变频器原理及在我公司的应用.ppt

1.1 变频器定义,变频器是把工频电源(50hz或60hz)变换成各种频率的交流电源，以实现电机的变速运行的设备 。 其中控制电路完成对主电路的控制；整流电路将交流电变换成直流电，直流中间电路对整流电路的输出进行平滑滤波，逆变电路将直流电再逆成交流电。 变频调速是通过改变电机定子绕组供电的频率来达到调速的目的。,1.2 变频器分类,按照主电路工作方式分类，可以分为电压型变频器和电流型变频器 。 按照开关方式分类，可以分为pam控制变频器、pwm控制变频器和高载频pwm控制变频器 。 按照工作原理分类，可以分为v/f控制变频器、转差频率控制变频器和矢量控制变频器等 按照用途分类，可以分为通用变频器、高性能专用变频器；高压变频器、低压变频器；单相变频器和三相变频器等。,1.3 变频器的发展,变频器是应交流电动机无级调速的需求而诞生的 变频器是在电力电子技术的发展的基础上发展起来的,1.3.1 为什么要调速,1、以节能为目的 风机、水泵都是用交流电动机，由于负荷的变化，需要调节流量，过去由于交流电动机不能调速，只能使用阀门、挡板、回流（再循环门）等措施来调节风量和水的流量。造成很大的电能浪费。 2、以提高产品质量、提高生产率为目的 由于生产工艺上需要调速的生产机械来提高产品质量，如柠檬酸厂三效、四效养晶泵要求调速，以控制柠檬酸晶体的质量。 由于煤的品种、热值的不同，锅炉给粉机的转速需要及时调整以适应燃烧的变化,1.3 .2 常用的调速方法,1、直流电动机调速 2、液力耦合器调速方法 3、变极对数调速方法 4、串级调速方法 5、绕线式电动机转子串电阻调速方法 6、电磁调速电动机调速方法 7、变频调速方法,1、直流电动机调速,由于直流电动机转矩容易控制，直流调速系统具有启动、制动性能好，调速范围广、静差小、稳定性好等优点。晶闸管整流装置的应用是直流电动机在自动调速系统中占据主导地位。 缺点：直流电动机的单机容量、最高电压、最高转速、过载能力都受到机械换向的制约。 135机组燃料卸船机主、副扬、小车使用,2、液力耦合器调速方法,液力耦合器是一种液力传动装置，一般由泵轮和涡轮组成，它们统称工作轮，放在密封壳体中。壳中充入一定量的工作液体，当泵轮在原动机带动下旋转时，处于 其中的液体受叶片推动而旋转，在离心力作用下沿着泵轮外环进入涡轮时，就在同一转向上给涡轮叶片以推力，使其带动生产机械运转。液力耦合器的动力转输能力 与壳内相对充液量的大小是一致的。在工作过程中，改变充液率就可以改变耦合器的涡轮转速，作到无级调速。 其特点为： 功率适应范围大，可满足从几十千瓦至数千千瓦不同功率的需要； 结构简单，工作可靠，使用及维修方便，且造价低； 尺寸小，能容大； 控制调节方便，容易实现自动控制。 5#、6#、7#炉的送、引风机，排粉风机使用,3、变极对数调速方法,这种调速方法是用改变定子绕组的接线方式来改变笼型电动机定子极对数达到调速目的，特点如下： 具有较硬的机械特性，稳定性良好； 无转差损耗，效率高； 接线简单、控制方便、价格低； 有级调速，级差较大，不能获得平滑调速； 本方法适用于不需要无级调速的生产机械，如金属切削机床、升降机、起重设备、风机、水泵等。 3#机甲循泵用,4、串级调速方法,串级调速是指绕线式电动机转子回路中串入可调节的附加电势来改变电动机的转差，达到调速的目的。大部分转差功率被串入的附加电势所吸收，再利用产生 附加的装置，把吸收的转差功率返回电网或转换能量加以利用。根据转差功率吸收利用方式，串级调速可分为电机串级调速、机械串级调速及晶闸管串级调速形式， 多采用晶闸管串级调速。 其特点为： 可将调速过程中的转差损耗回馈到电网或生产机械上，效率较高； 装置容量与调速范围成正比，投资省，适用于调速范围在额定转速7090的生产机械上； 调速装置故障时可以切换至全速运行，避免停产； 晶闸管串级调速功率因数偏低，谐波影响较大。 135机组8#、9#炉送、引风机内反馈电动机用,5、绕线式电动机转子串电阻 调速方法,绕线式异步电动机转子串入附加电阻，使电动机的转差率加大，电动机在较低的转速下运行。串入的电阻越大，电动机的转速越低。此方法设备简单，控制方便，但转差功率以发热的形式消耗在电阻上。属有级调速，机械特性较软。 60mw装卸桥、干煤棚行车主、副扬，大、小车上用,6、电磁调速电动机调速方法,电磁调速电动机由笼型电动机、电磁转差离合器和直流励磁电源（控制器）三部分组成。 直流励磁电源功率较小，通常由单相半波或全波晶闸管整流器组成，改变晶闸管的导通角，可以改变励磁电流的大小。 电磁转差离合器由电枢、磁极和励磁绕组三部分组成。电枢和后者没有机械联系，都能自由转动。电枢与电动机转子同轴联接称主动部分，由电动机带动；磁极用 联轴节与负载轴对接称从动部分。