变频器的使用

第九章变频器的使用交流变频调速充分发挥了交流电动机结构简单、价格低廉、坚固耐用、使用和维护方便等优点，且其调速性能可以与直流调速相比美，因此在各种机床、水泵、风机、各种生产机械和农副产品加工设备中得到广泛的使用。本单元主要介绍交流变频调速的基本概念、控制规律和直流斩波器的工作原理，并以锅炉风机节能控制为例对通用型变频的选择与安装进行说明。第一节变频调速基础知识学习目标掌握交流变频调速个中基本控制方式的含义和特点。掌握变频调速系统的控制规律。三相异步电动机变频调速的控制方式有恒磁通控制方式、恒电流控制方式和恒功率控制方式三种。下面对三种控制方式进行逐一介绍。一、恒磁通控制方式在电动机调速时，都希望保持电动机中每极磁通量e为额定值不变。磁通太弱，电动m机的铁心没有得到充分利用，是一种浪费；若增大磁通，又会使铁心饱和，从而导致过大的励磁电流，严重时会因绕组过热而损坏电动机。对于直流电动机进行调速，由于励磁系统是独立的，只要对电枢反应的补偿合适，保持em的不变是很容易做到的。但在交流异步电动机中，磁通是定子和转子的磁动势合成产生的，比直流电动机的情况要复杂很多根据三相异步电动机定子绕组每相的感应电动势有效值的公式E=4.44fNk①式中f1为定子频率；N1为定子每相绕组串联匝数；为基波绕组系数；em为每极气隙磁通。根据上式可知，若要保持em不变，则当频率f1从额定频率f1n向下调节时，必须同时降低Eg，使Eg/f]=常数。在电动势较高时可以忽略定子阻抗电压降:则感应电动势近似等于定子夕卜加电ffU1^Eg0因此，如果定子供电§电压ul不变，只改变f1进行变频调速，将引起气隙磁通em的变化，出现励磁不足或励磁过剩的现象。当频率f1从额定值（通常为50Hz）往下降低，磁通会增加，造成磁路过饱和，使励磁电流增加。这将使电动机带负载能力降低，功率因数变坏，铁损增加，电动机过热这种情况是电动机实际运行所不允许的。反之，如果频率f1从额定值往上升高，磁通将减少，同样的转子电流下将使电动机输出转矩Te下降，电动机的负载能力下降，使电动机的利用率降低，在一定的负载下有过电流的危险：为此通常要求磁通保持恒定，即em=常数。为了保持磁通①m恒定，由上式可知，必须使定子电压和频率的比值保持不变，即: mU1=Cf1在频率变化过程中e始终保持恒定，所以称为恒磁通控制方式，又由于电压与频率的比值也保持恒定不变，也称为恒压频比控制方式，相当于直流电动机调压调速的情况，属于恒转矩调速。在保持e恒定的条件下，异步电动机的机械特性曲线如图9—1所示。由图可知，交流电动机的最大转矩随匕的降低而减小。当供电电源频率较高时，电动机最大转矩与额定频率时的最大转矩相似，机械特性曲线斜率也变化不大。当频率较低时，最大转矩和机械特性曲线的斜率就会出现较大的变化，这是由于定子绕组的内阻引起的电压降在低速时相对影响较大和气隙磁通变化引起的。在低频运行时，转矩较小，带负载的能力差，所以只适用于调速范围不大或转矩随转速下降而减少的负载，如风机、水泵等。如希望得到具有较大调速范围，可以采用专门电路在低速时人为地适当提高定子电压u「以补偿定子阻抗压降的影响，使磁通基本保持不变实现恒磁通恒转矩的变频调速。这种具有压降补偿的控制特性如图9—2所示。图9—1Ui/fi=常数时恒压频比控制 图9—2恒压频比控制特性机械特性曲线 1一带定子压降补偿 2一不带定子压降补偿二、 恒电流控制方式恒流变频调速控制方式就是要求在电动机变频调速过程中定子电流L保持恒定。因此要求变频电源是一种恒流源，电动机在变频调速过程中始终保持定子电流为给定值，由于变频器的电流被控制在给定的数值上，所以在换流时没有瞬时的冲击电流，调速系统的工作比较安全可靠，特性良好。恒流变频系统与恒磁通变频系统是相似的，同样属于恒转矩调速。但恒流变频系统的最大转矩Tm要比恒磁通变频系统的最大转矩小得多，故恒流变频系统的过载能力比较小，只适用于负载变化不大的场合。