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1、第二章第二章 电力电子变频器及电力电子变频器及PWM控制原理控制原理山东大学山东大学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，
2、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。 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。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
3、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，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。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
4、）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图。1.系统组成系统组成M3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URUIR0R1R2RbVTbKR0R1RbRu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，
5、先限制充电电流，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。u泵泵升升限限制制电电路路由由于于二二极极管管整整流流器器不不能能为为异异步步电电机机的的再再生生制制动动提提供供反反向向电电流流的的通通路路
6、，所所以以除除特特殊殊情情况况外外，通通用用变变频频器器一一般般都都用用电电阻阻吸吸收收制制动动能能量量。减减速速制制动动时时，异异步步电电机机进进入入发发电电状状态态，首首先先通通过过逆逆变变器器的的续续流流二二极极管管向向电电容容C充充电电，当当中中间间直直流流回回路路的的电电压压（通通称称泵泵升升电电压压）升升高高到到一一定定的的限限制制值值时时，通通过过泵泵升升限限制制电电路路使使开开关关器器件件导通，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。u进进线线电电抗抗器器 二二极极管管整整流流器器虽虽然然是是全全波波整整流流装装置置，但但由由于其输出端有滤波电
7、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。 这这样样的的电电流流波波形形具具有有较较大大的的谐谐波波分分量量，使使电电源源受受到到污污染。染。为为了了抑抑制制谐谐波波电电流流，对对于于容容量量较较大大的的PWM变变频频器器，都都应应在在输输入入端端设设有有进进线线电电抗抗器器，有有时时也也可可以以在在整整流流器器和和电电容容器器之之间间串串接接直直流流电电抗抗器器。还还可可用用来来抑抑制制电电源源电电压压不不平平衡衡对变频器的影响。对变频器的影响。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
8、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，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
9、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。控制电路控制电路控制电路（续）控制电路（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
10、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，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”。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
11、。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。u给给定定积积分分由由于于系系统统本本身身没没有有自自动动限限制制起起制制动动电电流流的的作作用用，因因此此，频频定定设设定定信信号号必必须须通通过过给给定定积积分分算算法法产产生生平平缓缓升升速速或或降降速速信信号号，升升速速和和降降速速的的积积分分时时间间可可以以根根据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。综综上上所所述述，PWM变变压压变变频频器器的的基基本本控控制制作作用用如如图图所所示示。近近
12、年年来来，许许多多企企业业不不断断推推出出具具有有更更多多自自动动控控制制功功能能的变频器，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。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tff*ufu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PWMMCS 87C196MC图图2-50 以以MCS87C196MC单片机为核
13、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RRUCCC0.01 270270VD1N4148VD1N4148ACHXMCS-196UrefR1R2R3UdcLF353+-R412345678UCCR5EXTINTOVGNDNCACANCUCCNCUoGND6N137GND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
14、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规模化生产。新一代的。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
15、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。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 前前节节所所述述的的转转速速开开环环变变频频调调速速系系统统可可以以满满足足平
16、平滑滑调调速速的的要要求求，但但静静、动动态态性性能能都都有有限限，要要提提高高静静、动动态态性性能能，首首先先要要用用转转速速反反馈馈闭闭环环控控制制。转转速速闭闭环环系系统统的的静静特特性性比比开开环环系系统统强强，这这是是很很明明显显的的，但但是是，是是否否能能够够提提高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。 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制转速的变化率 d /dt，