当电枢与磁极均为静止时，如励磁绕组通以直流，则沿气隙圆周表面将形成若干对n、s极交替的磁极，其磁通经过电枢。当 电枢随拖动电动机旋转时，由于电枢与磁极间相对运动，因而使电枢感应产生涡流，此涡流与磁通相互作用产生转矩，带动有磁极的转子按同一方向旋转，但其转速 恒低于电枢的转速n1，这是一种转差调速方式，改变转差离合器的直流励磁电流，便可改变离合器的输出转矩和转速。 电磁调速电动机的调速特点： 装置结构及控制线路简单、运行可靠、维修方便； 调速平滑、无级调速； 对电网无谐波影响； 速度损失大、效率低。 本方法适用于中、小功率，要求平滑动、短时低速运行的生产机械。 60mw5#、6#炉给粉、给煤机用,7、变频调速方法,变频调速是改变电动机定子电源的频率，从而改变其同步转速的调速方法。变频调速系统主要设备是提供变频电源的变频器，变频器可分成交流直流交流变频器和交流交流变频器两大类，目前国内大都使用交直交变频器。 其特点： 效率高，调速过程中没有附加损耗； 应用范围广，可用于笼型异步电动机； 调速范围大，特性硬，精度高； 技术复杂，造价高，维护检修困难。 本方法适用于要求精度高、调速性能较好场合。,1.3.3 电力电子技术的发展,过去为晶闸管变流技术，现在为电力电子技术 20世纪60年代以后，电力电子器件经历了scr(晶闸管)、gto(门极可关断晶闸管)、bjt(双极型功率晶体管)、mosfet(金属氧化物场效应管)、sit(静电感应晶体管)、sith(静电感应晶闸管)、mgt(mos控制晶体管)、mct(mos控制晶闸管)、igbt(绝缘栅双极型晶体管)、hvigbt(耐高压绝缘栅双极型晶闸管)的发展过程，器件的更新促进了电力电子变换技术的不断发展。 20世纪70年代开始，脉宽调制变压变频(pwmvvvf)调速研究引起了人们的高度重视。20世纪80年代，作为变频技术核心的pwm模式优化问题吸引着人们的浓厚兴趣，并得出诸多优化模式，其中以鞍形波pwm模式效果最佳。20世纪80年代后半期开始，美、日、德、英等发达国家的vvvf变频器已投入市场并获得了广泛应用。,1.3.4 电力电子器件的分类,电力电子器件分类：可以分为半控型器件、全控型器件和不可控型器件，其中（1）晶闸管为半控型器件，承受电压和电流容量在所有器件中最高；（2）电力二极管为不可控器件，结构和原理简单，工作可靠；（3）还可以分为电压驱动型器件和电流驱动型器件，其中gto、gtr为电流驱动型器件，igbt、电力mosfet为电压驱动型器件。 igbt优点：开关速度高，开关损耗小，具有耐脉冲电流冲击的能力，通态压降较低，输入阻抗高，为电压驱动，驱动功率小；缺点：开关速度低于电力mosfet,电压，电流容量不及gto gtr优点：耐压高，电流大，开关特性好，通流能力强，饱和压降低；缺点：开关速度低，为电流驱动，所需驱动功率大，驱动电路复杂，存在二次击穿问题 gto优点：电压、电流容量大，适用于大功率场合，具有电导调制效应，其通流能力很强；缺点：电流关断增益很小，关断时门极负脉冲电流大，开关速度低，驱动功率大，驱动电路复杂，开关频率低 电力mosfet优点：开关速度快，输入阻抗高，热稳定性好，所需驱动功率小且驱动电路简单，工作频率高，不存在二次击穿问题；缺点：电流容量小，耐压低，一般只适用于功率不超过10kw的电力电子装置。 制约因素：耐压，电流容量，开关的速度。,igbt为变频调速普及奠定了基础,20世纪80年代末，绝缘栅双极型晶体管(igbt)的开发成功，使变频器在许多方面得到了较大的提高。 绝缘栅双极型晶体管(igbt)是场效应晶体管(mosfet)和电力晶体管(gtr)相结合的产物。其主体部分与gtr相同，也有集电极(c)和发射极(e)，而控制极的结构却与mosfet相同，是绝缘栅结构，也称为栅极(g)，如图1-11(a)所示。其工作特点如下: 控制部分 控制信号为电压信号uge，栅极与发射极之间的输入阻抗很大，故信号电流与驱动功率(控制功耗)都很小。 主体部分 因为与gtr相同，额定电压与电流容易做得较大，故在中小容量的变频器中，igbt已经完全取代了gtr。 就是说，igbt是一种以极小的控制功率来控制大功率电路的器件。 变频器所用的igbt管，通常已经制作成各种模块 。其主要特点如下: 载波频率高 大多数变频器的载波频率可在(315)khz的范围内任意可调，电流波形大为改善 。 载波频率高的结果是电流的谐波成分减小，电流波形十分接近于正弦波，故电磁噪声减小，而电动机的转矩则增大。 功耗减小 由于igbt的驱动电路取用电流小，几乎不消耗功率。 瞬间停电可以不停机 这是因为，igbt的栅极电流极小，停电后，栅极控制电压衰减较慢，igbt管不会立即进入放大状态。故在瞬间停电或变频器因误动作而跳闸后，允许自动重合闸，而可以不必跳闸，从而增强了对常见故障的自处理能力。 