理率控制原理 转转差频频率与转转矩的关系如图图，在电动电动 机允许许的过载过载 转转矩以下，大体可以认为产认为产 生的转转矩与转转差频频率成 比例。另外，电电流随转转差频频率的增加而单调单调 增加。 所以，如果我们给们给 出的转转差频频率不超 过过允许过载时许过载时 的转转差频频率，那 么就可以具有限制电电流的功能。 为为控制转转差频频率虽虽然需要检检 测测出电动电动 机的速度，但系统统的 加减速特性和稳稳定性比开环环的 Uf 控制获获得了提高，过电过电 流 的限制效果也变变好。 *9 转差频率与转矩的关系转差频率与转矩的关系 *9 五 变频器的内部控制方式 转转转转差差频频频频率控制的率控制的规规规规律律为为为为： 5.2.1 5.2.1 转转转转差差频频频频率控制原理率控制原理 5.2 5.2 转转转转差差频频频频率控制（率控制（SFSF控制）控制） 1）在的范围围内，转转矩基本上与 成正比，前提条件是气隙磁通不变变。 2）在不同的定子电电流值时值时 ，按图图示 函数关系控制定子 电压电压 和频频率，就能 保持气隙磁通 恒定。 *10 五 变频器的内部控制方式 5.2.2 5.2.2 转转转转差差频频频频率控制的系率控制的系统统统统构成构成 转转差频频率控制系统统构成图说图说 明 速度调节调节 器采用PI控制，输输入为为速度设设定信号2*和 检测检测 的电电机实际实际 速度2之间间的误误差信号。输输出为转为转 差频频率设设定信号s*。变频变频 器设设定频频率即电动电动 机的定 子电电源频频率1*为转为转 差频频率设设定值值s*与实际转实际转 子转转 速2的和。当电动电动 机负载负载 运行时时，定子频频率设设定将会 自动补偿动补偿 由负载负载 所产产生的转转差，从而保持电动电动 机的 速度为设为设 定速度。速度调节调节 器的限幅值值决定了系统统的 最大转转差频频率。 *11 异步电动机的转差频率控制系统框图异步电动机的转差频率控制系统框图 5.2 5.2 转转转转差差频频频频率控制（率控制（SFSF控制）控制） *11 五 变频器的内部控制方式 5.2.2 5.2.2 转转转转差差频频频频率控制的系率控制的系统统统统构成构成 实际应实际应实际应实际应 用工作用工作过过过过程程 5.2 5.2 转转转转差差频频频频率控制（率控制（SFSF控制）控制） 转速调节器转速调节器ASRASR的输出信号是转差频率给定值的输出信号是转差频率给定值 与实测转速信号与实测转速信号相加，即得定子频率给定信号相加，即得定子频率给定信号 即即，由由和定子电流反馈信号和定子电流反馈信号从从 函数中查得函数中查得 然后然后用用 和和 去去控制控制 PWMPWM电压电压 型逆变器。型逆变器。 定子电压给定信号定子电压给定信号 *12 五 变频器的内部控制方式 5.2.2 5.2.2 转转转转差差频频频频率控制的系率控制的系统统统统构成构成 5.2 5.2 转转转转差差频频频频率控制（率控制（SFSF控制）控制） 转差角频率与实测转速信号相加后得到定子频率 ，是转差频率控制系统突出的特点或优点。 随着实际转速 加、减速平滑而且稳定。在动态过程中转速调节器ASR饱和， 系统能用对应于 的限幅转矩的限幅转矩 进行控制， 保证了在允 许条件下的 快速性。 输入信号 在调速过程中，实际频率 同步上升或下降， *13 五 变频器的内部控制方式 转转转转差差频频频频率控制率控制还还不能完全达到直流双闭环闭环 控制系统统的水平， 存在差距的原因有以下几个方面： 1)在分析转转差频频率控制规规律时时，是从异步电动电动 机稳态稳态 等效电电 路和稳态转稳态转 矩公式出发发的，所谓谓的“保持磁通m恒定”的结论结论 也只是在稳态稳态 情况下才成立。 