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1、第第8章章 变频器的控制方式变频器的控制方式 8.1 8.1 U Uf f控制控制 8.1.1 Uf控制原理 在进行电机调速时，通常是希望保持电机中每在进行电机调速时，通常是希望保持电机中每极磁通量为额定值，并保持不变。如果磁通太弱极磁通量为额定值，并保持不变。如果磁通太弱就等于没有充分利用电机的铁心，是一种浪费；就等于没有充分利用电机的铁心，是一种浪费；如果过分增大磁通，又会使铁心饱和，过大的励如果过分增大磁通，又会使铁心饱和，过大的励磁电流使绕组过热损坏电机。磁电流使绕组过热损坏电机。Vf控制是使变频器的输出在改变频率的同时控制是使变频器的输出在改变频率的同时也改变电压，通常是使也改变电压
2、，通常是使Vf为常数为常数，这样可使电这样可使电动机磁通保持一定，在较宽的调速范围内，电动动机磁通保持一定，在较宽的调速范围内，电动机的转矩、效率、功率因数不下降。机的转矩、效率、功率因数不下降。变频器原理与应用（第2版）第8章8.1.2 8.1.2 恒恒U Uf f控制方式的机械特性控制方式的机械特性 1.1.调频比和调压比调频比和调压比调调频频时时，通通常常都都是是相相对对于于其其额额定定频频率率f fN N来来进进行行调调节节的的，那那么么调频频率调频频率f fx x就可以用下式表示：就可以用下式表示：f fx x=k kf ff fN N (8-1)(8-1)式中式中 k kf f频率
3、调节比频率调节比(也叫调频比也叫调频比)。根根据据变变频频也也要要变变压压的的原原则则，在在变变压压时时也也存存在在着着调调压压比比，电电压压U Ux x可用下式表示：可用下式表示：U Ux x=k ku uU UN N (8-2)(8-2)式中式中 k ku u调压比；调压比；U UN N 电动机的额定电压。电动机的额定电压。变频器原理与应用（第2版）第8章2.变频后电动机的机械特性 机械特性曲线的特征如下：机械特性曲线的特征如下：从从f fN N向下调频时，向下调频时，n n0 x0 x下移，下移，T TKxKx逐渐减小。逐渐减小。f fx x在在f fN N附近下调时：附近下调时：k k
4、f f=k ku u11，T TKxKx减小很少，减小很少，可近似认为可近似认为T TKxKx T TKNKN ，f fx x调的很低时：调的很低时：k kf f=k ku u00，T TKxKx减小很快。减小很快。f fx x不同时，临界转差不同时，临界转差n nKxKx 变化不是很大，所以稳定变化不是很大，所以稳定 工作区的机械特性基本是工作区的机械特性基本是 平行的，且机械特性较硬。平行的，且机械特性较硬。图图8-1 变频调速机械特性变频调速机械特性 变频器原理与应用（第2版）第8章8.1.3 8.1.3 对额定频率对额定频率f fN N以下变频调速特性的修正以下变频调速特性的修正1.1
5、.T TKxKx减小的原因分析减小的原因分析 2 2解决的办法解决的办法 适当提高调压比适当提高调压比k ku u，使，使k ku uk kf f，即提高即提高U Ux x的值，使得的值，使得E Ex x的值增加。的值增加。从而保证从而保证E Ex x/f fx x常数常数 。这样就能。这样就能保证主磁通保证主磁通M M基本不变。最终使基本不变。最终使电动机的临界转矩得到补偿。电动机的临界转矩得到补偿。f fx xf fN N时，电动机近似具有恒功率时，电动机近似具有恒功率的调速特性的调速特性 图图8-2 8-2 U U/f f采用采用电压补偿后电压补偿后机械特性机械特性 变频器原理与应用（第
6、2版）第8章8.1.4 8.1.4 U Uf f控制控制的功能的功能 1.1.转矩提升转矩提升 转转矩矩提提升升是是指指通通过过提提高高U Uf f比比来来补补偿偿f fx x下下调调时时引引起起的的T TKxKx下下降降。但但并并不不是是U Uf f比比取取大大些些就就好好。补补偿偿过过分分，电电动动机机铁铁心心饱饱和和厉厉害害，励励磁磁电流电流I0的峰值增大，严重时可能会引起变频器因过电流而跳闸。的峰值增大，严重时可能会引起变频器因过电流而跳闸。2.2.U Uf f控制功能的选择控制功能的选择为了方便用户选择为了方便用户选择U Uf f比，变比，变频器通常都是以频器通常都是以U Uf f控
