第十讲转速开环Uf控制变频调速系统

1、第十讲转速开环第十讲转速开环Uf控制变频调速系统控制变频调速系统 第二章第二章 电力电子变频器及电力电子变频器及 PWM控制原理控制原理 第十讲转速开环第十讲转速开环Uf控制变频调速系统控制变频调速系统 2. 7 转速开环的转速开环的U/f控制变频调速系统控制变频调速系统 v 直流电机的主磁通和电枢电流分布的空间位置是确定的，直流电机的主磁通和电枢电流分布的空间位置是确定的， 而且可以独立进行控制。而且可以独立进行控制。 v 交流异步电机的磁通则由定子与转子电流合成产生，它的交流异步电机的磁通则由定子与转子电流合成产生，它的 空间位置相对于定子和转子都是运动的，除此以外，在笼空间位置相对于定子

2、和转子都是运动的，除此以外，在笼 型转子异步电机中，转子电流还是不可测和不可控的。型转子异步电机中，转子电流还是不可测和不可控的。 因此，异步电机的动态数学模型要比直流电机模型复因此，异步电机的动态数学模型要比直流电机模型复 杂得多。杂得多。 第十讲转速开环第十讲转速开环Uf控制变频调速系统控制变频调速系统 好在不少机械负载，例如风机和水泵，并不需要很高好在不少机械负载，例如风机和水泵，并不需要很高 的动态性能，只要在一定范围内能实现高效率的调速就行，的动态性能，只要在一定范围内能实现高效率的调速就行， 因此可以只用电机的稳态模型来设计其控制系统。因此可以只用电机的稳态模型来设计其控制系统。

3、为了实现电压为了实现电压-频率协调控制，可以采用转速开环恒压频率协调控制，可以采用转速开环恒压 频比带低频电压补偿的控制方案，这就是常用的通用变频频比带低频电压补偿的控制方案，这就是常用的通用变频 器控制系统。器控制系统。 第十讲转速开环第十讲转速开环Uf控制变频调速系统控制变频调速系统 2. 7 转速开环的转速开环的U/f控制变频调速系统控制变频调速系统 v 概述概述 现代通用变频器大都是采用二极管整流和由快速现代通用变频器大都是采用二极管整流和由快速 全控开关器件全控开关器件 IGBT 或功率模块或功率模块IPM 组成的组成的PWM逆逆 变器，构成交变器，构成交-直直-交电压源型变压变频器

4、，已经占领交电压源型变压变频器，已经占领 了全世界了全世界0.5600kW 中、小容量变频调速装置的绝大中、小容量变频调速装置的绝大 部分市场。部分市场。 第十讲转速开环第十讲转速开环Uf控制变频调速系统控制变频调速系统 所谓所谓“通用通用”，包含着两方面的含义：，包含着两方面的含义： （1）可以和通用的笼型异步电机配套使用；）可以和通用的笼型异步电机配套使用； （2）具有多种可供选择的功能，适用于各种不同性质的）具有多种可供选择的功能，适用于各种不同性质的 负载。负载。 v 系统介绍系统介绍 下图绘出了一种典型的数字控制通用变频器数字控制通用变频器-异步电异步电 动机调速系统动机调速系统原理

5、图。 第十讲转速开环第十讲转速开环Uf控制变频调速系统控制变频调速系统 1. 系统组成系统组成 M 3 电压 检测 泵升 限制 电流 检测 温度 检测 电流 检测 中 央 处 理 器 显示 设定 接口 PWM 发生器 驱动 电路 URUIR0 R1 R2 Rb VTb K R0 R1Rb R2 第十讲转速开环第十讲转速开环Uf控制变频调速系统控制变频调速系统 u限流电阻限流电阻 为了避免大电容为了避免大电容C在通电瞬间产生过大的充电电在通电瞬间产生过大的充电电 流，在整流器和滤波电容间的直流回路上串入限流电阻流，在整流器和滤波电容间的直流回路上串入限流电阻 （或电抗），通上电源时，先限制充电电

6、流，再延时用开（或电抗），通上电源时，先限制充电电流，再延时用开 关关K将其短路，以免长期接入时影响变频器的正常工作，将其短路，以免长期接入时影响变频器的正常工作， 并产生附加损耗。并产生附加损耗。 u主电路主电路由二极管整流器由二极管整流器UR、PWM逆变器逆变器UI和中间直和中间直 流电路三部分组成，一般都是电压源型的，采用大电容流电路三部分组成，一般都是电压源型的，采用大电容C 滤波，同时兼有无功功率交换的作用。滤波，同时兼有无功功率交换的作用。 第十讲转速开环第十讲转速开环Uf控制变频调速系统控制变频调速系统 u泵升限制电路泵升限制电路由于二极管整流器不能为异步电机由于二极管整流器不能