三、 恒功率控制方式电动机工作在额定状态下，4=fln且U]=u1n为了使电动机转速超过额定转速，定子供电电源频率fl由额定值fln向上增大。但定子电压u1受额定电压u1n的限制不能再升高只能保持U1=U1N不变。这样一来，气隙磁通就会小于额定磁通，导致转矩的减小。而电动机的允许输出功率保持近似不变，相当于直流电动机弱磁调速的情况，属于近似恒功率调速，其机械特性如图9—3所示。图9—3恒功率机械特性在异步电动机变频调速系统中，为了得到宽的调速范围，可以将恒转矩变频调速与恒功率调速结合起来使用。在电动机转速低于额定转速时(f]Wf1n)，采用恒转矩变频调速；在电动机转速高于额定转速时(匕3上)，采用只调频不调压的近似恒功率调速。综合调速性质为恒转矩和恒功率调速。第二节变频器的使用培训目标能够掌握变频器的分类。能够正确的使用变频器。一、变频器的分类通过对变频调速控制方式的分析可知，实现异步电动机的变频调速，需要一个具有电压、频率均可调的变频装置。变频器就是将直流电或工频交流电变换成频率可调的交流电，供给需要变频的负载。变频器的分类⑴按供电电压分为：低压变频器（110V、220V、380V）、中压变频器（500V、660V、1140V）和高压变频器（3KV、3.3KV、6KV、6.6KV、10KV）。⑵按供电电源的相数分为：单相输入变频器和三相输入变频器。⑶按变频过程分为：交-交变频器，即将工频交流直接变换成频率电压可调的交流，又称直接式变频器。由于直接变频器输出的最高频率较低，所以使用于频率低、容量大的交流供电系统；交一直一交变频器，则是先把工频交流通过整流器变成直流，然后再把直流变换成频率和电压可调的交流，又称间接式变频器，是目前广泛应用的通用型变频器通用变频器分类⑴按变频器直流电源的性质分为：电流型变频器，其特点是中间直流环节采用大电感作为储能环节，缓冲无功功率，即扼制电流的变化，使电压接近正弦波，由于该直流内阻较大，故称电流源型变频器（电流型）。电流型变频器能够是能扼制负载电流频繁而急剧的变化。常选用于负载电流变化较大的场合；电压型变频器，其特点是中间直流环节的储能元件采用大电容，负载的无功功率将由它来缓冲，直流电压比较平稳，直流电源内阻较小，相当于电压源，故称电压型变频器，常选用于负载电压变化较大的场合。⑵按变频器输出电压调节方式分为:PAM输出电压调节方式变频器和PWM输出电压调节方式变频器。⑶按变频器中逆变器的换流方式分为：负载谐振换流和强迫换流。⑷按变频器控制方式分为：U/f控制方式、转差频率控制方式和矢量控制方式。⑸按变频器中使用的电力电子器件分为：普通晶闸管和自关断功率器件。⑹按变频器的性能分为：普通型、多功能型和高性能型。二、通用变频器的应用实例变频器的选择通用变频器的选择包括变频器的型式选择和容量选择两个方面。其总的原则是首先保证可靠地实现工艺要求，再尽可能节省资金。根据控制功能可将通用变频器分为三种类型：普通功能型U/f控制变频器、具有转矩控制功能的多功能型U/f控制变频器（也称无跳闸变频器）和矢量控制高性能型变频器。变频器类型的选择要根据负载的要求进行。对于风机、泵类等平方转矩，低速下负载转矩较小，通常可选择普通功能型的变频器。对于恒转矩类负载或有较高静态转速精度要求的机械，采用具有转矩控制功能的多功能型变频器则是比较理想的。因为这种变频器低速转矩大，静态机械特性硬度大，不怕负载冲击，具有挖土机特性。也有采用普通功能型变频器的例子。为了实现大调速比的恒转矩调速，常采用加大变频器容量的办法。对于要求精度高、动态性能好、响应快的生产机械（如造纸机械、轧钢机等），应采用矢量控制高性能型通用变频器。大多数变频器容量可从三个角度表述：额定电流、可驱动电动机功率和额定容量。其中后两项，变频器生产厂家由本国或本公司生产的标准电动机给出，或随变频器输出电压而降低，都很难确切表达变频器的能力。