2） 函数关系中只抓住了定子电电流的幅值值，没有控 制到电电流的相位，而在动态动态 中电电流的相位也是影响转转矩变变化的 因素。 3）在频频率控制环节环节 中，取 ，使频率1得以与转速 同步升降，这这本是转转差频频率控制的优优点。然而，如果转转速检测检测 信号不准确或存在干扰扰，也就会直接给频给频 率造成误误差，因为为所 有这这些偏差和干扰扰都以正反馈馈的形式毫无衰减地传递传递 到频频率控 制信号上来了。 5.2.2 5.2.2 转转转转差差频频频频率控制的系率控制的系统统统统构成构成 *14 五 变频器的内部控制方式 转差频率控制方式转差频率控制方式：利用转差补偿来实现闭环控制从而达到：利用转差补偿来实现闭环控制从而达到 最终控制电磁转矩的目的的方式。最终控制电磁转矩的目的的方式。 实现方法实现方法：根据速度传感器的检测，求出转差频率：根据速度传感器的检测，求出转差频率f f，再，再 把它与速度设定值把它与速度设定值 f f 相叠加，以该叠加值作为逆变器的频率设相叠加，以该叠加值作为逆变器的频率设 定值定值 f f 1 1，就实现了转差补偿。，就实现了转差补偿。 与与U U/ /f f控制方式相比的优点控制方式相比的优点：转差频率控制的调速精度大为：转差频率控制的调速精度大为 提高。提高。 缺点缺点：采用该方式必须使用：采用该方式必须使用速度传感器速度传感器求取转差频率，同时求取转差频率，同时 要针对具体电动机的要针对具体电动机的机械特性机械特性去调整控制参数，因而这种控制去调整控制参数，因而这种控制 方式的方式的通用性较差通用性较差。 通常，采用转差频率控制的调速装置都是单机运转，即一台通常，采用转差频率控制的调速装置都是单机运转，即一台 变频器控制一台电机。变频器控制一台电机。 转差频率控制变频器小结转差频率控制变频器小结 5.2 5.2 转转转转差差频频频频率控制（率控制（SFSF控制）控制） *15 五 变频器的内部控制方式5.3 5.3 矢量控制矢量控制 (VC(VC控制控制) ) *16*16 5.3.15.3.1矢量控制系矢量控制系统统统统的基本思路的基本思路 从外部看，从外部看，输输输输入入为为为为A A，B B，C C三相三相电压电压电压电压 ，输输输输出出是是转转转转速速 一一台台异步异步 电动电动电动电动 机，从机，从内部看，内部看，经过经过经过经过 3/23/2变换变换变换变换 和和同步旋同步旋转变换转变换转变换转变换 ，变变变变成一台成一台 由由i im m和 和 i i t t 输输输输入，由入，由 输输输输出的直流出的直流电动电动电动电动 机。机。异步电动机经过坐标异步电动机经过坐标 变换可以等效成直流电动机，那么，模仿直流电动机的控制策变换可以等效成直流电动机，那么，模仿直流电动机的控制策 略，得到直流电动机的控制量，经过相应的坐标反变换，就能略，得到直流电动机的控制量，经过相应的坐标反变换，就能 够控制异步电动机。由于进行够控制异步电动机。由于进行坐标变换坐标变换的是的是空间矢量空间矢量，所以这，所以这 样通过坐标变换实现的控制系统就叫作样通过坐标变换实现的控制系统就叫作矢量控制系统矢量控制系统，简称，简称VCVC 系统。系统。 异步异步 电动电动 机的机的 坐标坐标 变换变换 结构结构 图图 五 变频器的内部控制方式5.3 5.3 矢量控制矢量控制 (VC(VC控制控制) ) *17*17 5.3.15.3.1矢量控制系矢量控制系统统统统的基本思路的基本思路 3/23/2三相三相/ /两相变换两相变换; ; VRVR同步旋转变换同步旋转变换; ; MM轴与轴与 轴（轴（A A轴）的夹角轴）的夹角 异步电动机的坐标变换结构图异步电动机的坐标变换结构图 五 变频器的内部控制方式 5.3.2 5.3.2 直流直流电动电动电动电动 机与异步机与异步电动电动电动电动 机机调调调调速上的差异速上的差异 1 1直流电动机的调速特征直流电动机的调速特征 直流电动机具有两套绕组，即励磁绕组和电枢绕组直流电动机具有两套绕组，即励磁绕组和电枢绕组 ，它们的，它们的磁场在空间上互差磁场在空间上互差/2/2电角度电角度，两套绕组在电，两套绕组在电 路上是互相独立的。