17、根据基本运动方程式，控制电磁转矩就能控根据基本运动方程式，控制电磁转矩就能控制制 d /dt，因此，归根结底，因此，归根结底，调速系统的动态性能就调速系统的动态性能就是控制转矩的能力。是控制转矩的能力。1.转差频率控制的基本概念转差频率控制的基本概念 直直流流电电机机的的转转矩矩与与电电枢枢电电流流成成正正比比，控控制制电电流流就就能能控控制制转转矩矩，因因此此，直直流流双双闭闭环环调调速速系系统统转转速速调调节节器器的的输输出信号当作电流给定信号，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。在在交交流流异异步步电电机机中中，影影响响转转矩矩的的因因素素较较多多，控控制制异
18、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。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代入上式，得代入上式，得 ，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 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令令 s=s 1，并定义为转差角频率。则并定义为转差角频率。则（2-41）（2-42）式（式（2-42）表明，在）表明，
19、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。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。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；
20、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。smaxsmTemaxTemsTeO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。v对于式（对于式（2-41），取），取 dTe/d s=0 可得可得（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 就可以基本保持就可以基本保持 Te与与 s
21、的正比关系，也就可以用转的正比关系，也就可以用转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。 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：（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=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
22、压降。以补偿定子电流压降。 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OUs/1=Const.Es/1=Const.定子电流增大的趋势定子电流增大的趋势 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。这是恒
23、定。这是转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，总结起来，转差频率控制的规律转差频率控制的规律是：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。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统结构原理图FBS电电压压型型逆逆变变器器PWMM
24、3 ASR3.转差频率控制的变频调速系统转差频率控制的变频调速系统 控控 制制 原原 理理 实现上述转差频率控制规律的转速闭环变压变频调速实现上述转差频率控制规律的转速闭环变压变频调速系统结构原理图如图所示。系统结构原理图如图所示。v频率控制频率控制转速调节器转速调节器ASR的输出信号是转差频率给的输出信号是转差频率给定定 s*，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 1*，即，即（2-45）v电压控制电压控制由由 1和定子电流反馈信号和定子电流反馈信号 Is 从微机存储从微机存储的的 Us=f(1,Is)函数中查得定子电压给定信号函数中查得定子电压
25、给定信号 Us*，用用 Us*和和 1*控制控制PWM电压型逆变器，即得异步电机电压型逆变器，即得异步电机调速所需的变压变频电源。调速所需的变压变频电源。 性能评价性能评价 转差角频率转差角频率 s*与实测转速信号与实测转速信号 相加后得到定子频相加后得到定子频率输入信号率输入信号 1*这一关系是转差频率控制系统突出的特点这一关系是转差频率控制系统突出的特点或优点。它表明，在调速过程中，实际频率或优点。它表明，在调速过程中，实际频率 1随着实际转随着实际转速速 同步地上升或下降，有如水涨而船高，因此加、减速同步地上升或下降，有如水涨而船高，因此加、减速平滑而且稳定。平滑而且稳定。同时，由于在动
26、态过程中转速调节器同时，由于在动态过程中转速调节器ASR饱和，系统饱和，系统能用对应于能用对应于 sm 的限幅转矩的限幅转矩Tem 进行控制，保证了在允许进行控制，保证了在允许条件下的快速性。具有较好的静、动态性能，是一个比条件下的快速性。具有较好的静、动态性能，是一个比较优越的控制策略，结构也不算复杂。较优越的控制策略，结构也不算复杂。性能评价（续）性能评价（续）然而，它的静、动态性能还不能完全达到直流双闭环然而，它的静、动态性能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系统的水平，存在差距的原因有以下3个方面：个方面：（1）在分析转差频率控制规律时，是从异步电机稳）在分析转差
27、频率控制规律时，是从异步电机稳态等效电路和稳态转矩公式出发的，所谓的态等效电路和稳态转矩公式出发的，所谓的“保持磁通保持磁通 m恒定恒定”的结论也只在稳态情况下才能成立。在动态中的结论也只在稳态情况下才能成立。在动态中 m如何变化还没有深入研究，但肯定不会恒定，这不得如何变化还没有深入研究，但肯定不会恒定，这不得不影响系统的实际动态性能。不影响系统的实际动态性能。性能评价（续）性能评价（续）（2）Us=f(1,Is)函函数数关关系系中中只只抓抓住住了了定定子子电电流流的的幅幅值值，没没有有控控制制到到电电流流的的相相位位，而而在在动动态态中中电电流流的的相相位位也是影响转矩变化的因素。也是影响转矩变化的因素。（3）在在频频率率控控制制环环节节中中，取取 1=s+，使使频频率率得得以以与与转转速速同同步步升升降降，这这本本是是转转差差频频率率控控制制的的优优点点。然然而而，如如果果转转速速检检测测信信号号不不准准确确或或存存在在干干扰扰，也也就就会会直直接接给给频频率率造造成成误误差差，因因为为所所有有这这些些偏偏差差和和干干扰扰都都以以正正反反馈馈的的形形式式毫毫无无衰减地传递到频率控制信号上来了。衰减地传递到频率控制信号上来了。