自动控制系统：6.3-6.4 转速开环恒压频比控制的变频调速系统

1、6.1 概述 6.2 SPWM变频器 6.3 电压频率协调控制方式及其机械特性 6.4 转速开环恒压频比控制的变频调速系统 6.5 转速闭环转差频率控制的变频调速系统,第 6 章 交流异步电动机变压变频调速系统,6.1.3 变频调速的基本要求,基频以下： 基频以上：电压恒定而频率增加,U1 Eg,为保证调速时电动机的最大转矩不变，希望保持电机中每极磁通量m 为额定值不变。,6.3.1 磁通与电势的关系 6.3.2 恒压恒频时异步电动机的机械特性 6.3.3 电压-频率协调控制下的机械特性,6.3 异步电动机电压频率协调控制的机械特性,6.3.1 磁通与电势的关系,感应电机中的磁通分为主磁通和漏

2、磁通两大类 主磁通是定转子绕组电流共同产生的，通过气隙，并与定转子同时铰链的磁通，也就是气隙磁通m。 漏磁通是仅与定子绕组或转子绕组铰链的磁通，分别称为定子漏磁通和转子漏磁通。 定子全磁通s 包括气隙磁通和定子漏磁通。 转子全磁通r 包括气隙磁通和转子漏磁通。,把气隙磁通感应的电势叫气隙电势，用Eg表示； 把定子全磁通和转子全磁通感应的电势分别叫做定子电势 和转子电势，分别用Es 和 Er 表示。,6.3.1 磁通与电势的关系,异步电机稳态等效电路,各类磁通与它们产生的感应电势之间存在下列关系,6.3.2 恒压恒频时异步电动机的机械特性,假定： 忽略空间和时间谐波 忽略磁饱和 忽略铁损,一般情

3、况，LmLl1，则C11,6.3.2 恒压恒频时异步电动机的机械特性,6.3.2 恒压恒频时异步电动机的机械特性,当s很小时,当 s 接近于1,当 s 为中间数值时，机械特性从直线段逐渐过渡到双曲线段,恒压恒频时变频调速的机械特性,机械特性是一段直线,机械特性是一段双曲线,1,0,6.3.3 电压-频率协调控制下的机械特性,电压 U1 和频率 1 可以有多种配合，包括恒U1 /1 控制，恒 Eg /1 控制，恒 Er /1控制，基频以上的恒电压运行。,6.3.3 电压-频率协调控制下的机械特性,恒压频比（ U1 /1）控制,U1 Eg,为了近似地保持气隙磁通不变，以便充分利用电机铁心，发挥电机

4、产生转矩的能力，在基频以下可以采用恒压频比控制,6.3.3 电压-频率协调控制下的机械特性,同步转速n0自然随频率变化,带负载时的转速降落,当s很小时,在恒压频比的条件下改变频率 ，机械特性平行下移,与直流电动机的调压调速类似,恒压频比（ U1 /1）控制,6.3.3 电压-频率协调控制下的机械特性,当s很小时,将TM的表达式对s求导，并令,恒压频比控制,采用定子压降补偿，适当地提高电压U1，可以增强带载能力。,频率很低时，TMmax太小将限制电机的带载能力,当转矩增大到最大值以后，转速再降低，特性就折回来了。,6.3.3 电压-频率协调控制下的机械特性,恒Eg /1 控制,如果在电压-频率协

5、调控制中，恰当地提高电压 U1 的数值，使它在克服定子阻抗压降以后，能维持 Eg /1 为恒值（基频以下），无论频率高低，每极磁通 m 均为常值。,6.3.3 电压-频率协调控制下的机械特性,恒Eg /1 控制,6.3.3 电压-频率协调控制下的机械特性,恒Eg /1 控制,当s很小时,机械特性的近似为一条直线。,当 s 接近于1时，,转矩TM近似与s成反比，是一段双曲线,s 值为中间值时，机械特性在直线和双曲线之间逐渐过渡。 其机械特性和恒压频比控制相似,TM,6.3.3 电压-频率协调控制下的机械特性,恒Eg /1 控制,S 较小,恒 Eg /1 控制时变频调速的机械特性,机械特性近似为一

6、条直线,6.3.3 电压-频率协调控制下的机械特性,恒Eg /1 控制,恒 Eg /1 特性分母中含 s 项的参数要小于恒压频比特性中的同类项，因此恒 Eg /1 特性的线性段范围更宽。,当Eg /1 为恒值时，TMmax 恒定不变。,由于恒Eg /1 控制时具有很大的过载能力和更宽的运行范围，其稳态性能优于恒 U1 /1 控制的性能。,恒压频比控制,把电压-频率协调控制中的电压再进一步提高，把转子漏抗上的压降也抵消掉，得到恒 Er /1 控制,6.3.3 电压-频率协调控制下的机械特性,恒 Er /1 控制,把电压-频率协调控制中的电压再进一步提高，把转子漏抗上的压降也抵消掉，得到恒 Er