选择变频器时，只有变频器的额定电流是一个反映半导体变频装置负载能力的关键量。负载电流不超过变频器额定电流是选择变频器容量的基本原则。需要着重指出的是，确定变频器容量前应仔细了解设备的工艺情况及电动机参数，例如潜水电泵、绕线转子电动机的额定电流要大于普通笼形异步电动机额定电流，冶金工业常用的辊道用电动机不仅额定电流大很多，同时它允许短时处于堵转工作状态，且辊道传动大多是多电动机传动。应保证在无故障状态下负载总电流均不允许超过变频器的额定电流。通用变频器在锅炉风机节能控制上的应用实例目前绝大多数燃烧控制系统中风量调节都是通过调节风门挡板实现的，这种风量调节方式不但使风机的效率降低，也使很多能量白白消耗在挡板上。如果在锅炉的送风机和引风机上采用变频器进行无级调速，可以节约能量、提高锅炉燃烧控制水平、增加经济效益。本节以三菱FRF540型通用变频器在锅炉风机节能控制上的应用为例进行介绍。⑴三菱FRF540型通用变频器概述。FRF540型通用变频器是三菱公司生产的风机、水泵类专用变频器，功率从0.75KW到900KW。内置RS-485、PID功能，可通过选件实现制动等其它功能。⑵特点FRF540变频器是一种交一直一交型变频器。其主电路使用二极管整流电路将输入的三相交流电变换为直流电，使用电容进行滤波，所以它是一种电压型变频器。逆变器采用脉宽调制方式进行变频，并在变频的同时可进行变压。该变频器具有如下优点：1） 采用最适磁通控制方式，可实现更高节能运行和使电机效率得到最大幅度的提高。2） 输出频率调节范围从0〜120Hz。3） 输出电压调节范围可以从0V一直调到主电源电压。4） 内置PID，变频器/工频切换和多泵循环运行功能。5） 柔性PWM，实现更低噪音运行。6） 内置RS485通信口。7） 75KW以上随机带DC电抗器。⑶FRF540型变频器的接线。FRF540型变频器接线图，如图9—4所示。1）主回路端子说明。主回路各端子名称和作用，见表9—1所示。表9—1 主回路端子名称和作用端子记号端子名称说明R、S、T交流电源输入连接工频电源。U、V、W变频器输出接三相鼠笼电机。R1、S1控制回路电源与交流电源端子R、Sl连接。P、N连接制动单元连接制动单元、电源再生单元或高功率因数转换器。P、P1连接改善功率因数DC电抗器拆开端子P—P1间的短路片，连接改善功率因数用电抗器。PR、PX厂家设定用端子，不进行接线接地变频器外壳接地，必须接大地。2）控制回路端子说明。控制回路各端子名称和作用，见表9—2所示。表9—2 控制回路端子名称和作用类型端子记号端子名称说明输入信号启动接点，功能设定STF正转启动信号处于ON正转，处于OFF停止当两个信号同时为ON时，相当于输出停止指令。STR反转启动信号处于ON反转，处于OFF停止STOP启动自保持选择信号为ON时，可以选择启动自保持RH、RM、RL多段速度选择用RH、RM、RL信号组合可以实现多段速度JOG点动模式选择信号为ON时，选择电动运行RT第二加/减速时间选择信号为ON时，选择第二加/减速时间MRS输出停止信号为ON（20ms以上）时，变频器停止输出RES复位用于解除保护回路动作的保持状态AU电源输入选择信号ON时，变频器才可以用4—20mA作为频率设定信号CS瞬间停电在启动选择信号为ON时，瞬时停电再恢复时变频器可自动启动SO公共输入端子接点输入端子和直流24V电源的输出公共端