路上是互相独立的。 2 2异步电动机的调速特征异步电动机的调速特征 异步电动机也有定子绕组和转子绕组，但只有定子绕异步电动机也有定子绕组和转子绕组，但只有定子绕 组和外部电源相接，定子电流组和外部电源相接，定子电流I I 1 1 是从电源吸取电流，转是从电源吸取电流，转 子电流子电流I I 2 2 是通过电磁感应产生的感应电流。因此是通过电磁感应产生的感应电流。因此异步电异步电 动机的定子电流应包括两个分量动机的定子电流应包括两个分量，即，即励磁分量励磁分量和和负载分负载分 量量。励磁分量用于建立磁场；负载分量用于平衡转子电。励磁分量用于建立磁场；负载分量用于平衡转子电 流磁场。流磁场。 *18*18 5.3 5.3 矢量控制矢量控制 (VC(VC控制控制) ) 五 变频器的内部控制方式 5.3.3 5.3.3 矢量控制中的等效矢量控制中的等效变换变换变换变换 *19*19 5.3 5.3 矢量控制矢量控制 (VC(VC控制控制) ) a) a) 三相电流绕组三相电流绕组 b) b) 两相交流绕组两相交流绕组 c) c) 旋转的直流绕组旋转的直流绕组 异步电动机的几种等效模型异步电动机的几种等效模型 三相静止坐三相静止坐标标标标系系A A，B B，C C和两相静止坐和两相静止坐标标标标系系 和和 之之间间间间 可可进进进进行行变换变换变换变换 ，称，称为为为为3s/2s3s/2s变换变换变换变换 ，变换变换变换变换 的的原原则则则则是保持是保持变变变变 换换换换前后的前后的功率不功率不变变变变。 五 变频器的内部控制方式 5.3.3 5.3.3 矢量控制中的等效矢量控制中的等效变换变换变换变换 *20*20 5.3 5.3 矢量控制矢量控制 (VC(VC控制控制) ) a) a) 三相电流绕组三相电流绕组 b) b) 两相交流绕组两相交流绕组 c) c) 旋转的直流绕组旋转的直流绕组 异步电动机的几种等效模型异步电动机的几种等效模型 交流交流电动电动电动电动 机机为为为为三相三相对对对对称的静止称的静止绕组绕组绕组绕组 ，通以三相平衡的正弦，通以三相平衡的正弦电电电电流流 后，将后，将产产产产生旋生旋转转转转磁磁动势动势动势动势 F F，在空，在空间间间间呈正弦分布，以同步呈正弦分布，以同步转转转转速速 1 1 （ 即即电电电电流的角流的角频频频频率）旋率）旋转转转转，如，如图图图图a a 。 五 变频器的内部控制方式 5.3.3 5.3.3 矢量控制中的等效矢量控制中的等效变换变换变换变换 *21*21 5.3 5.3 矢量控制矢量控制 (VC(VC控制控制) ) a) a) 三相电流绕组三相电流绕组 b) b) 两相交流绕组两相交流绕组 c) c) 旋转的直流绕组旋转的直流绕组 异步电动机的几种等效模型异步电动机的几种等效模型 任意对称的多相绕组，通入平衡的多相电流，都能产生旋转磁任意对称的多相绕组，通入平衡的多相电流，都能产生旋转磁 动势，以两相最为简单。如图动势，以两相最为简单。如图b b中绘出了两相静止绕组中绘出了两相静止绕组a a和和b b， 空间互差空间互差9090，通入时间上互差，通入时间上互差9090的两相平衡交流电流，也能的两相平衡交流电流，也能 产生旋转磁动势产生旋转磁动势F F。如单相交流电机。如单相交流电机。 