可以说，igbt为变频调速的迅速普及和进一步提高奠定了基础。,2.0 变频器原理,调速的基本原理基于以下公式: 式(1)中: n1同步转速(r/min);f1定子供电电源频率(hz);p磁极对数。 一般异步电机转速n与同步转速n1存在一个滑差关系 式(2)中: n异步电机转速(r/min);s异步电机转差率。 由(2)式可知，调速的方法可改变f1、p、s其中任意一种达到，对异步电机最好的方法是改变频率f1，实现调速控制。,由电机理论，三相异步电机每相电势的有效值与下式有关。 式(3)中: e1定子每相电势有效值(v);f1定子供电电源频率(hz);n1定子绕组有效匝数;m定子磁通(wb)。 由(3)式可分成两种情况分析: 1、在频率低于供电的额定电源频率50hz时属于恒转矩调速。 变频器设计时为维持电机输出转矩不变，必须维持每极气隙磁通m不变，从(3)式可知，也就是要使e1/f1=常数。如忽略定子漏阻抗r1压降， u1=ei+i1(r1+jx1) e1，可以认为供给电机的电压u1与频率f1按相同比例变化，即u1/f1=常数。 但是在频率较低时，定子漏阻抗压降已不能忽略，因此要人为地提高定子电压，以作漏抗压降的补偿，维持e1/f1常数， 2、在频率高于供电的额定电源频率50hz时属于恒功率调速。 当频率50hz时，由于u1不能超过额定电压，当频率升高，转速升高，气隙磁动势减弱，最大转矩减小，输出功率基本不变。属于弱磁恒功率调速。,2.1 变频器常用的控制方式,1、经典v/f控制（标量控制）原理 2、转差频率控制原理 3、矢量控制（vc）原理 4、直接转矩控制（dtc）原理,1、v/f控制,v/f控制是为了得到理想的转矩-速度特性，基于在改变电源频率进行调速的同时，又要保证电动机的磁通不变的思想而提出的，通用型变频器基本上都采用这种v/f协调控制方式。v/f控制变频器结构非常简单，但是这种变频器采用开环控制方式，不能达到较高的控制性能，这种控制方式在低频时由于输出电压较小，受定子电阻压降的影响比较显著,故造成输出最大转矩减小。因此，在低频时，必须进行转矩补偿，以改变低频转矩特性。 转矩补偿的基本原理 为了使e1/f1const的条件得到满足，以维持磁通m基本不变，人们首先想到的办法便是:频率下降时，在u1/f1const的基础上增加u，适当提高u1/f1的比值，以补偿阻抗压降u在u1中所占比例增大的影响。这种方法称为转矩补偿或电压补偿，也叫转矩提升。因为是通过改变u/f比来实现的，故通常称为v/f控制法。 v/f控制通用型变频器一般采用两种方式实现转矩提升功能：一种是在存储器存入多种v/f函数的不同曲线，供用户选择；二种是根据电流的大小自动补偿定子电压。 由于在频率较高部分，实际上常不需要补偿。因此，用户可预置需要补偿的转折频率ft，同时预置一个起始电压即可 。,2、转差频率控制,转差频率控制是一种直接控制转矩的控制方式，它是在v/f控制的基础上，按照知道异步电动机的实际转速对应的电源频率，并根据希望得到的转矩来调节变频器的输出频率，就可以使电动机具有对应的输出转矩。这种控制方式，在控制系统中需要安装速度传感器，有时还加有电流反馈，对频率和电流进行控制，因此，这是一种闭环控制方式，可以使变频器具有良好的稳定性，并对急速的加减速和负载变动有良好的响应特性。 目前高性能变频器已经不需要安装速度传感器。下面为西门子转差频率控制变频器框图,转差频率控制框图,3、矢量控制（vc）,交流传动在高性能场合的应用始于矢量控制概念的引入，包括直接磁场定向与间接磁场定向控制。这一概念早在60年代就已出现，并由siemens 的blaschke博士于1972年正式提出。 矢量控制变频调速的做法是：将异步电动机在三相坐标系下的定子交流ia、ib、ic通过三相二相变换，等效成两相静止坐标系下的交流电流i、i，再通过按转子磁场定向旋转变换，等效成同步旋转坐标系下的直流电流im、it(im相当于直流电动机的励磁电流，it相当于与转矩成正比的电枢电流)。然后模仿直流电动机的控制方法，求得直流电动机的控制量，经过相应的坐标反变换，实现对异步电动机的控制。 矢量控制从基本原理上讲能够获得优异的动静态特性，但是对电机参数的敏感性却成为实际应用中必须解决的问题。驱动器通过启动前的自整定以及运行过程中的在线整定，适应电机参数变化，保持矢量控制的动静态性能，这些复杂的自适应控制算法都必须通过强大的信号处理器才能完成。其关键技术是在进行矢量控制时如何获得准确的速度信号，特别是在低速。通常是用直接计算、参数识别、状态估计、间接测量等手段，根据电机定子较易测量的定子电压、电流，计算出与速度有关的量，从而得到转子速度并将其用于速度反馈系统之中，由于采用高性能的cpu和电动机控制asic而进行高速处理，故在极低速度下提高了转矩特性，改善了速度响应。