PC直流24V电源和外部晶体管公共端当连接晶体管输出时，将晶体管输出用的外部电源公共端接到这个端子时，可防止因漏电而引起的误动作模拟频率设定10E频率设定用电源直流10V，允许负荷电流10mA10直流5V，允许负荷电流10mA2频率设定（电压）输入直流0〜5V或0〜10V时，5V或10V对应最大输出频率，输入输出成比例4频率设定（电流）直流4〜20mA，20mA为最大输出频率，输入输出成比例1辅助频率设定输入直流0〜±5V或0〜±10V时，端子2或4的频率设定信号与这个信号相加5频率设定公共端频率设定信号和模拟输出端子的公共端子，不能接地⑥主回路i好C）控制回路辎鸿于•控制回酬出IX子正转启动（-，SIF；尽转启动C；⑥主回路i好C）控制回路辎鸿于•控制回酬出IX子正转启动（-，SIF；尽转启动C；启动自保持选择（)STQP i高速1卜:宿眺迎度选择H中速C?RN:」碰〔RL:点动模式C第二加/X理时间透梯匚冲■前出停止t)HRS ；s<a(?RES ；电流输A枷Cr:信时掉也再启动选择C)GS ；，漏型辎K公能举；4ISO h注：端于PR,P；（是厂家侵定用端子.iff不要接倒可东瓦报誓侦出RUNSUIFFQLFUSE运行貌累达到剧时停电近角荷原隼橙焉:'患电机开路辅出I'，,公牡学；集电根开路俺出控制回路俺入信号：无电源输？0iaE(+ithO1Q'：45V：i'DC0~5V虹』2^DCO-IDV切换J5(槌拟信母公共草)伽Q-I5Y鲸、1i.DCO-I1DVV1™Iq«}C4~2ftnA}指示怛寰牛典率表;图9—4FRF540型变频器接线图⑶FRF540型变频器的操作面板。FRF540型变频器的操作面板如图9—5所示。.V■um ,EXT,PU.V■um ,EXT,PU 单位指示'H—翔率）'A：电流）'V：i［jJT）［模式］键［停止■■重位］键图9—5FRF540型变频器的操作面板FRF540型变频器的操作面板上各按键名称和作用见表9—3所示，各显示信号的说明见表9—4。表9—3 FRF540型变频器的操作面板上各按键名称和作用按键说明MODE可用于选择操作模式或设定模式SET用于确定频率和参数的设定UP/DOWN用于连续增加/降低运行频率，按下这个键可改变频率或设定参数FWD用于给出正转指令REV用于输出反转指令STOP/RESET用于停止运行或保护功能动作输出停止时复位变频器表9—4 显示信号的说明显示说明显示说明Hz显示频率时点亮PUPU操作时点亮A显示电流时点亮EXT外部操作模式时点亮V显示电压时点亮FWD正转时闪烁MON监视显示模式时点亮REV反转时闪烁⑷变频器风机节能控制1）系统主电路在锅炉风机控制系统中有两台电动机，一台鼓风机，另一台鼓风机备用，当鼓风机出现故障或需要定期检修时，备用鼓风机马上投入，不使锅炉停炉。两台鼓风机均由变频器驱动，并且当变频器出现故障时，可自动实现变频/工频切换。主电路图如图9—6所示。图9—6锅炉风机控制系统主电路图中，M1为鼓风电动机；M2为备用鼓风电动机；QA为自动开关；KMl、KM2、KM3、KM4均为接触器；其中KMl与KM3用于切换备用泵；KM2与KM4用于进行变频/工频切换。FRl、FR2为热继电器。2）变频器的运行面板操作转换为外部操作。设置Pr.79=0（出厂设定），按MODE键，到面板显示JOG时，按上升键，出现OP.nd时，Pu灯熄灭，EXT灯亮，表明切换成功，再按MODE键，面板上显示0.00Hz时，MON灯亮，这时已返回频率监视状态。频率设定方式选择。Pr.902=1为电压设定方式此时，在控制端口2端接入0〜5V的直流电压，可以使电动机在0〜60Hz频率范围内工作。出厂设置为0V、0Hz。Pr.904=1为电流设定方式此时，在控制端口2接入0〜20mA的直流电流，可以使电动机在0〜60Hz频率范围内工作。出厂设置为4mA、0Hz。调试步骤最常见和最严重的故障往往出现在调试过程中。所以调试时应谨慎细心.⑴检查接线是否正确。安装接线时，人多手杂，现场情况复杂，特别是当接线工作不是由调试者做的时候，一定要仔细检查接线是否正确，留意变顿器输出端不能接电容、电感等除电机外的其他负载.⑵不带负载，启动变频器，设定运行参数，加减速时间可选经验值。⑶将变频器设定在手动和面板控制状态。启动变频器，逐渐加大运行频率.⑷接上负载，启动变频器，将变频器运行在10Hz，观察电机转向是否正确。