7、制曲线控制曲线的方式提供给用户，让用户选的方式提供给用户，让用户选择的，如图择的，如图8-38-3所示。所示。图图8-3 8-3 变频器的变频器的U Uf f控制曲线控制曲线 变频器原理与应用（第2版）第8章3.3.选择选择U Uf f控制曲线时常用的操作方法控制曲线时常用的操作方法 1)1)将拖动系统连接好，带以最重的负载。将拖动系统连接好，带以最重的负载。2)2)根根据据所所带带的的负负载载的的性性质质，选选择择一一个个较较小小的的U Uf f曲曲线线，在在低低速速时时观观察察电电动动机机的的运运行行情情况况，如如果果此此时时电电动动机机的的带带负负载载能能力力达达不不到到要要求求，需需将
8、将U Uf f曲曲线线提提高高一一档档。依依此此类类推推，直直到到电电动动机机在在低低速速时时的的带带负负载载能能力达到拖动系统的要求。力达到拖动系统的要求。3)3)如如果果负负载载经经常常变变化化，在在2)2)中中选选择择的的U Uf f曲曲线线，还还需需要要在在轻轻载载和和空空载载状状态态下下进进行行检检验验。方方法法是是：将将拖拖动动系系统统带带以以最最轻轻的的负负载载或或空空载载，在在低低速速下下运运行行，观观察察定定子子电电流流I I1 1的的大大小小，如如果果I I1 1过过大大，或或者者变变频频器器跳跳闸闸，说明原来选择的说明原来选择的U Uf f曲线过大，补偿过分，需要适当调低
9、曲线过大，补偿过分，需要适当调低U Uf f曲线。曲线。变频器原理与应用（第2版）第8章8.2 8.2 转差频率控制（转差频率控制（SFSF控制）控制）8.2.18.2.1转差频率转差频率控制原理控制原理 转转差差频频率率与与转转矩矩的的关关系系为为图图7-67-6所所示示的的特特性性，在在电电动动机机允允许许的的过过载载转转矩矩以以下下，大大体体可可以以认认为为产产生生的的转转矩矩与与转转差差频频率率成成比比例例。另另外外，电电流流随随转转差差频频率率的的增增加加而而单单调调增增加加。所所以以，如如果果我我们们给给出出的的转转差差频频率率不不超超过过允允许许过过载载时时的的转转差差频率，那么
10、就可以具有限制电流的功能。频率，那么就可以具有限制电流的功能。图图8-6 8-6 转差频率与转矩的关系转差频率与转矩的关系 为为了了控控制制转转差差频频率率虽虽然然需需要要检检出出电电动动机机的的速速度度。但但系系统统的的加加减减速速特特性性和和稳稳定性比开环的定性比开环的U Uf f控制获得了提高，过电流的限制效果也变好。控制获得了提高，过电流的限制效果也变好。变频器原理与应用（第2版）第8章8.2.2 8.2.2 转差频率控制的系统构成转差频率控制的系统构成 图图7-77-7为为转转差差频频率率控控制制系系统统构构成成图图。速速度度调调节节器器通通常常采采用用PIPI控控制制。它它的的输输
11、入入为为速速度度设设定定信信号号2 2*和和检检测测的的电电机机实实际际速速度度2 2之之间间的的误误差差信信号号。速速度度调调节节器器的的输输出出为为转转差差频频率率设设定定信信号号s s*。变变频频器器的的设设定定频频率率即即电电动动机机的的定定子子电电源源频频率率1 1*为为转转差差频频率率设设定定值值s s*与与实实际际转转子子转转速速2 2的的和和。当当电电动动机机负负载载运运行行时时，定定子子频频率率设设定定将将会会自自动动补补偿偿由由负负载载所所产产生生的的转转差差，保保持持电电动动机机的的速速度度为为设设定定速速度度。速速度度调调节节器器的的限限幅值决定了系统的最大转差频率。幅