,无速度传感器的矢量控制方式是基于磁场定向控制理论发展而来的。 无速度传感器的矢量控制方式。它的基本控制思想是根据输入的电动机的铭牌参数，按照一定的关系式分别对作为基本控制量的励磁电流（或者磁通）和转矩电流进行检测，并通过控制电动机定子绕组上的电压的频率使励磁电流（或者磁通）和转矩电流的指令值和检测值达到一致，并输出转矩，从而实现矢量控制。 目前新型矢量控制通用变频器中已经具备异步电动机参数自动辨识、自适应功能，带有这种功能的通用变频器在驱动异步电动机进行正常运转之前可以自动地对异步电动机的参数进行辨识，并根据辨识结果调整控制算法中的有关参数，从而对普通的异步电动机进行有效的矢量控制。,矢量控制（vc）框图,4、直接转矩控制（dtc）,对于直接转矩控制来说，它由德国鲁尔大学的m.depenbrock教授和日本的i.takahashi于1985年首先分别提出的。对于磁链圆形的直接转矩控制来说，其基本思想是在准确观测定子磁链的空间位置和大小并保持其幅值基本恒定以及准确计算负载转矩的条件下，通过控制电机的瞬时输入电压来控制电机定子磁链的瞬时旋转速度，来改变它对转子的瞬时转差率，达到直接控制电机输出的目的。在控制思想上与矢量控制不同的是直接转矩控制通过直接控制转矩和磁链来间接控制电流，不需要复杂的坐标变换，因此具有结构简单、转矩响应快以及对参数鲁棒性好等优点。 由于直接转矩控制直接在定子坐标系下分析交流电动机的数学模型。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的数学模型。 直接转矩控制是基于静止坐标系 下来进行控制的，通过检测定子两相电流、直流母线电压和电机转速(在无速度传感器dtc中不需要测速)进行定子磁链观测和转矩计算，使二者分别与定子磁链给定和转矩给定相减，其差值又分别通过各自的滞环相比较，输出转矩和磁链的增、减信号，把这两个信号输入优化矢量开关表，再加上定子磁链所在的扇区就得到了满足磁链为圆形、转矩输出跟随转矩给定的电压矢量。磁链和转矩的滞环可以设置多级，并且其宽度可变，滞环宽度越小，开关频率越高，控制越精确。,直接转矩控制（dtc）框图,直接转矩控制是一个最优电机控制方法。它基于在电机启动期间所建立的精确的电机模型，在首次启动电机时，会自动进行电机励磁识别；期间，电机在零速时励磁数秒钟以建立电机模型。所以它从零速开始不使用电机轴上脉冲码盘反馈就可实现电机速度和转矩的精确控制。在dtc中，定子磁通和转矩被作为控制变量，高速数学信号处理器dsp与先进的电机软件模型相结合，使电机状态实际值和给定值的比较不断被更新，逆变器的每一次开关状态都是单独确定。这意味着传动可以产生最佳的开关组合，并对负载扰动和瞬时掉电等动态变化作出快速响应。因此，在00.5hz时就有150200mn的起动力矩，电路也较矢量控制简单。,2.2 变频器结构框图,2.2.1变频器主要是 由主电路、控制电路组成。,1、主电路 主电路是给异步电动机提供调压调频电源的电力变换部分，变频器的主电路大体上可分为两类:电压型是将电压源的直流变换为交流的变频器，直流回路的滤波是电容。电流型是将电流源的直流变换为交流的变频器，其直流回路滤波是电感。 主电路由三部分构成，将工频电源变换为直流功率的“整流器”，吸收在变流器和逆变器产生的电压脉动的“平波回路”，以及将直流功率变换为交流功率的“逆变器”。,1、主电路,（1）整流器：最近大量使用的是二极管的变流器，它把工频电源变换为直流电源。也可用两组晶体管变流器构成可逆变流器，由于其功率方向可逆，可以进行再生运转。 （2）平波回路：在整流器整流后的直流电压中，含有电源6倍频率的脉动电压，此外逆变器产生的脉动电流也使直流电压变动。为了抑制电压波动，采用电感和电容吸收脉动电压（电流）。装置容量小时，如果电源和主电路构成器件有余量，可以省去电感采用简单的平波回路。 （3）逆变器：同整流器相反，逆变器是将直流功率变换为所要求频率的交流功率，以所确定的时间使6个开关器件导通、关断就可以得到3相交流输出。,2控制电路,控制电路是给异步电动机供电（电压、频率可调）的主电路提供控制信号的回路。 它有频率、电压的“运算电路”， 主电路的“电压、电流检测电路”， 电动机的“速度检测电路”， 将运算电路的控制信号进行放大的“驱动电路”， 以及逆变器和电动机的“保护电路”组成。,2、控制电路,（1）运算电路：将外部的速度、转矩等指令同检测电路的电流、电压信号进行比较运算，决定逆变器的输出电压、频率。 （2）电压、电流检测电路：与主回路电位隔离检测电压、电流等。 （3）驱动电路：驱动主电路器件的电路。它与控制电路隔离使主电路器件导通、关断。 （4）速度检测电路:以装在异步电动机轴机上的速度检测器(tg、plg等)的信号为速度信号，送入运算回路，根据指令和运算可使电动机按指令速度运转。 （5）保护电路:检测主电路的电压、电流等，当发生过载或过电压等异常时，为了防止逆变器和异步电动机损坏，使逆变器停止工作或抑制电压、电流值。,3.0、 变频器的控制技术,pwm控制技术是变频器的核心技术。也是目前应用较多的技术。 pwm控制技术就是对逆变器半导体开关器件的导通和关断进行控制，使输出端得到一系列幅值相等而宽度不相等的脉冲，用这些脉冲来代替正弦波或其他所需要的波形。按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制，既可改变逆变电路输出电压的大小，也可改变输出频率。 随着电力电子技术、微电子技术和自动控制技术的发展以及各种新的理论方法，如现代控制理论、非线性系统控制思想的应用，pwm控制技术获得了空前的发展。到目前为止，已出现了多种pwm控制技术,3.1、等脉宽pwm法,等脉宽pwm法是把每一脉冲的宽度均相等的脉冲列作为pwm波，通过改变脉冲列的周期可以调频，改变脉冲的宽度或占空比可以调压，采用适当控制方法即可使电压与频率协调变化。,3.2、正弦波pwm法(spwm法),spwm(sinusoidal pwm)法是一种比较成熟的、目前使用较广泛的pwm法.用脉冲宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的pwm波形即spwm波形控制逆变电路中开关器件的通断，使其输出的脉冲电压的面积与所希望输出的正弦波在相应区间内的面积相等，通过改变调制波的频率和幅值则可调节逆变电路输出电压的频率和幅值。该方法的实现有以下几种方案。 （1）、等面积法 该方案实际上就是spwm法原理的直接阐释，用同样数量的等幅而不等宽的矩形脉冲序列代替正弦波，然后计算各脉冲的宽度和间隔，并把这些数据存于微机中，通过查表的方式生成pwm信号控制开关器件的通断，以达到预期的目的。由于此方法是以spwm控制的基本原理为出发点，可以准确地计算出各开关器件的通断时刻，其所得的的波形很接近正弦波，但其存在计算繁琐，数据占用内存大，不能实时控制的缺点。 （2）、硬件调制法 硬件调制法是为解决等面积法计算繁琐的缺点而提出的，其原理就是把所希望的波形作为调制信号，把接受调制的信号作为载波，通过对载波的调制得到所期望的pwm波形。通常采用等腰三角波作为载波，当调制信号波为正弦波时，所得到的就是spwm波形。其实现方法简单，可以用模拟电路构成三角波载波和正弦调制波发生电路，用比较器来确定它们的交点，在交点时刻对开关器件的通断进行控制，就可以生成spwm波。但是，这种模拟电路结构复杂，难以实现精确的控制。 （3）、软件生成法 由于微机技术的发展使得用软件生成spwm波形变得比较容易，因此，软件生成法也就应运而生。软件生成法其实就是用软件来实现调制的方法，其有两种基本算法，即自然采样法和规则采样法。,3.3、电流控制pwm,电流控制pwm的基本思想是把希望输出的电流波形作为指令信号，把实际的电流波形作为反馈信号，通过两者瞬时值的比较来决定各开关器件的通断，使实际输出随指令信号的改变而改变。其实现方案主要有以下3种。 （1）、滞环比较法 这是一种带反馈的pwm控制方式，即每相电流反馈回来与电流给定值经滞环比较器，得出相应桥臂开关器件的开关状态，使得实际电流跟踪给定电流的变化。该方法的优点是电路简单，动态性能好，输出电压不含特定频率的谐波分量。其缺点是开关频率不固定造成较为严重的噪音，和其他方法相比，在同一开关频率下输出电流中所含的谐波较多。 （2）、三角波比较法 该方法与spwm法中的三角波比较方式不同，这里是把指令电流与实际输出电流进行比较，求出偏差电流，通过放大器放大后再和三角波进行比较，产生pwm波。此时开关频率一定，因而克服了滞环比较法频率不固定的缺点。但是，这种方式电流响应不如滞环比较法快。 （3）、预测电流控制法 预测电流控制是在每个调节周期开始时，根据实际电流误差，负载参数及其它负载变量，来预测电流误差矢量趋势，因此，下一个调节周期由pwm产生的电压矢量必将减小所预测的误差。该方法的优点是，若给调节器除误差外更多的信息，则可获得比较快速、准确的响应。目前，这类调节器的局限性是响应速度及过程模型系数参数的准确性。,3.4、空间电压矢量控制pwm (svpwm),空间电压矢量控制pwm(svpwm)也叫磁通正弦pwm法。它以三相波形整体生成效果为前提，以逼近电机气隙的理想圆形旋转磁场轨迹为目的，用逆变器不同的开关模式所产生的实际磁通去逼近基准圆磁通，由它们的比较结果决定逆变器的开关，形成pwm波形。此法从电动机的角度出发，把逆变器和电机看作一个整体，以内切多边形逼近圆的方式进行控制，使电机获得幅值恒定的圆形磁场(正弦磁通)。 