7、为异步电机 的再生制动提供反向电流的通路，所以除特殊情况外，的再生制动提供反向电流的通路，所以除特殊情况外， 通用变频器一般都用电阻吸收制动能量。减速制动时，通用变频器一般都用电阻吸收制动能量。减速制动时， 异步电机进入发电状态，首先通过逆变器的续流二极管异步电机进入发电状态，首先通过逆变器的续流二极管 向电容向电容C充电，当中间直流回路的电压（通称泵升电压）充电，当中间直流回路的电压（通称泵升电压） 升高到一定的限制值时，通过泵升限制电路使开关器件升高到一定的限制值时，通过泵升限制电路使开关器件 导通，将电机释放的动能消耗在制动电阻上。导通，将电机释放的动能消耗在制动电阻上。 第十讲转速开环

8、第十讲转速开环Uf控制变频调速系统控制变频调速系统 u进线电抗器进线电抗器 二极管整流器虽然是全波整流装置，但由二极管整流器虽然是全波整流装置，但由 于其输出端有滤波电容存在，因此输入电流呈脉冲波形。于其输出端有滤波电容存在，因此输入电流呈脉冲波形。 第十讲转速开环第十讲转速开环Uf控制变频调速系统控制变频调速系统 这样的电流波形具有较大的谐波分量，使电源受到污这样的电流波形具有较大的谐波分量，使电源受到污 染。染。 为了抑制谐波电流，对于容量较大的为了抑制谐波电流，对于容量较大的PWM变频器，变频器， 都应在输入端设有进线电抗器，有时也可以在整流器和电都应在输入端设有进线电抗器，有时也可以在

9、整流器和电 容器之间串接直流电抗器。还可用来抑制电源电压不平衡容器之间串接直流电抗器。还可用来抑制电源电压不平衡 对变频器的影响。对变频器的影响。 第十讲转速开环第十讲转速开环Uf控制变频调速系统控制变频调速系统 uPWM信号产生信号产生现代现代PWM变频器的控制电路大都是以微变频器的控制电路大都是以微 处理器为核心的数字电路产生，其功能主要是接受各种设定处理器为核心的数字电路产生，其功能主要是接受各种设定 信息和指令，再根据它们的要求形成驱动逆变器工作的信息和指令，再根据它们的要求形成驱动逆变器工作的 PWM信号。微机芯片主要采用信号。微机芯片主要采用8位或位或16位的单片机，或用位的单片机

10、，或用32 位的位的DSP；也可采用专用的；也可采用专用的PWM生成电路芯片。生成电路芯片。 u检测与保护电路检测与保护电路各种故障的保护由电压、电流、温度等各种故障的保护由电压、电流、温度等 检测信号经信号处理电路进行分压、光电隔离、滤波、放大检测信号经信号处理电路进行分压、光电隔离、滤波、放大 等综合处理，再进入等综合处理，再进入A/D转换器，输入给转换器，输入给CPU作为控制算法作为控制算法 的依据，或者作为开关电平产生保护信号和显示信号。的依据，或者作为开关电平产生保护信号和显示信号。 控制电路控制电路 第十讲转速开环第十讲转速开环Uf控制变频调速系统控制变频调速系统 控制电路（续）控

11、制电路（续） u信号设定信号设定需要设定的控制信息主要有：需要设定的控制信息主要有：U/f 特性、工特性、工 作频率、频率升高时间、频率下降时间等，还可以有一作频率、频率升高时间、频率下降时间等，还可以有一 系列特殊功能的设定。由于通用变频器系列特殊功能的设定。由于通用变频器-异步电动机系统异步电动机系统 是转速或频率开环、恒压频比控制系统，低频时，或负是转速或频率开环、恒压频比控制系统，低频时，或负 载的性质和大小不同时，都得靠改变载的性质和大小不同时，都得靠改变 U/f 函数发生器的特函数发生器的特 性来补偿，使系统达到恒定，甚至恒定的功能，在通用性来补偿，使系统达到恒定，甚至恒定的功能，