五 变频器的内部控制方式 5.3.3 5.3.3 矢量控制中的等效矢量控制中的等效变换变换变换变换 *22*22 5.3 5.3 矢量控制矢量控制 (VC(VC控制控制) ) a) a) 三相电流绕组三相电流绕组 b) b) 两相交流绕组两相交流绕组 c) c) 旋转的直流绕组旋转的直流绕组 异步电动机的几种等效模型异步电动机的几种等效模型 当当图图图图a a和和b b的两个旋的两个旋转转转转磁磁动势动势动势动势 大小和大小和转转转转速都相等速都相等时时时时，即，即认为图认为图认为图认为图 b b 的两相的两相绕组绕组绕组绕组 与与图图图图a a的三相的三相绕组绕组绕组绕组 等效。等效。 五 变频器的内部控制方式 s F M T iM iT M T 5.3.3 5.3.3 矢量控制中的等效矢量控制中的等效变换变换变换变换 5.3 5.3 矢量控制矢量控制 (VC(VC控制控制) ) 图图c c的两个匝数相等且互相垂直的绕组的两个匝数相等且互相垂直的绕组 T T 和和 MM，分别通以直流，分别通以直流 电流电流 i i T T 和和i iM M，产生合成磁动势 ，产生合成磁动势 F F ，其位置相对于绕组是固定的，其位置相对于绕组是固定的 。 如果让包含这两个绕组在内的整个铁心以同步转速旋转，则磁如果让包含这两个绕组在内的整个铁心以同步转速旋转，则磁 动势动势 F F 自然也随之旋转起来，成为旋转磁动势。自然也随之旋转起来，成为旋转磁动势。 旋转的直流绕组与等效直流电机模型 五 变频器的内部控制方式 s F M T iM iT M T 5.3.3 5.3.3 矢量控制中的等效矢量控制中的等效变换变换变换变换 5.3 5.3 矢量控制矢量控制 (VC(VC控制控制) ) 把这个旋转磁动势的大小和转速也控制成与图把这个旋转磁动势的大小和转速也控制成与图 a a 和图和图 b b 中的磁中的磁 动势一样，那么这套旋转的直流绕组也就和前面两套固定的交动势一样，那么这套旋转的直流绕组也就和前面两套固定的交 流绕组都流绕组都等效。等效。当观察者也站到铁心上和绕组一起旋转时，在当观察者也站到铁心上和绕组一起旋转时，在 他看来，他看来，T T和和 M M 是两个通以直流而相互垂直的静止绕组。是两个通以直流而相互垂直的静止绕组。 旋转的直流绕组与等效直流电机模型 五 变频器的内部控制方式 s F M T iM iT M T 5.3.3 5.3.3 矢量控制中的等效矢量控制中的等效变换变换变换变换 5.3 5.3 矢量控制矢量控制 (VC(VC控制控制) ) 如果控制磁通的位置在如果控制磁通的位置在 d d 轴上，就和直流电机物理模型没有本轴上，就和直流电机物理模型没有本 质上的区别了。这时，绕组质上的区别了。这时，绕组T T相当于相当于励磁绕组励磁绕组，M M 相当于相当于伪静伪静 止的电枢绕组止的电枢绕组。 旋转的直流绕组与等效直流电机模型 五 变频器的内部控制方式 5.3.3 5.3.3 矢量控制中的等效矢量控制中的等效变换变换变换变换 *26*26 5.3 5.3 矢量控制矢量控制 (VC(VC控制控制) ) a) a) 三相电流绕组三相电流绕组 b) b) 两相交流绕组两相交流绕组 c) c) 旋转的直流绕组旋转的直流绕组 异步电动机的几种等效模型异步电动机的几种等效模型 由此可见，以由此可见，以产生同样的旋转磁动势为准则产生同样的旋转磁动势为准则，图，图a a的的三相交流绕三相交流绕 组组、图、图b b的的两相交流绕组两相交流绕组和图和图c c中中整体旋转的直流绕组整体旋转的直流绕组彼此等效彼此等效 。或者说，在三相坐标系下的。或者说，在三相坐标系下的 i i A A 、i i B B 、i i C C ，在两相坐标系下的，在两相坐标系下的 i i 、i i 和在旋转两相坐标系下的直流和在旋转两相坐标系下的直流 i i t t 、i im m 是等效的，它们能产 是等效的，它们能产 生相同的旋转磁动势。