若不对，则停止运行后，掉换电机接线的相序。⑸让变频器从零逐渐增大到最大转速，确认变频器与电机配合是否恰当。注意，不允许变频器电流超过电机额定电流值。⑹停止变频器运行，将变频器设置为电压显示模式。观察变频器减速过程中是否出现直流过压。如出现，则加大减速时间。若减速时电流较小，则可缩短减速时问参数。⑺将变频器设置为电压显示模式。设定最大运行频率，启动变频器，观察加速过程中的输出电流。若出现电流过大，则需延长加速时间参数，若加速时电流较小，则可缩短加速时间参数。⑻将变频器设定在自动控制状态，锁定变频器运行参数，系统即调试完毕。变频器使用的注意事项1） 工作温度。变频器内部是大功率的电子元件，极易受到工作温度的影响，产品一般要求为0〜55°C，但为了保证工作安全、可靠，使用时应考虑留有余地，最好控制在40^以下。在控制箱中，变频器一般应安装在箱体上部，并严格遵守产品说明书中的安装要求，绝对不允许把发热元件或易发热的元件紧靠变频器的底部安装。2） 环境温度。温度太高且温度变化较大时，变频器内部易出现结露现象，其绝缘性能就会大大降低，甚至可能引发短路事故。必要时，必须在箱中增加干燥剂和加热器。3） 腐蚀性气体。使用环境如果腐蚀性气体浓度大，不仅会腐蚀元器件的引线、印刷电路板等，而且还会加速塑料器件的老化，降低绝缘性能，在这种情况下，应把控制箱制成封闭式结构，并进行换气。4） 振动和冲击。装有变频器的控制柜受到机械振动和冲击时，会引起电气接触不良。这时除了提高控制柜的机械强度、远离振动源和冲击源外，还应使用抗震橡皮垫固定控制柜外和内电磁开关之类产生振动的元器件。设备运行一段时间后，应对其进行检查和维护。5） 防止电磁波干扰。变频器在工作中由于整流和变频，周围产生了很多的干扰电磁波，这些高频电磁波对附近的仪表、仪器有一定的干扰。因此，柜内仪表和电子系统，应该选用具有金属外壳的，屏蔽变频器的干扰，所有的弱电单元均应可靠接地，除此之外，各电气元件、仪器及仪表之间的连线应选用屏蔽控制电缆，且屏蔽层应接地。如果处理不好电磁干扰，往往会使整个系统无法工作，导致控制单元失灵或损坏。6） 防止输入端过电压。变频器电源输入端往往有过电压保护，但是，如果输入端高电压作用时间长，会使变频器输入端损坏。因此，在实际运用中，要核实变频器的输入电压、单相还是三相和变频器使用额定电压。特别是电源电压极不稳定时要有稳压设备，否则会造成严重后果。7） 接地。变频器正确接地是提高控制系统灵敏度、抑制噪声能力的重要手段，变频器接地端子E（G）接地电阻越小越好，接地导线截面积应不小于2mm2,长度应控制在20m以内。变频器的接地必须与动力设备接地点分开，不能共地。信号输入线的屏蔽层，应接至E（G）上，其另一端绝不能接于地端，否则会引起信号变化波动，使系统振荡不止。变频器与控制柜之间应电气连通，如果实际安装有困难，可利用铜芯导线跨接。8） 防雷，在变频器中，一般都设有雷电吸收网络，主要防止瞬间的雷电侵入，使变频器损坏。但在实际工作中，特别是电源线架空引入的情况下，单靠变频器的吸收网络是不能满足要求的。在雷电活跃地区，这一问题尤为重要，如果电源是架空进线，在进线处装设变频专用避雷器（选件），或有按规范要求在离变频器20m的远处预埋钢管做专用接地保护。如果电源是电缆引入，则应做好控制室的防雷系统，以防雷电窜入破坏设备。实践表明，这一方法基本上能够有效解决雷击问题。第三节变频调速系统从变频调速的控制方式可知，要实现交流电动机的变频调速，除了需有一台合适的变频器之外，还需有一套能按一定控制规律对变频器实行控制的控制环节，由控制电路和变频器一起，组成一个变频调速系统。下面将对交流变频调速系统的控制规律进行简要介绍。一、变频调速系统中输出电压的调节方式在交流变频调速系统中，交流电动机由逆变器供电运转。根据变频调速控制方式可知，一般要求逆变器输出电压u1与输出频率匕的比值大体为一定值，即保持电动机的磁通不变，从而使变频调速时电动机的最大转矩基本不变。