12、在通用 产品中称作产品中称作“电压补偿电压补偿”或或“转矩补偿转矩补偿”。 第十讲转速开环第十讲转速开环Uf控制变频调速系统控制变频调速系统 补偿方法补偿方法 实现补偿的方法有两种：实现补偿的方法有两种： 一种是在微机中存储多条不同斜率和折线段的一种是在微机中存储多条不同斜率和折线段的U / f 函函 数，由用户根据需要选择最佳特性；数，由用户根据需要选择最佳特性； 另一种办法是采用霍耳电流传感器检测定子电流或直另一种办法是采用霍耳电流传感器检测定子电流或直 流回路电流，按电流大小自动补偿定子电压。但无论流回路电流，按电流大小自动补偿定子电压。但无论 如何都存在过补偿或欠补偿的可能，这是开环控

13、制系如何都存在过补偿或欠补偿的可能，这是开环控制系 统的不足之处。统的不足之处。 第十讲转速开环第十讲转速开环Uf控制变频调速系统控制变频调速系统 u给定积分给定积分由于系统本身没有自动限制起制动电流的由于系统本身没有自动限制起制动电流的 作用，因此，频定设定信号必须通过给定积分算法产生作用，因此，频定设定信号必须通过给定积分算法产生 平缓升速或降速信号，升速和降速的积分时间可以根据平缓升速或降速信号，升速和降速的积分时间可以根据 负载需要由操作人员分别选择。负载需要由操作人员分别选择。 综上所述，综上所述，PWM变压变频器的基本控制作用如图所变压变频器的基本控制作用如图所 示。近年来，许多企

14、业不断推出具有更多自动控制功能示。近年来，许多企业不断推出具有更多自动控制功能 的变频器，使产品性能更加完善，质量不断提高。的变频器，使产品性能更加完善，质量不断提高。 第十讲转速开环第十讲转速开环Uf控制变频调速系统控制变频调速系统 2. 7 转速开环的转速开环的U/f控制变频调速系统控制变频调速系统 tf f *u f u 斜坡函数U / f 曲线脉冲发生器 驱动 电路 工作频 率设定 升降速 时间设定 电压补偿设定PWM产生 第十讲转速开环第十讲转速开环Uf控制变频调速系统控制变频调速系统 E2PROM 电源监电源监 控控 键盘键盘 显示显示 信号信号 输出输出 时钟电路时钟电路 检测检

15、测 信号信号 信号调信号调 理理 充电继电器充电继电器 模拟模拟 信号信号 外部外部 中断中断 信号信号 驱动电驱动电 路路 PWM MCS 87C196MC 图图2-50 以以MCS87C196MC单片机为核心的开环通用变频器控制电单片机为核心的开环通用变频器控制电 路框图路框图 第十讲转速开环第十讲转速开环Uf控制变频调速系统控制变频调速系统 图图2-53 51 A/D转换器的接口电路转换器的接口电路 检测信号检测信号RR UCC C 0.01 270270 VD 1N4148 VD 1N4148 ACHX MCS-196 Uref R1 R2 R3 Udc LF353 + - R4 1

16、2 3 45 6 7 8 UCC R5 EXTINT OV GND NC A CA NC UCC NC Uo GND 6N137 GND 图图2-54 52 过电压检测信号的输入接口电路过电压检测信号的输入接口电路 2个二极管：过载保护作用；个二极管：过载保护作用； RC滤波器可以对尖峰类噪声进行有效的抑制。滤波器可以对尖峰类噪声进行有效的抑制。 在模拟输入端加上阻容电路，在模拟输入端加上阻容电路， （1 1）低通滤波的作用）低通滤波的作用 （2 2）在过电压的条件下，串联电阻可以起到限流作用；）在过电压的条件下，串联电阻可以起到限流作用； （3 3）模拟信号源内阻过大会降低）模拟信号源内阻过

17、大会降低A/DA/D转换的精度，而并联的电容则转换的精度，而并联的电容则 起到误差补偿的作用起到误差补偿的作用 第十讲转速开环第十讲转速开环Uf控制变频调速系统控制变频调速系统 2.7 转速开环的转速开环的U/f控制变频调速系统控制变频调速系统 v 开环开环U/f控制变频器发展的特点是通用化、系列化和控制变频器发展的特点是通用化、系列化和 规模化生产。新一代的规模化生产。新一代的U/f控制变频器已经实现了转控制变频器已经实现了转 矩控制功能，具有无跳闸能力。由这种变频器驱动矩控制功能，具有无跳闸能力。由这种变频器驱动 的通用异步电动机已经具备了挖土机特性，像直流的通用异步电动机已经具备了挖土机