12、值决定了系统的最大转差频率。图图7-7 7-7 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变频器原理与应用（第2版）第8章8.3 8.3 矢量控制矢量控制 (VC(VC控制控制)8.3.1 8.3.1 直流电动机与异步电动机调速上的差异直流电动机与异步电动机调速上的差异1直流电动机的调速特征直流电动机的调速特征 直直流流电电动动机机具具有有两两套套绕绕组组，即即励励磁磁绕绕组组和和电电枢枢绕绕组组，它它们们的的磁磁场场在在空空间间上上互互差差/2电电角角度度，两两套套绕绕组组在在电电路路上是互相独立的。上是互相独立的。2异步电动机的调速特征异步电动机的调速特征 异异步步电
13、电动动机机也也有有定定子子绕绕组组和和转转子子绕绕组组，但但只只有有定定子子绕绕组组和和外外部部电电源源相相接接，定定子子电电流流I1是是从从电电源源吸吸取取电电流流，转转子子电电流流I2是是通通过过电电磁磁感感应应产产生生的的感感应应电电流流。因因此此异异步步电电动动机机的的定定子子电电流流应应包包括括两两个个分分量量，即即励励磁磁分分量量和和负负载载分分量量。励励磁磁分分量量用用于于建建立立磁磁场场；负负载载分分量量用用于于平平衡衡转转子子电电流流磁磁场。场。变频器原理与应用（第2版）第8章8.3.2 8.3.2 矢量控制中的等效变换矢量控制中的等效变换 a)a)三相电流绕组三相电流绕组
14、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 图图8-9 8-9 异步电动机的几种等效模型异步电动机的几种等效模型变频器原理与应用（第2版）第8章2.3相2相变换(3s2s)三三相相静静止止坐坐标标系系A、B、C和和两两相相静静止止坐坐标标系系和和之之间间的的变变换换，称称为为3s2s变变换换。变变换换原原则则是是保保持持变变换换前前的的功功率不变。率不变。设设三三相相对对称称绕绕组组(各各相相匝匝数数相相等等、电电阻阻相相同同、互互差差120空空间间角角)通通入入三三相相对对称称电电流流iA、iB、iC，形形成成定定子子磁磁动动势势，用用F3表表示示，如如图图8-1
15、0a所所示示。两两相相对对称称绕绕组组(匝匝数数相相等等、电电阻阻相相同同、互互差差90空空间间角角)内内通通入入两两相相电电流流后后产产生生定定子子旋旋转转磁磁动动势势，用用F2表表示示，如如图图8-10b所所示示。适适当当选选择择和和改改变变两两套套绕绕组组的的匝匝数数和和电电流流，即即可可使使F3和和F2的的幅幅值值相相等等。若若将将两两种种绕绕组组产产生生的的磁磁动动势势置置于于同同一一图图中中比比较较，并并使使Fa与与FA重合，如图重合，如图8-10c所示所示.变频器原理与应用（第2版）第8章 a)三相绕组三相绕组 b)两相绕组两相绕组 c)磁动势磁动势 图图8-10 绕组磁动势的等
16、效关系绕组磁动势的等效关系变频器原理与应用（第2版）第8章3.2相/2相旋转变换（2s/2r）2相相/2相相旋旋转转变变换换又又称称为为矢矢量量旋旋转转变变换换器器，因因为为 和和两两相相绕绕组组在在静静止止的的直直角角坐坐标标系系上上（2s），而而M、T绕绕组组则则在在旋旋转转的的直直角角坐坐标标系系上上（2r），变变换换的的运运算算功功能能由由矢矢量量旋转变换器来完成，图旋转变换器来完成，图8-11为旋转变换矢量图。为旋转变换矢量图。图图8-11 旋转变换矢量图旋转变换矢量图变频器原理与应用（第2版）第8章8.3.3.8.3.3.直角坐标极坐标变换直角坐标极坐标变换 在在矢矢量量控控制制系
17、系统统中中，有有时时需需将将直直角角坐坐标标变变换换为为极极坐坐标标，用用矢矢量量幅幅值值和和相相位位夹夹角角表表示示矢矢量量。图图8-118-11中中矢矢量量i i1 1和和M M轴轴的的夹夹角角为为1 1，若若由由已已知知的的im、iy来来求求i i1 1和和1 1，则则必必须须进进行行K KP P变换，其关系公式为变换，其关系公式为 (8-13)(8-13)（8-14)8-14)变频器原理与应用（第2版）第8章8.3.4 8.3.4 变频器矢量控制的基本思想变频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 图图8-12 8-12 矢量控制的示意图矢量控制的示意图 变频