对输出电压的调节主要有两种方式，即脉冲幅度调制PAM方式与脉冲宽度调制PWM方式。1.PAM控制方式。PAM控制方式是由相控晶闸管整流器或直流斩波器改变直流电压的幅值进行调压的方式，从而实现对变频器输出电压调节，而变频器中的逆变电路只负责调节输出频率，因此属于同步调速方式。平滑直流电源是由于滤波电路使用直流电抗器和大容量电解电容实现的。当滤波电路使用大电容时，直流电压波形比较平直，在理想情况下是一个内阻为零的恒压源，采用恒压源的变频器称为电压源变频器；而当滤波电路使用直流电抗器时，直流电压波形也比较平直，对负载来说基本上是一个恒流源，采用恒流源的变频器称为恒流源变频器。PAM控制方式由于控制回路简单，易于大容量化，长期以来占主流地位。但其缺点是由于有大容量电容，电压控制响应慢，不适于要求加、减速快的系统。另外，由于采用变流器的相位控制来调节电压，交流输入侧的功率因数变坏，特别是在电压低的范围内尤为严重。为了改善功率因数，可采取将交流电源以二极管整流桥进行全波整流，在直流侧采用斩波器调节电压的方法，这时输入功率因数将变得相当好。2.PWM控制方式PWM控制方式保证输出电压的幅值不变的情况下，通过改变其时间宽度来调节平均电压的大小。变频器中整流器使用不可控二极管整流电路，变频器的输出电压和输出频率的调节均由逆变器按PWM方式完成为脉宽调制。变频器的输出频率不等于逆变电路换流器件的开关频率，因此它属于异步调速方式。PWM控制方式的控制电路中使用了不可控整流器，使电网功率因数与逆变器输出电压的大小无关而接近于1，可控的功率开关器件少，简化了结构。由于逆变器本身同时完成调频和调压任务，因此与中间滤波环节无关，变频器的动态响应速度快。输出电压的谐波分量极大地减小，能抑制或消除偶次谐波，实现近似正弦波的输出流电压波形。二、U/f比例控制方式采用U/f比例控制时，异步电动机在不同频率下都能获得较硬的机械特性线性段。在生产机械对调速系统的静、动态性能要求不高如风机、水泵等的节能调速，可以采用转速开环恒压频比带低频电压补偿的控制系统，该控制系统结构最简单，成本也比较低。这种系统的结构原理图如图9—7所示。图中所示的调速系统由给定积分器GI、绝对值变换器GAB、电压控制环节、频率控制环节、可控整流器UR、电压源逆变器VSI等组成。给定积分器将阶跃信号uw转换成按设定斜率逐渐变化的正、反向控制信号。自，以防止产生很大的冲击电流，使电压和转速都能平缓的升高和降低。由于正、反向控制信号Ug有正负两种情况，而改变电动机转向只需改变变频器输出电压的相序，不需要在电压和频率的控制信号上反映极性，所以设置了绝对值变换器GAB将Ug信号转换成只输出绝对值的控制信号uk。 s电压控制环节是用来控制可控整流器UR直流输出电压的。电压控制环节一般采用电压、电流双闭环结构，电流调节器ACR为内环，电压调节器AVR为外环。电流调节器ACR可以限制动态电流并兼起保护作用。电压调节器AVR是用来控制变频器的输出电压的。控制电压信号UK经过函数发生器GF相对提高为UV用以补偿定子阻抗的压降，改善低速时的机械特性，提高带负载的能力。电压型逆变器VSI的输出频率由频率控制环节来进行控制。频率控制环节一般由压频变换器GVF、环形分配器DRC和脉冲放大器AP等组成。压频变换器GVF是一个由电压控制的振荡器，其作用是将控制信号UK变换为所需频率的脉冲列，再通过环形分配器DRC和脉冲放大器AP，为逆变器工作提供脉冲信号。在可逆系统中采用可逆计数器，由Ug经极性鉴别器DPI获得正、反向信号来控制加、减法。每次做“加l”或“减l”运算来改变相序从而改变电动机的转向。在交流一直流一交流电压型变频器的调速系统中，由于中间直流回路存在大滤波电容Cd，电压的实际变化很缓慢，而频率控制环节的响应是很快的，所以在压频变换器前面加设一个频率给定动态校正器GFC，让频率的变化也慢些，希望与电压在动态过程中一致起来。