18、特性，像直流 电动机一样，可以人为地设定其极限输出转矩。电动机一样，可以人为地设定其极限输出转矩。 v 近年来，许多企业不断推出具有更多自动控制功能近年来，许多企业不断推出具有更多自动控制功能 的变频器，使产品性能更加完善，质量不断提高。的变频器，使产品性能更加完善，质量不断提高。 第十讲转速开环第十讲转速开环Uf控制变频调速系统控制变频调速系统 2.8 转速闭环转差频率控制的变频调速系统转速闭环转差频率控制的变频调速系统 0. 问题的提出问题的提出 前节所述的转速开环变频调速系统可以满足平滑调前节所述的转速开环变频调速系统可以满足平滑调 速的要求，但静、动态性能都有限，要提高静、动态性速的要

19、求，但静、动态性能都有限，要提高静、动态性 能，首先要用转速反馈闭环控制。转速闭环系统的静特能，首先要用转速反馈闭环控制。转速闭环系统的静特 性比开环系统强，这是很明显的，但是，是否能够提高性比开环系统强，这是很明显的，但是，是否能够提高 系统的动态性能呢？还得进一步探讨一下。系统的动态性能呢？还得进一步探讨一下。 第十讲转速开环第十讲转速开环Uf控制变频调速系统控制变频调速系统 电力传动的基本控制规律电力传动的基本控制规律 任何电力拖动自动控制系统都服从于基本运动方程任何电力拖动自动控制系统都服从于基本运动方程 式式 提高调速系统动态性能主要依靠控制转速的变化率提高调速系统动态性能主要依靠控

20、制转速的变化率 d / dt ，根据基本运动方程式，控制电磁转矩就能控制，根据基本运动方程式，控制电磁转矩就能控制 d / dt ，因此，归根结底，调速系统的动态性能就是控，因此，归根结底，调速系统的动态性能就是控 制转矩的能力。制转矩的能力。 tn J TT d d p Le 第十讲转速开环第十讲转速开环Uf控制变频调速系统控制变频调速系统 1. 转差频率控制的基本概念转差频率控制的基本概念 直流电机的转矩与电枢电流成正比，控制电流就能直流电机的转矩与电枢电流成正比，控制电流就能 控制转矩，因此，直流双闭环调速系统转速调节器的输控制转矩，因此，直流双闭环调速系统转速调节器的输 出信号当作电流

21、给定信号，也就是转矩给定信号。出信号当作电流给定信号，也就是转矩给定信号。 在交流异步电机中，影响转矩的因素较多，控制异在交流异步电机中，影响转矩的因素较多，控制异 步电机转矩的问题也比较复杂。步电机转矩的问题也比较复杂。 第十讲转速开环第十讲转速开环Uf控制变频调速系统控制变频调速系统 将将 1.3中介绍的恒中介绍的恒 Es / 1 控制（即恒控制（即恒 m 控制）时的电磁控制）时的电磁 转矩公式为转矩公式为 2 lr 2 1 22 r r1 2 1 s pe 3 LsR RsE nT mNss1mNss 1 mNss1 2 1 2 44. 444. 4kNkNkNfEs 代入上式，得代入上

22、式，得 2 lr 2 1 22 r r1 2 m m e LsR Rs KT 2 Ns 2 spm 2 3 kNnK ，是电机的结构常数。，是电机的结构常数。 1. 转差频率控制的基本概念转差频率控制的基本概念 第十讲转速开环第十讲转速开环Uf控制变频调速系统控制变频调速系统 当电机稳态运行时，当电机稳态运行时，s 值很小，因而值很小，因而 s也很小，有也很小，有 1的的 百分之几，可以认为百分之几，可以认为 s Llr Rr ，则转矩可近似表示为，则转矩可近似表示为 2 lrs 2 r rs 2 mme )(LR R KT 令令 s = s 1 ，并定义为转差角频率。则，并定义为转差角频率。

23、则 （2-41） 第十讲转速开环第十讲转速开环Uf控制变频调速系统控制变频调速系统 r s 2 mme R KT （2-42） 式（式（2-42）表明，在）表明，在s 值很小的稳态运行范围内，如果值很小的稳态运行范围内，如果 能够保持气隙磁通能够保持气隙磁通 m不变，异步电机的转矩就近似与转差不变，异步电机的转矩就近似与转差 角频率角频率 s 成正比。这就是说，在异步电机中控制成正比。这就是说，在异步电机中控制 s ，就和，就和 直流电机中控制电流一样，能够达到间接控制转矩的目的。直流电机中控制电流一样，能够达到间接控制转矩的目的。 第十讲转速开环第十讲转速开环Uf控制变频调速系统控制变频调速