18、器原理与应用（第2版）第8章2 2矢量控制中的反馈矢量控制中的反馈 电电流流反反馈馈用用于于反反映映负负载载的的状状态态，使使i iT T*能能随随负负载载而而变变化化。速速度度反反馈馈反反映映出出拖拖动动系系统统的的实实际际转转速速和和给给定定值值之之间间的的差差异异，从从而而以以最最快快的的速速度度进进行行校校正正，提提高高了了系系统统的的动动态态性性能能。速速度度反反馈馈的的反反馈馈信信号号可可由由脉脉冲冲编编码码器器PGPG测测得得。现现代代的的变变频频器器又又推推广广使使用用了了无无速速度度传传感感器器矢矢量量控控制制技技术术，它它的的速速度度反反馈馈信信号号不不是是来来自自速速度度
19、传传感感器器，而而是是通通过过CPUCPU对对电电动动机机的的各各种种参参数数，如如I I1 1、r r2 2等等经经过过计计算算得得到到的的一一个个转转速速的的实实在在值值，由由这这个个计计算算出出的的转转速速实实在在值值和和给给定定值值之之间间的的差差异来调整异来调整i iM M*和和i iT T*，改变变频器的输出频率和电压。，改变变频器的输出频率和电压。变频器原理与应用（第2版）第8章8.3.5 8.3.5 使用矢量控制的要求使用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)一台变频器只能带一台电动机。一台变频器只能带一台
20、电动机。2)电电动动机机的的极极数数要要按按说说明明书书的的要要求求，一一般般以以4极极电电动动机机为为最最佳。佳。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)变变频频器器与与电电动动机机间间的的连连接接线线不不能能过过长长，一一般般应应在在30m以以内内。如如果果超超过过30m，需需要要在在连连接接好好电电缆缆后后，进进行行离离线线自自动调整，以重新测定电动机的相关参数。动调整，以重新测定电动机的相关参数。变频器原理与应用（第2版）第8章8.3.6 8.3.6 矢量控制系统的优点和应用范围矢量控制系统的优点和应用范围 1.矢量控制系统的
21、优点矢量控制系统的优点 1）动态的高速响应）动态的高速响应 2）低频转矩增大）低频转矩增大 3）控制灵活）控制灵活 2.矢量控制系统的应用范围矢量控制系统的应用范围 1）要求高速响应的工作机械）要求高速响应的工作机械 2）适应恶劣的工作环境）适应恶劣的工作环境 3）高精度的电力拖动）高精度的电力拖动 4）四象限运转）四象限运转 变频器原理与应用（第2版）第8章8.4 8.4 直接转矩控制直接转矩控制 8.4.1 直接转矩控制系统 直直接接转转矩矩控控制制系系统统是是继继矢矢量量控控制制之之后后发发展展起起来来的的另另一一种种高高性性能能的的交交流流变变频频调调速速系系统统。直直接接转转矩矩控控
22、制制把把转转矩矩直直接作为控制量来控制。接作为控制量来控制。直直接接转转矩矩控控制制是是直直接接在在定定子子坐坐标标系系下下分分析析交交流流电电动动机机的的模模型型，控控制制电电动动机机的的磁磁链链和和转转矩矩。它它不不需需要要将将交交流流电电动动机机化化成成等等效效直直流流电电动动机机，因因而而省省去去了了矢矢量量旋旋转转变变换换中中的的许许多多复复杂杂计计算算，它它不不需需要要模模仿仿直直流流电电动动机机的的控控制制，也也不需要为解耦而简化交流电动机的数学模型。不需要为解耦而简化交流电动机的数学模型。变频器原理与应用（第2版）第8章 图图8-13所所示示为为按按定定子子磁磁场场控控制制的的