具体方法又分为磁通开环式和磁通闭环式。磁通开环法用两个非零矢量和一个零矢量合成一个等效的电压矢量，若采样时间足够小，可合成任意电压矢量。此法输出电压比正弦波调制时提高15%，谐波电流有效值之和接近最小。磁通闭环式引入磁通反馈，控制磁通的大小和变化的速度。在比较估算磁通和给定磁通后，根据误差决定产生下一个电压矢量，形成pwm波形。这种方法克服了磁通开环法的不足，解决了电机低速时，定子电阻影响大的问题，减小了电机的脉动和噪音。但由于未引入转矩的调节，系统性能没有得到根本性的改善。,3.5、矢量控制pwm,矢量控制也称磁场定向控制，其原理是将异步电动机在三相坐标系下的定子电流ia，ib及ic，通过三相/二相变换，等效成两相静止坐标系下的交流电流ia1及ib1，再通过按转子磁场定向旋转变换，等效成同步旋转坐标系下的直流电流im1及it1(im1相当于直流电动机的励磁电流；it1相当于与转矩成正比的电枢电流)，然后模仿对直流电动机的控制方法，实现对交流电动机的控制。其实质是将交流电动机等效为直流电动机，分别对速度、磁场两个分量进行独立控制。通过控制转子磁链，然后分解定子电流而获得转矩和磁场两个分量，经坐标变换，实现正交或解耦控制。 由于转子磁链难以准确观测，以及矢量变换的复杂性，使得实际控制效果往往难以达到理论分析的效果，这是矢量控制技术在实践上的不足 。,3.6、直接转矩控制pwm,直接转矩控制与矢量控制不同，它不是通过控制电流、磁链等量来间接控制转矩，而是把转矩直接作为被控量来控制，它也不需要解耦电机模型，而是在静止的坐标系中计算电机磁通和转矩的实际值，然后，经磁链和转矩的band-band控制产生pwm信号对逆变器的开关状态进行最佳控制，从而在很大程度上解决了上述矢量控制的不足，能方便地实现无速度传感器化，有很快的转矩响应速度和很高的速度及转矩控制精度，并以新颖的控制思想、简洁明了的系统结构、优良的动静态性能得到了迅速发展。 但直接转矩控制也存在缺点，如逆变器开关频率的提高有限制。,4.0、变频器在我公司的应用,由于我厂购买设备来自不同厂家，所以变频器种类也比较多，有abb、西门子、日本系列、台湾系列、国产系列；其中尤以abb为数量最多，人性化最好。 西门子、日本系列变频器一般都使用英文菜单、英文代码，用数字来代表不同的控制参数；有的变频器修改参数还必须先找到解锁参数，选择解除后，才可以进行参数的修改。 而abb变频器有中文菜单，选择与修改参数也比较方便，另外它根据实际情况已经设置几种标准的应用宏，供你选择；你可以根据你需要的控制方式来选择相应的应用宏，这样你只需要设置小部分主要参数就可以使用；当然，你也可以在某种应用宏下，不使用默认参数，而改用其他参数，有点类似电脑的高级设置。关键在于对于变频器的熟悉程度。 下面以abb公司的acs510系列为为例说明。,4.1 使用前应该考虑的几个问题,第一，如何确定给定值。（模拟量输入ai） 给定值的意义，就是要给变频器一个频率数字，使变频器运转于这个频率数字，改变这个频率数字，变频器输出频率也相应改变，从而达到无级调速的目的。如果没有给定值（当使用恒速、电动电位器模式时除外），即使变频器已经启动并且工作，电动机也不能运转，因为变频器没有输出。一般情况下，ai1采用电位器作给定输入（电压010v）；ai2采用电流作给定输入（电流420ma）。60mw基本采用电位器作给定输入，135mw、脱硫都是采用dcs电流420ma作给定输入。柠檬酸厂则采用电动电位器应用宏模式，故不需要模拟量给定值。当然，如果没有ai1、ai2信号时，你也可以使用变频器上的控制盘来作给定输入。 第二，如何控制启动/停止。（数字量输入di） 一般情况下，di1的通与断来控制启与停，di2的通与断来控制电动机正转与反转，这种方式如果由dcs来控制，则dcs长脉冲输出。你也可以di1（常开）控制启，di2（常闭）控制停，相当于按钮方式，这种方式如果由dcs来控制，则dcs短脉冲输出。当然，你也可以使用变频器上的控制盘来控制启与停。 第三，如何实现反馈输出。（模拟量输出ao、数字量输出do） 变频器运行以后，需要将电流、频率、转速这些模拟量输出（ao）反馈给dcs控制室；需要将运行、故障信号，这些数字量输出（do）反馈给dcs控制室.。已方便对变频器的控制。 第四，如何实行多速段恒速运行。（数字量输入di） 在变频器的设置时，采用恒速运行，最多可以使用七个恒速值。实现有级调速。根据di1di6的不同的设置，结合正、反转，产生多种速度。一般都与plc结合，来实现顺序控制。行车、柠檬酸厂离心机属于此类。 第五，关于选择制动单元、制动电阻的问题 由于象行车、柠檬酸厂离心机实行多速段恒速运行，频繁地进行升、降速。