24、系统 v控制转差频率就代表控制转矩，这就是转差频控制转差频率就代表控制转矩，这就是转差频 率控制的基本概念。率控制的基本概念。 第十讲转速开环第十讲转速开环Uf控制变频调速系统控制变频调速系统 可以看出：可以看出： v 在在 s 较小的稳态运行段较小的稳态运行段 上，转矩上，转矩 Te基本上与基本上与 s 成正比；成正比； v 当当Te 达到其最大值达到其最大值Temax 时，时， s 达到达到 smax值。值。 smaxsm Temax Tem s Te O 图图2-54按恒按恒m值控制的值控制的 Te=f ( s ) 特性特性 当当 s 较大时，就得采用式（较大时，就得采用式（2-41）的

25、精确转矩公式，把）的精确转矩公式，把 这个转矩特性（即机械特性）这个转矩特性（即机械特性） 画在下图。画在下图。 第十讲转速开环第十讲转速开环Uf控制变频调速系统控制变频调速系统 v 对于式（对于式（2-41），取），取 dTe / d s = 0 可得可得 lr r lr r maxs L R L R lr 2 mm maxe 2L K T （2-44） （2-43） 在转差频率控制系统中，只要给在转差频率控制系统中，只要给 s 限幅，使其限幅值为限幅，使其限幅值为 lr r maxssm L R 就可以基本保持就可以基本保持 Te与与 s 的正比关系，也就可以用转的正比关系，也就可以用转

26、差频率控制来代表转矩控制差频率控制来代表转矩控制。这是转差频率控制的基本这是转差频率控制的基本 规律之一。规律之一。 第十讲转速开环第十讲转速开环Uf控制变频调速系统控制变频调速系统 上述规律是在保持上述规律是在保持 m恒定的前提下才成立的，于是问恒定的前提下才成立的，于是问 题又转化为，如何能保持题又转化为，如何能保持 m 恒定？我们知道，按恒恒定？我们知道，按恒 Es/ 1 控制时可保持控制时可保持 m恒定。在上图的等效电路中可得：恒定。在上图的等效电路中可得： sls1sss )j(ELRIU （6-65） 由此可见，要实现恒由此可见，要实现恒 Es/ 1控制，须在控制，须在Us/ 1

27、= 恒值恒值的的 基础上再提高电压基础上再提高电压 Us 以补偿定子电流压降。以补偿定子电流压降。 第十讲转速开环第十讲转速开环Uf控制变频调速系统控制变频调速系统 如果忽略电流相量相位变化的影响，不同定子电流时恒如果忽略电流相量相位变化的影响，不同定子电流时恒 Es/ 1 控制所需的电压控制所需的电压-频率特性频率特性 Us = f ( 1, Is) 如下图所示。如下图所示。 图图2-53 不同定子电流时恒不同定子电流时恒Es/ 控制所需的电压控制所需的电压-频率特性频率特性 1 O s U Us / 1=Const. Es/1=Const. 定子电流增大的趋势定子电流增大的趋势 第十讲转速

28、开环第十讲转速开环Uf控制变频调速系统控制变频调速系统 上述关系表明，只要上述关系表明，只要 Us 和和 1及及 Is 的关系符合上图所示的关系符合上图所示 特性，就能保持特性，就能保持 Eg/ 1 恒定，也就是保持恒定，也就是保持 m 恒定。这是转恒定。这是转 差频率控制的基本规律之二。差频率控制的基本规律之二。 总结起来，转差频率控制的规律是：总结起来，转差频率控制的规律是： （1）在）在 s sm 的范围内，转矩的范围内，转矩 Te 基本上与基本上与 s 成正比，成正比， 条件是气隙磁通不变。条件是气隙磁通不变。 （2）在不同的定子电流值时，按上图的函数关系）在不同的定子电流值时，按上图的函数关系 Us = f ( 1 , Is) 控制定子电压和频率，就能保持气隙磁通控制定子电压和频率，就能保持气隙磁通 m恒定。恒定。 第十讲转速开环第十讲转速开环Uf控制变频调速系统控制变频调速系统 系统组成系统组成 转差频率控制的转速闭环变频调速系统结构原理图转差频率控制的转速闭环变频调速系