23、直直接接转转矩矩控控制制系系统统的的原原理理框框图图，采采用用在在转转速速环环内内设设置置转转矩矩内内环环的的方方法法，以以抑抑制制磁磁链链变变化化对对转转子子系系统统的的影影响响，因因此此，转转速速与与磁磁链链子子系系统也是近似独立的。统也是近似独立的。图图8-13 直接转矩控制系统原理框图直接转矩控制系统原理框图变频器原理与应用（第2版）第8章8.4.2 8.4.2 直接转矩控制的优势直接转矩控制的优势 转转矩矩控控制制是是控控制制定定子子磁磁链链，在在本本质质上上并并不不需需要要转转速速信信息息；控控制制上上对对除除定定子子电电阻阻外外的的所所有有电电动动机机参参数数变变化化鲁鲁棒棒性性
24、好好；所所引引入入的的定定子子磁磁链链观观测测器器能能很很容容易易地地估估算算出出同同步步速速度度信信息息。因因而而能能方方便便地地实实现现无无速速度度传传感感器器化化。这这种种控控制也称为无速度传感器直接转矩控制。制也称为无速度传感器直接转矩控制。然然而而，这这种种控控制制要要依依赖赖于于精精确确的的电电动动机机数数学学模模型型和和对对电动机参数的自动识别电动机参数的自动识别(ID)。变频器原理与应用（第2版）第8章8.5 8.5 单片机控制单片机控制 8.5.1 8.5.1 概述概述 随随着着微微电电子子工工艺艺水水平平的的提提高高，微微型型计计算算机机的的性性能能价价格格比比显显著著提提
25、高高，全全数数字字化化变变频频调调速速系系统统大大都都是是以以高高性性能能单单片片机机和和数数字字信信号号处处理理器器(DSP)等等为为控控制制核核心心来来构构成成整整个个系系统统。专专用用于于电电机机控控制制的的单单片片机机的的出出现现，使使得得系系统统的的体体积积减减小小，可可靠靠性性大大大大提提高高。它它们们大大部部分分是是在在16位位单单片片机机或或DSP的的基基础础上上增增加加部部分分特特殊殊的的控控制制功功能能构构成成专专用用的的集集成电路，如成电路，如87C196MC。变频器原理与应用（第2版）第8章8.5.2 80C196MC8.5.2 80C196MC微机控制系统微机控制系统
26、 图图8-15 80C196MC8-15 80C196MC控制变频调速系统原理框图控制变频调速系统原理框图变频器原理与应用（第2版）第8章8.5.3 80C196MC8.5.3 80C196MC微机控制系统硬件配置微机控制系统硬件配置 图图8-19 80C196MC8-19 80C196MC微机控制系统的硬件配置原理图微机控制系统的硬件配置原理图 变频器原理与应用（第2版）第8章8.5.4 8.5.4 微机控制系统软件设计微机控制系统软件设计 图图8-20 8-20 系统程序流程图系统程序流程图变频器原理与应用（第2版）第8章本章小结本章小结 变频器的控制方式有：变频器的控制方式有：Vf 控制
27、、转差频率控制、矢量控制和控制、转差频率控制、矢量控制和直接转矩控制等。直接转矩控制等。Vf 控制是使变频器的输出在改变频率的同时也改变电压，控制是使变频器的输出在改变频率的同时也改变电压，通常是使通常是使Vf 为常数为常数，这样可使电动机磁通保持一定，在较宽的调这样可使电动机磁通保持一定，在较宽的调速范围内，电动机的转矩、效率、功率因数不下降。速范围内，电动机的转矩、效率、功率因数不下降。低频时，可通过提高低频时，可通过提高U/f 比使输出转矩得到补偿的，这种方法比使输出转矩得到补偿的，这种方法被称作转矩补偿。被称作转矩补偿。转差频率控制就是检测出电动机的转速，构成速度闭环，速度转差频率控制
28、就是检测出电动机的转速，构成速度闭环，速度调节器的输出为转差频率，通过控制转差频率来控制转矩和电流，调节器的输出为转差频率，通过控制转差频率来控制转矩和电流，使速度的静态误差变小。使速度的静态误差变小。矢量控制是通过控制变频器输出电流的大小、频率及相位，用矢量控制是通过控制变频器输出电流的大小、频率及相位，用以维持电动机内部的磁通为设定值，产生所需的转矩。是一种高性以维持电动机内部的磁通为设定值，产生所需的转矩。是一种高性能的异步电动机控制方式。能的异步电动机控制方式。直接转矩控制是直接分析交流电动机的模型，控制电动机的磁直接转矩控制是直接分析交流电动机的模型，控制电动机的磁链和转矩。链和转矩。变频器原理与应用（第2版）第8章 谢谢！变频器原理与应用（第2版）第8章