生相同的旋转磁动势。 五 变频器的内部控制方式 5.3.3 5.3.3 矢量控制中的等效矢量控制中的等效变换变换变换变换 *27*27 5.3 5.3 矢量控制矢量控制 (VC(VC控制控制) ) 有意思的是：就图有意思的是：就图c c 的的 T T、M M 两个绕组而言，当观察两个绕组而言，当观察 者站在地面看上去，它们是与三相交流绕组等效的旋者站在地面看上去，它们是与三相交流绕组等效的旋 转直流绕组；如果跳到旋转着的铁心上看，它们就的转直流绕组；如果跳到旋转着的铁心上看，它们就的 的确确是一个直流电机模型了。这样，通过坐标系的的确确是一个直流电机模型了。这样，通过坐标系的 变换，可以找到与交流三相绕组等效的直流电机模型变换，可以找到与交流三相绕组等效的直流电机模型 。 现在的问题是，现在的问题是，如何如何 求出求出i i A A 、i i B B 、i i C C 与与 i i 、 i i 和和 i i t t 、i im m 之间准确的 之间准确的 等效关系，这就是等效关系，这就是坐坐 标变换标变换的任务。的任务。 五 变频器的内部控制方式 1. 1. 三相三相- -两相变换（两相变换（3/23/2变换）变换） 先考虑上述的第一种坐标变换先考虑上述的第一种坐标变换 在三相静止绕组在三相静止绕组A A、B B、C C和两相静止绕组和两相静止绕组 、 之间的变之间的变 换，或称三相静止坐标系和两相静止坐标系间的变换，简称换，或称三相静止坐标系和两相静止坐标系间的变换，简称 3/2 3/2 变换。变换。 A N2i N3iA N3iC N3iBN2i 60o 60o B 三相和两相坐标系与绕组磁动势的空间矢量 五 变频器的内部控制方式 1. 1. 三相三相- -两相变换（两相变换（3/23/2变换）变换） A N2i N3iA N3iC N3iBN2i 60o 60o B 三相和两相坐标系与绕组磁动势的空间矢量 图中绘出了图中绘出了 A A、B B、C C 和和 、 两个坐标系，为方便起见，取两个坐标系，为方便起见，取 A A 轴和轴和 轴重合。设三相绕组每相有效匝数为轴重合。设三相绕组每相有效匝数为N N 3 3 ，两相绕组每相，两相绕组每相 有效匝数为有效匝数为N N 2 2 ，各相磁动势为有效匝数与电流的乘积，其空间，各相磁动势为有效匝数与电流的乘积，其空间 矢量均位于有关相的坐标轴矢量均位于有关相的坐标轴 上。由于交流磁动势的大小随上。由于交流磁动势的大小随 时间在变化着，图中磁动势矢时间在变化着，图中磁动势矢 量的长度是随意的。量的长度是随意的。 五 变频器的内部控制方式 设磁动势波形是正弦分布的，当三相总磁动势设磁动势波形是正弦分布的，当三相总磁动势 与二相总磁动势相等时，两套绕组瞬时磁动势在与二相总磁动势相等时，两套绕组瞬时磁动势在 、 轴上的投影都应相等，轴上的投影都应相等， 1. 1. 三相三相- -两相变换（两相变换（3/23/2变换）变换） 五 变频器的内部控制方式 1. 1. 三相三相- -两相变换（两相变换（3/23/2变换）变换） 写成矩阵形式，得 （1） 考虑考虑变换前后总功率不变换前后总功率不 变变，在此前提下，可以，在此前提下，可以 证明匝数比应为证明匝数比应为 （2） 五 变频器的内部控制方式 1. 三相-两相变换（3/2变换） 代入式（代入式（1 1），得），得 （3） 五 变频器的内部控制方式 1. 三相-两相变换（3/2变换） 令令 C C3/2 3/2 表示从三相坐标系变换到两相坐标系的变换 表示从三相坐标系变换到两相坐标系的变换 矩阵，则矩阵，则 （4） （5） 五 变频器的内部控制方式 5.3.4 5.3.4 直角坐直角坐标标标标极坐极坐标变换标变换标变换标变换 在矢量控制系在矢量控制系统统统统中，有中，有时时时时需将直角坐需将直角坐标变换为标变换为标变换为标变换为 极坐极坐 标标标标，用矢量幅，用矢量幅值值值值和相位和相位夹夹夹夹角表示矢量角表示矢量。