7、/1 控制,6.3.3 电压-频率协调控制下的机械特性,恒 Er /1 控制,这时的机械特性完全是一条直线，可以获得和直流电机一样的线性机械特性。这正是高性能交流变频调速所要求的性能。,6.3.3 电压-频率协调控制下的机械特性,恒 Er /1 控制,当频率恒定时，电动势与磁通成正比。 气隙磁通的感应电动势Eg对应于气隙磁通幅值m 转子全磁通的感应电动势Er对应于转子全磁通幅值rm,只要能够按照转子全磁通幅值 rm=恒值 进行控制，就可以获得恒 Er /1 了。这正是矢量控制系统所遵循的原则，在第八章中进行讨论。,6.3.3 电压-频率协调控制下的机械特性,几种协调控制方式的比较,1）恒压频比

8、（ U1 /1 = 恒值 ）控制最容易实现，它的变频机械特性基本上是平行下移，硬度也较好，能够满足一般的调速要求。但低速带载能力有些差强人意，须对定子压降实行补偿。,2）恒Eg /1 控制是对恒压频比控制实行电压补偿的标准，可以在稳态时达到rm = 恒值，从而改善了低速性能。但机械特性还是非线性的，产生转矩的能力仍受到限制。,3）恒 Er /1 控制可以得到和直流他励电机一样的线性机械特性，按照转子全磁通 rm 恒定进行控制，即得Er /1 = 恒值。 而且，在动态中也尽可能保持 rm 恒定是矢量控制系统的目标，当然实现起来比较复杂。,基频以上的恒电压运行,在基频以上变频调速时，由于定子电压

9、U1= U1N 不变，机械特性方程式可写成,6.3.3 电压-频率协调控制下的机械特性,而最大转矩表达式可改写成,基频以上的恒电压运行,6.3.3 电压-频率协调控制下的机械特性,当角频率提高时，同步转速随之提高，最大转矩减小，机械特性上移，而形状基本不变。,基频以上变频调速机械特性,由于频率提高而电压不变，气隙磁通势必减弱，导致转矩的减小，但转速升高了，所以基频以上变频调速属于弱磁恒功率调速。,小 结,电压Us与频率1是异步电动机变频调速系统的两个独立的控制变量，时需要对这两个控制变量进行协调控制。 在基频以下，有三种协调控方式。,恒U1 / f1 控制最容易实现，能够满足一般的调速要求，但

10、低速带载能力有些差强人意，须对定子压降实行补偿。 恒Eg / f1 控制是对恒压频比控制实行电压补偿的标准，可以在稳态时达到rm = 恒值，从而改善了低速性能。但机械特性还是非线性的，产生转矩的能力仍受到限制。 恒 E2 / f1 控制可以得到和直流他励电机一样的线性机械特性，按照转子全磁通 rm 恒定进行控制， 利用矢量控制在动态中也尽可能保持rm恒定，但实现起来复杂。,在基频以上，采用保持电压不变的恒功率弱磁调速方法。,大家可以根据不同需要采用不同的电压频率协调控制方案，使电动机在特定的电压、频率关系下运行，以获得期望的转矩特性或运行经济性。,最后，应该指出以上所分析的机械特性都是在正弦波

11、电压供电下的情况。如果电压源含有谐波，将使机械特性受到扭曲，并增加电机中的损耗。因此在设计变频装置时，应尽量减少输出电压中的谐波。,6.1 概述 6.2 SPWM变频器 6.3 电压频率协调控制方式及其机械特性 6.4 转速开环恒压频比控制的变频调速系统 6.5 转速闭环转差频率控制的变频调速系统,第 6 章 交流异步电动机变压变频调速系统,在不要求动态特性或电机经常处于恒速运行的传动系统中，可以采用转速开环方案，其结构简单，成本较低，例如风机、水泵等的节能调速就经常采用这一方案。 此外，在由一台变频器向多台电机供电的传动系统中，不可能使用测速反馈，也只能采用转速开环方案。 但是如果稳态精度要

12、求较高，并有快速加、减速的要求时，须用转速闭环方案。,变频调速系统可分为转速开环和转速闭环。,6.4.1 方波电压型逆变器供电的转速开环系统6.4.2 通用变频器-异步电动机调速系统,6.4 转速开环恒压频比控制的变频调速系统,6.4.1 方波电压源逆变器供电的转速开环系统,UR是可控整流器，用电压控制环节控制它的输出电压； CSI是电压源逆变器，用频率控制环节控制它输出频率； 电压和频率控制采用同一个控制信号，以保证二者的协调。,电压控制,给定积分器GI 给定积分器作用是当转速给定信号发生阶跃变化时，防止逆变器的频率和电压也发生阶跃变化，否则，由于电动机的转速不能快速跟上频率和电压的变化，必