GFC的具体参数可在调试中确定。图9—7转速开环的U/f比例控制异步电动机变频调速系统1—频率控制环节2—电压控制环节三、转差频率控制方式1.转差频率控制的基本概念直流电动机的转矩与电流成正比，控制电流就能控制转矩，问题比较简单。因此在直流双闭环调速系统中转速调节器的输出信号实际上就代表了转矩给定信号。根据异步电动机的转矩公式式中Cm为电动机转矩常数，④m为气隙磁通，I2为转子电流，cos?2为转子功率因数。可以看出，在交流异步电动机中，影响转矩的因素很多。而这些量又都和转速有关，所以控制交流异步电动机转矩问题就比较复杂了。当电动机稳定运行时，转差率s很小，因而转差角频率3s=s31也很小，可得到转矩的OT"m①近似公式为： 穴2式中Km为转矩系数、R2为转子电阻，上式表明，在s很小的范围内，只要能够维持①m不变，异步电动机的转矩就近似与转差角频率3s成正比。这就是说在异步电动机中控制3s就和直流电动机中控制电流一样，能够达到间接控制转矩的目的。控制转差频率就代表了控制转矩，这就是转差频率控制的基本概念。转差频率控制规律在恒磁通条件下的机械特性曲线如图9—8所示。图中3sm、Tem为限幅值。由图可知，当3s较小时，转矩Te基本上与3s成正比，当3s=3smax时，，Te=Temax。所以在转差频率控制系统中，只要给3「艮幅就可以基本保持Te与3s成正比关系：也就可以用转差频率控制来代表转矩控制。这就是转差频率控制的基本规律之一。

^sm(jOsmaK^sm(jOsmaK图9—8恒磁通条件下Te=f(3s)特性TOC\o"1-5"\h\z上述的规律是在保持④m恒定的前提条件下成立的，如何才能保持①m恒定可以从分析磁通与电流的关系来着手解决。 m当忽略饱和与铁损时，气隙磁通①m与励磁电流I0成正比，而励磁电流相量I0是由定、转子电流的向量I］、I2之差，即： mI=I+I1 2 0I0是定子电流I1的一部分。在笼型异步电动机中，折合到定子的转子电流I2是难以直接测量的，于是只能根据负载变化调节I1来维持I0不变。根据异步电动机的稳态等效电路可知当④m或I0不变时，I1随转差频率3变化的规律如图9—9所示。图9—9恒磁通条件下I1=f(3s)特性只要I1与3s的关系符合上图的规律，就能保持①m恒定。这样，用转差频率控制代表转矩控制的前提也就解决了。这就是转差频率控制的基本规律之二。实现上述转差频率控制规律的转速闭环变频调速系统结构原理图如图9—10所示。转差频率控制系统的特点采用电流型变频器，使控制对象具有较好的动态响应，而且便于回馈制动，实现四象限运行。这是提高系统动态性能的基础。和直流电机双闭环调速系统一样，转速环是外环，电流环是内环。转速调节器ASR的输出是转差频率给定值U*，代表转矩给定。3S转差频率3分两路分别作用在可控整流器UR和逆变器CSI上。前者通过I］=f(3)函数发生器GF，按U*的大小产生相应的U*.］信号，再通过电流调节器ACR控制定子电流，以保持④为恒值。另一路按3+3=3］的规律产生对应于定子频率3］的控制电压U1，决定逆变器的输出频率。这样就形成了在转速外环内的电流一频率协调控制。 3转速给定信号U*反向时，U*、U*、U"都反向。用极性鉴别器。?1判断U"的极3 3s 3 31 31性以决定环形分配器DRC的输出相序，而U*］信号本身则经过绝对值变换器GAB决定输出频率的高低。这样就很方便地实现了可逆运行3图9-10转差频率控制的变频调速系统结构原理图转差频率控制系统的优点与不足转差频率控制系统的优点。转差频率控制系统的优点就在于频率控制环节的输入是转差信号，而频率信号是由转差信号与实际转速信号相加后得到的，即U^1=U^+O's。这样在转速变化过程中，实际频柯1随着实际转速n同步的上升或下降。与转速开环系统中按电压成正比地直接产生频率给定信号相比，加、减速更为平滑，且容易使系统稳定。