矢量。矢量i i 1 1 和和MM轴轴轴轴的的夹夹夹夹 角角为为为为 1 1 ，若由已知的，若由已知的i im m、 、i i y y 来求来求i i 1 1 和和 1 1 ，则则则则必必须进须进须进须进 行行KKP P 变换变换变换变换 ，其关系公式，其关系公式为为为为 *34*34 5.3 5.3 矢量控制矢量控制 (VC(VC控制控制) ) 两相静止坐标系变换到两相旋转坐标系磁动势等效两相静止坐标系变换到两相旋转坐标系磁动势等效 五 变频器的内部控制方式 5.3.5 5.3.5 变频变频变频变频 器器矢量控制的基本思想矢量控制的基本思想 1 1矢量控制的基本理念矢量控制的基本理念 *35 矢量控制的示意矢量控制的示意图图图图 *35 5.3 5.3 矢量控制矢量控制 (VC(VC控制控制) ) 五 变频器的内部控制方式 *36 异步电动机矢量变换与电流解耦数学模型 5.3.5 5.3.5 变频变频变频变频 器矢量控制的基本思想器矢量控制的基本思想 1 1矢量控制的基本理念矢量控制的基本理念 5.3 5.3 矢量控制矢量控制 (VC(VC控制控制) ) 五 变频器的内部控制方式 *37 矢量控制系统原理结构图矢量控制系统原理结构图 5.3.5 5.3.5 变频变频变频变频 器矢量控制的基本思想器矢量控制的基本思想 1 1矢量控制的基本理念矢量控制的基本理念 5.3 5.3 矢量控制矢量控制 (VC(VC控制控制) ) 五 变频器的内部控制方式 控制器VR-12/3 电流控 制变频 器 3/2VR 等效直流 电机模型 + i*m i*t s i* i* i*A i*B i*C iA iB iC i i im it 反馈信号 异步电动机 给定 信号 2 2矢量控制中的反馈矢量控制中的反馈 *38*38 5.3 5.3 矢量控制矢量控制 (VC(VC控制控制) ) 电电电电流反流反馈馈馈馈用于反映用于反映负载负载负载负载 的状的状态态态态，使，使i i T T * * 能随能随负载负载负载负载 而而变变变变化。速化。速 度反度反馈馈馈馈反映出拖反映出拖动动动动系系统统统统的的实际转实际转实际转实际转 速和速和给给给给定定值值值值之之间间间间的差异，从的差异，从 而以最快的速度而以最快的速度进进进进行校正，提高了系行校正，提高了系统统统统的的动态动态动态动态 性能。速度反性能。速度反馈馈馈馈 的反的反馈馈馈馈信号可由脉冲信号可由脉冲编码编码编码编码 器器PGPG测测测测得。得。现现现现代的代的变频变频变频变频 器又推广使器又推广使 用了无速度用了无速度传传传传感器矢量控制技感器矢量控制技术术术术，它的速度反，它的速度反馈馈馈馈信号不是来自信号不是来自 速度速度传传传传感器，而是通感器，而是通过过过过CPUCPU对电动对电动对电动对电动 机的各种参数，如机的各种参数，如I I 1 1 、r r 2 2 等等 经过计经过计经过计经过计 算得到的一个算得到的一个转转转转速的速的实实实实在在值值值值，由，由这这这这个个计计计计算出的算出的转转转转速速实实实实 在在值值值值和和给给给给定定值值值值之之间间间间的差异来的差异来调调调调整整i iM M * * 和和i i T T * * ，改，改变变频变变频变变频变变频 器的器的输输输输出出 频频频频率和率和电压电压电压电压 。 五 变频器的内部控制方式 5.3.6 5.3.6 使用使用矢量控制的要求矢量控制的要求 选择矢量控制模式，对变频器和电动机有如下要求：选择矢量控制模式，对变频器和电动机有如下要求： 1) 1) 一台变频器只能带一台电动机。