13、然使其运行于大转差下，引起很大的电流冲击。 经过GI后，阶跃的转速给定信号变为按规定斜率上升的斜坡信号，使逆变器的输出频率和电压都能平缓上升，从而可限制冲击电流。,6.4.1 方波电压源逆变器供电的转速开环系统,给定积分器GI,6.4.1 电压源逆变器供电的转速开环系统,6.4.1 电压源逆变器供电的转速开环系统,电压控制,只要改变三相逆变器输出的电压的相序，就可以改变电动机转速方向。 逆变器输出电压和频率的指令值均为正值，但是，经给定积分器GI后的转速给定信号却有正有负，因此需要经过绝对值变化器GAB变换成只输出其绝对值信号，来控制逆变器的输出频率。,绝对值变换器GAB,6.4.1 电压源逆

14、变器供电的转速开环系统,正极性输出,负极性输出,由绝对值变换器GAB输出的频率指令信号分为两路，一路通过频率控制环节控制逆变器的输出频率，另一路通过电压控制环节控制逆变器的输出电压。由于变频调速系统中，频率和电压间必须满足一定关系，为此，二者的指令信号和之间也必须满足对应的关系，由函数发生器GF实现。 输出信号为AVR的给定电压。 通过调节电位器RP1和RP2能够获得如图的函数特性,函数发生器GF,6.4.1 电压源逆变器供电的转速开环系统,一般采用电压、电流双闭环的结构。内环设电流调节器ACR用以限制动态电流，兼起保护作用，外环设电压调节器AVR，用以控制输出电压。 电压频率控制信号加到电压

15、调节器上以前，应先通过函数发生器GF，把电压给定信号提高一些，以补偿定子阻抗压降，改善调速时（特别是低速时）的机械特性。,电压控制环节,6.4.1 电压源逆变器供电的转速开环系统,频率控制环节主要由压频变换器GVF、环形分配器DRC和脉冲放大器AP三部分组成 压频变换器GVF是一个由电压控制的振荡器，它的作用是将电压信号转变成一系列脉冲信号，脉冲列的频率（6f1）与控制电压的大小成正比，从而得到恒压频比的控制作用。 环形分配器DRC是一个具有六分频的环形计数器，将GVF输出脉冲类分配成六个一组相互间隔60的的脉冲信号。 脉冲放大器AP实现脉冲功率的放大和脉冲宽度的保证。,频率控制环节,6.4.

16、1 电压源逆变器供电的转速开环系统,频率给定动态校正环节GFC：因为在交-直-交电压源变频调速系统中，由于中间直流回路存在大滤波电容，它使动态过程中电压的变化比较缓慢，但频率控制环节的响应却比较快，这势必造成动态过程中压频比的大幅度变化，从而引起磁通的波动。为此，在GVF前设置GFC，其作用是让频率的变化也慢一些（例如采用一阶惯性环节），使它与电压的变化在动态中基本保持一致。,频率控制环节,6.4.1 电压源逆变器供电的转速开环系统,6.4.2 通用变频器-异步电动机调速系统,概述 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 IGBT 或功率模块IPM 组成的PWM逆变器，构成交-

17、直-交电压源型变压变频器，已经占领了全世界0.5500KVA 中、小容量变频调速装置的绝大部分市场。 所谓“通用”，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； （2）具有多种可供选择的功能，适用于各种不同性质的负载。,系统组成,6.4.2 通用变频器-异步电动机调速系统,主电路由二极管整流器UR、PWM逆变器UI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C滤波，同时兼有无功功率交换的作用。 限流电阻为了避免大电容C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（或电抗），通上电源时，先限制充电电流，再延时用K将其短路，以免长期接入影

18、响变频器正常工作，产生附加损耗 泵升限制电路由于二极管整流器不能为电机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，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C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导通，将电机释放的动能消耗在制动电阻上。 为便于散热，制动电阻器常作为附件单独装在变频器机箱外,电路分析,6.4.2 通用变频器-异步电动机调速系统,三相二极管整流电路的输入电流波形,电路分析,6.4.2 通用变频器-异步电动机调速系统,进线电抗器 二极管整流器虽然是全波整流装置，但由于

19、其输出端有滤波电容存在，因此输入电流呈脉冲波形， 这样的电流波形具有较大的谐波分量，使电源受到污染。 为了抑制谐波电流，对于容量较大的PWM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。,控制电路现代PWM变频器的控制电路大都是以微处理器为核心的数字电路，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PWM信号.微机芯片主要采用8位或16位的单片机，或用32位的DSP。 PWM信号产生可以由微机本身的软件产生，由PWM端口输出，也可采用专用的PWM生成电路芯片。 检测与保护电路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、放大等综合处理，再进入A/D转换器，输入给CPU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。,电路分析,6.4.2 通用变频器-异步电动机调速系统,信号设定需要设定的控制信息主要有：U/f 特性、工作频率、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-异步电动机