在电动机降速的过程中，电动机处于再生制动状态，拖动系统的动能要反馈到变频器直流电路中，使变频器直流电压升高，甚至达到危险的地步。所以，必须使用制动单元、制动电阻来消耗这一部分能量。 第六，考虑电动机的保护 在变频器的设置中，把电动机的额定参数输到变频器中，并且要求在变频器限幅参数中，设置输出电流的最大值。实现过流保护。,4.2.1 abb变频器端子说明,变频器与外部连接端子 模拟量输入ai用于变频器调速 模拟量输出ao用于向远方反映变频器频率、电流、转速、力矩的大小 数字量输入di用于控制变频器启停、方向 数字量输出do用于向远方反映变频器工作状态,1,scr,2,ai1,3,agnd,4,10v,5,ai2,6,7,ao1,8,ao2,9,10,24v,11,gnd,12,dcom,13,di1,14,15,16,17,18,19,ro1c,20,21,22,23,24,25,26,27,agnd,agnd,di2,di3,di4,di5,di6,ro1a,ro1b,ro2c,ro2a,ro2b,ro3b,ro3a,ro3c,ma,ma,模 拟 输 入,数 字 输 入,模 拟 输 出,数 字 输 出,信号电缆的屏蔽层,外部频率给定1：0-10v,模拟输入电路的公共端,模拟输入电路的公共端,参考电压10vdc,外部频率给定2：0-20ma,输出频率：0-20ma,输出电流：0-20ma,模拟输出电路的公共端,辅助电压输出+24vdc,辅助电压输出的公共端,所有数字输入的公共端,起动/停止：得电起动,正传/反转：得电转向为反转,恒速选择,恒速选择,斜坡选择：得电选择 第二加/减速斜坡,未使用,继电器输出1，可编程 默认动作：准备,继电器输出2，可编程 默认动作：运行,继电器输出3，可编程 默认动作：故障,应用宏：abb标准宏（默认）,4.2.2 变频器控制盘说明,显示屏幕左上角为就地/远方，旁边为电动机转动方向，右上角为给定值。 显示屏幕中间分别为实际频率、电流、力矩。 loc/rem为远方/就地切换键，stop为停止，start启动键。 其余为功能键。,4.2.3 变频器主要参数设置说明,变频器主要参数设置: 99组:启动参数 （输入电动机数据） 9901(语言)=中文 9902(应用宏)=1=abb标准宏；2=3线宏；3=交变宏；4=电动电位器宏；5=手动/自动宏；6=pid宏；7=pfc宏；15=spfc宏. 9905(电机额定电压)=380v 9906(电机额定电流)=ie a 9907(电机额定频率)=50hz 9908(电机额定转速)=ne r/rpm 9909(电机额定电流)=pe kw 04组：故障记录 （查故障停机原因） 0401（最后故障）=故障代码 0402（最近故障日期）= 0403（最近故障时间）=,10组：输入指令 （根据电路决定启动、停止、方向） 1001（外部1命令）=0=not sel没有；1=di1(di1控制启停)；2=di1,2（di1控制启停，di2控制方向）；3=di1p,2p (di1p,2p控制启停，为脉冲)；4= di1p,2p,3（di1p,2p控制启停，di3控制方向）；5= di1p,2p,3p (di1p,3p控制正转，di2p,3p控制反转)；6= di6（di6控制启停）；7= di6,5（di6控制启停，di5控制方向）；8=控制盘；9= di1f,2r (di1和di2的组合)；10=comm通讯。 1002（外部2命令）=not set 没有设置 1003（转向）=1=正转；2=反转；3=双向。,11组：给定选择 （选择如何调速） 1101=ref（频率hz） 1102=外部1 1103=1=ai1；2=ai2；5=di3u,4d(r)（di3得电升速，di4得电减速，复位给定为0）；6=di3u,4d（di3得电升速，di4得电减速，给定值记忆）；8=comm通讯。 1104=0hz 1105=50hz 12组：恒速选择 1201=0=未选择，10=di4,5等等 1202（恒速1）= 5 hz 1203（恒速2）= 10 hz,13组：模拟输入 （设置ai信号最小值） 1301（ai1低限）=4ma=20% 1302（ai1高限）=20ma=100% 1304（ai2低限）=4ma=20% 1305（ai2高限）=20ma=100% 14组：继电器输出 （设置继电器动作） 1401（继电器输出1）=1=准备；2=运行；等等 1402（继电器输出2）=2=运行；等等 1403（继电器输出3）=4=故障；等等,15组：模拟输出 (设置ao信号最小值) 1501=103频率 1502=0hz 1503=50hz 1504=4ma 1505=20ma 1507=104电流 1508=0 a 1509= a 1010=4ma 1011=20ma 20组：限幅（设置变频器最大电流） 2003= a,22组：加速/减速（加减速时间） 2202= s 加速时间 2203= s 减速时间 26组：电机控制（使用补偿电压） 2603= v,4.2.4 几个重点解释的问题,1、远方/就地控制的问题 2、ai的电流、电压信号的选择问题 3、di的长、短脉冲信号的问题 4、ai、ao的最小值的设置问题 5、外部控制1与外部控制2的问题,1、远方/就地控制的问题,利用loc/rem键可以改变远方、就地控制。 