一台变频器只能带一台电动机。 2) 2) 电动机的极数要按说明书的要求，一般以电动机的极数要按说明书的要求，一般以4 4极电动极电动 机为最佳。机为最佳。 3) 3) 电动机容量与变频器的容量相当，最多差一个等级电动机容量与变频器的容量相当，最多差一个等级 。 4) 4) 变频器与电动机间的连接线不能过长，一般应在变频器与电动机间的连接线不能过长，一般应在 30m30m以内。如果超过以内。如果超过30m30m，需要在连接好电缆后，进，需要在连接好电缆后，进 行离线自动调整，以重新测定电动机的相关参数。行离线自动调整，以重新测定电动机的相关参数。 *39*39 5.3 5.3 矢量控制矢量控制 (VC(VC控制控制) ) 五 变频器的内部控制方式 5.3.7 5.3.7 矢量控制矢量控制系系统统统统的的优优优优点和点和应应应应用范用范围围围围 1. 1. 矢量控制系统的优点矢量控制系统的优点 1 1）动态的高速响应）动态的高速响应 2 2）低频转矩增大）低频转矩增大 3 3）控制灵活）控制灵活 2. 2. 矢量控制系统的应用范围矢量控制系统的应用范围 1 1）要求高速响应的工作机械）要求高速响应的工作机械 2 2）适应恶劣的工作环境）适应恶劣的工作环境 3 3）高精度的电力拖动）高精度的电力拖动 4 4）四象限运转）四象限运转 *40*40 5.3 5.3 矢量控制矢量控制 (VC(VC控制控制) ) 五 变频器的内部控制方式 5.4 5.4 直接直接转转转转矩控制矩控制 5.4.1 5.4.1 直接直接转转转转矩控制系矩控制系统统统统 直接转矩控制系统是继矢量控制之后发展起来的直接转矩控制系统是继矢量控制之后发展起来的 另一种高性能的交流变频调速系统。直接转矩控制另一种高性能的交流变频调速系统。直接转矩控制 把转矩直接作为控制量来控制。把转矩直接作为控制量来控制。 直接转矩控制是直接在定子坐标系下分析交流电直接转矩控制是直接在定子坐标系下分析交流电 动机的模型，控制电动机的磁链和转矩。它不需要动机的模型，控制电动机的磁链和转矩。它不需要 将交流电动机化成等效直流电动机，因而省去了矢将交流电动机化成等效直流电动机，因而省去了矢 量旋转变换中的许多复杂计算，它不需要模仿直流量旋转变换中的许多复杂计算，它不需要模仿直流 电动机的控制，也不需要为解耦而简化交流电动机电动机的控制，也不需要为解耦而简化交流电动机 的数学模型。的数学模型。 *41*41 五 变频器的内部控制方式 5.4.2 5.4.2 直接直接转转转转矩控制的矩控制的优势优势优势优势 转转矩控制是控制定子磁链链，在本质质上并不需要转转 速信息；控制上对对除定子电电阻外的所有电动电动 机参数变变 化鲁鲁棒性好；所引入的定子磁链观测链观测 器能很容易地估 算出同步速度信息。因而能方便地实现实现 无速度传传感器 化。这这种控制也称为为无速度传传感器直接转转矩控制。 然而，这这种控制要依赖赖于精确的电动电动 机数学模型 和对电动对电动 机参数的自动识别动识别 (ID) 。 *42*42 五 变频器的内部控制方式 5.5 5.5 单单单单片机控制片机控制 5.5.1 5.5.1 概述概述 随着微随着微电电电电子工子工艺艺艺艺水平的提高，微型水平的提高，微型计计计计算机的性算机的性 能价格比能价格比显显显显著提高，全数字化著提高，全数字化变频调变频调变频调变频调 速系速系统统统统大都大都 是以高性能是以高性能单单单单片机和数字信号片机和数字信号处处处处理器理器(DSP)(DSP)等等为为为为控控 制核心来构成整个系制核心来构成整个系统统统统。专专专专用于用于电电电电机控制的机控制的单单单单片机片机 的出的出现现现现，使得系，使得系统统统统的体的体积积积