同时由于在动态过程中转速调节器饱和，系统能够以限幅转矩进行控制也保证了在允许条件下的快速性。因此转速闭环转差率控制的交流变频调速系统基本上具备了直流电动机双闭环控制系统的优点，是一个比较好的控制方式，结构也不算复杂，有广泛的应用价值。转差频率控制系统的不足如果仔细分析转差频率控制系统的静、动态性能，就会发现该系统还不能完全达到直流双闭环系统的水平。存在差距的原因有以下几个方面：1)在分析转差频率控制规律时，我们是从异步电动机稳态等效电路和稳态转矩公式出发的，因此所得到的“保持磁通④m恒定”的结论也只在稳态情况下才能成立。在动态中④m如何变化还没有去研究，但肯定不会恒定，这不得不影响系统的实际动态性能。m2)电流调节器ACR只控制了定子电流的幅值，并没有控制到电流的相位，而在动态中电流相位如果不能及时赶上去，将会使动态转矩的调节时间延长。I]=f(3s)函数是非线性的，采用模拟的运算放大器时，只能按分段线性化方式来实现，而且分段还不能很细，否则会造成调试的困难。因此，在函数发生器这个环节上还存在一定的误差。在频率控制环节中，取3广3s+3使频率勺得以和转速同步升降，这就是转差频率控制的优点。然而，如果转速检测信号不准确或存在干扰的成分，例如测速发电机的纹波等，也会直接给频率造成误差，因为所有这些偏差和干扰都以正反馈的形式毫无衰减地传递到频率控制信号上来了。鉴于基本型转差频率控制系统存在的上述问题，许多学者提出了各种改进方案，最突出最具有革命性的方案当属矢量控制系统，它从本质上解决了上述的多数问题，为高性能的交流变频调速系统打开了突破性的道路。四、矢量控制方式由于转差频率控制方式引入了速度反馈，因此其性能优于开环的U/f比例控制方式，可以适用于对速度和精度有较高要求的调速系统。但由于转差频率控制的基本关系是根据稳态机械特性推导出来的，没有考虑到电动机电磁惯性的影响，所以其动态性能仍不够理想。矢量控制的基本思想是模仿直流电动机的控制方式，求得直流电动机的控制量，经过相应的坐标变换，就能够控制异步电动机了。进行坐标变换的是电流（代表磁动势）的空间矢量，所以这种通过坐标变换实现的控制系统就叫做矢量变换控制系统，或称矢量控制系统。针对异步电动机，从矢量分析的角度分析，可以把定子电流分解为产生磁场的电流分量（磁场电流）和产生转矩的电流分量（转矩电流），这两个分量是互相垂直的。所以，通过控制电动机定子电流的大小和相位（即对定子电流的电流矢量进行控制），就可以分别对电动机的励磁电流和转矩电流进行控制，从而达到控制电动机转矩的目的。当前，在变频器中得到实际应用的矢量控制方式包括转差型矢量控制方式和无速度检测器的矢量控制方式两种，下面对这两种控制方式进行间要的介绍。1.转差型矢量控制方式。矢量控制的基本原理是通过控制电动机定子电流的幅值和相位（即电流矢量），来分别对电动机的励磁电流和转矩电流进行控制，从而达到控制电动机转矩特性的目的。转差型矢量控制方式调速系统的原理框图，如图9-11所示。其原理图是在图9-10转差频率控制的变频调速系统结构原理图的的基础上，把从稳态特性出发的T-e3S和11=f（3S），函数关系换成从动态数学模型出发的矢量控制器。就得到转差型矢量控制系统。该系统克服了转差频率控制系统的大部分不足，从而大大提高了系统的动态性能。这个系统的主要特点如下：（1） 转速调节器ASR的输出是定子电流转矩分量的给定信号，与双闭环直流调速系统的电枢电流给定信号相当。（2） 定子电流励磁分量给定信号U*.1和转子磁链给定信号U*皿之间的关系是靠矢量控制方程建立的，其中的比例微分环节使i'：在动态中获得强迫励磁效应，从而克服实际磁通的滞后。 "（3） U*.t0口U*.1经直角坐标/极坐标（K/P）变换器合成后产生定子电流幅值给定信号U*.1和相角给定信号U%。前者经电流调节器ACR控制定子电流的大小，后者则控制逆变器换相