当控制盘上面显示loc时，为就地控制，只能使用控制盘来进行启停、调速。 当控制盘上面显示rem时，为远方控制。一般情况由远方dcs控制启停，dcs控制调速。 如果将参数设置为以下情况： 1、当1001=di1,2时，而1103=keypad控制盘时。就可以实现远方dcs控制启停，就地控制盘控制调速。 2、当1001=keypad控制盘时，而1103=ai2时。就可以实现就地控制盘控制启停，远方dcs控制调速。 采用这种方式主要针对部分电缆坏时使用。,2、ai的电流、电压信号的选择问题,使用波段开关可以改变ai信号性质。 图1为默认选择，ai1为电压信号，ai2为电流信号。 图2为全部电流信号。 图3为全部电压信号。,3、di的长、短脉冲信号的问题,图1采用1001=di1,2 di1控制启停，di2控制正反转 外部的j1、j2继电器维持变频器运行 di1的通与断来控制启与停，di2的通与断来控制电动机正转与反转，这种方式如果由dcs来控制，则dcs长脉冲输出。 图2采用1001=di1p,2p di1p控制启动,2p控制停止，外部的j1、j2继电器不需要维持变频器运行。属于瞬动。 di1（常开）控制启，di2（常闭）控制停，相当于按钮方式，这种方式如果由dcs来控制，则dcs短脉冲输出。 好处就是外部故障不影响变频器正常运行。但是需要增加dcs一个do点。,4、ai、ao的最小值的设置问题,ai、ao为电流信号时，默认情况下面为020ma。 dcs采用420ma，就必须对于ai、ao的最小值进行修改。 ai最小值修改：(外部1)1104=4ma或者20% (外部2)1107=4ma或者20% ao最小值修改: (ao1)1504=4ma或者20% (ao2)1510=4ma或者20%,5、外部控制1与外部控制2的问题,外部控制1与外部控制2为两个控制信号源，任意选择。 一般情况下，只使用一个外部1，另一个外部2屏蔽不使用。并且设置相对应的ai和di，不可以交叉设置ai和di。 特殊情况，如手动/自动宏、pid控制宏，需要同时用到两个ai（ai1和ai2）。此时需要通过其他di来定义。 只使用外部控制1的ai其中一个的设置： 1001=di1,2；1002=not sel；1102=外部1；1103=ai1或ai2。 只使用外部控制2的ai其中一个的设置： 1001=not sel； 1002=di1,2； 1102=外部2；1106=ai1或ai2。 手动/自动宏同时使用外部1的ai1、外部2的ai2的设置： 1001=di1,2； 1002=di6,5 ；1102=di3；1103=ai1；1106=ai2。 因为比较繁琐，建议直接使用abb各种应用宏。,4.3.1 60mw机组变频器控制 （abb标准宏）,60mw一般没有电流、电压恒流源，基本上都用电位器控制调速，为电压信号，由变频器提供电源 di1得电启动，失电停止。 di2得电反转，失电正转。 关键参数： 9902=abb标准宏 1001=di1,2 1003=双向 1102=外部1 1103=ai1,2,3,4,10,11,12,13,22,24,25,27,ai1,agnd,10v,24v,gnd,dcom,di1,ro2c,ro2b,ro3c,ro3b,abb 变频器,zk1,zk2,za,ta,j1,j1,j1,1,3,5,2,7,9,1,15,a,a,b,c,n,5#炉捞渣机甲、乙变频控制原理图,变频器型号： acs510-x1-017a-4,ma,7,9,ao1,agnd,di2,j2,14,j2,j2,11,13,15,外部连锁,101,102,103,104,105,106,107,108,正转,反转,fa,正转运行,反转运行,变频器运行,甲编号：1，3，5，7，9，11，13，15，101， 102，103，104，105，106，107，108,乙编号：21，23，25，27，29，31，33，35， 201，202，203，204，205，206，207，208,端子排,1,3,21,23,j1，j2为omron my4nj继电器,j1,j2,ro2,4kw,j2,外部连锁,外部连锁,9902=abb标准宏,4.3.2 135机