1、第十講轉速開環第十講轉速開環Uf控制變頻調速系統控制變頻調速系統 第二章第二章 電力電子變頻器及電力電子變頻器及 PWM控制原理控制原理 第十講轉速開環第十講轉速開環Uf控制變頻調速系統控制變頻調速系統 2. 7 轉速開環的轉速開環的U/f控制變頻調速系統控制變頻調速系統 v 直流電機的主磁通和電樞電流分布的空間位置是確定的，直流電機的主磁通和電樞電流分布的空間位置是確定的， 而且可以獨立進行控制。而且可以獨立進行控制。 v 交流異步電機的磁通則由定子與轉子電流合成產生，它的交流異步電機的磁通則由定子與轉子電流合成產生，它的 空間位置相對于定子和轉子都是運動的，除此以外，在籠空間位置相對于定子

2、和轉子都是運動的，除此以外，在籠 型轉子異步電機中，轉子電流還是不可測和不可控的。型轉子異步電機中，轉子電流還是不可測和不可控的。 因此，異步電機的動態數學模型要比直流電機模型復因此，異步電機的動態數學模型要比直流電機模型復 雜得多。雜得多。 第十講轉速開環第十講轉速開環Uf控制變頻調速系統控制變頻調速系統 好在不少機械負載，例如風機和水泵，并不需要很高好在不少機械負載，例如風機和水泵，并不需要很高 的動態性能，只要在一定范圍內能實現高效率的調速就行，的動態性能，只要在一定范圍內能實現高效率的調速就行， 因此可以只用電機的穩態模型來設計其控制系統。因此可以只用電機的穩態模型來設計其控制系統。

3、為了實現電壓為了實現電壓-頻率協調控制，可以采用轉速開環恒壓頻率協調控制，可以采用轉速開環恒壓 頻比帶低頻電壓補償的控制方案，這就是常用的通用變頻頻比帶低頻電壓補償的控制方案，這就是常用的通用變頻 器控制系統。器控制系統。 第十講轉速開環第十講轉速開環Uf控制變頻調速系統控制變頻調速系統 2. 7 轉速開環的轉速開環的U/f控制變頻調速系統控制變頻調速系統 v 概述概述 現代通用變頻器大都是采用二極管整流和由快速現代通用變頻器大都是采用二極管整流和由快速 全控開關器件全控開關器件 IGBT 或功率模塊或功率模塊IPM 組成的組成的PWM逆逆 變器，構成交變器，構成交-直直-交電壓源型變壓變頻器

4、，已經占領交電壓源型變壓變頻器，已經占領 了全世界了全世界0.5600kW 中、小容量變頻調速裝置的絕大中、小容量變頻調速裝置的絕大 部分市場。部分市場。 第十講轉速開環第十講轉速開環Uf控制變頻調速系統控制變頻調速系統 所謂所謂“通用通用”，包含著兩方面的含義：，包含著兩方面的含義： （1）可以和通用的籠型異步電機配套使用；）可以和通用的籠型異步電機配套使用； （2）具有多種可供選擇的功能，適用于各種不同性質的）具有多種可供選擇的功能，適用于各種不同性質的 負載。負載。 v 系統介紹系統介紹 下圖繪出了一種典型的數字控制通用變頻器數字控制通用變頻器-異步電異步電 動機調速系統動機調速系統原理

5、圖。 第十講轉速開環第十講轉速開環Uf控制變頻調速系統控制變頻調速系統 1. 系統組成系統組成 M 3 電壓 檢測 泵升 限制 電流 檢測 溫度 檢測 電流 檢測 中 央 處 理 器 顯示 設定 接口 PWM 發生器 驅動 電路 URUIR0 R1 R2 Rb VTb K R0 R1Rb R2 第十講轉速開環第十講轉速開環Uf控制變頻調速系統控制變頻調速系統 u限流電阻限流電阻 為了避免大電容為了避免大電容C在通電瞬間產生過大的充電電在通電瞬間產生過大的充電電 流，在整流器和濾波電容間的直流回路上串入限流電阻流，在整流器和濾波電容間的直流回路上串入限流電阻 （或電抗），通上電源時，先限制充電電

6、流，再延時用開（或電抗），通上電源時，先限制充電電流，再延時用開 關關K將其短路，以免長期接入時影響變頻器的正常工作，將其短路，以免長期接入時影響變頻器的正常工作， 并產生附加損耗。并產生附加損耗。 u主電路主電路由二極管整流器由二極管整流器UR、PWM逆變器逆變器UI和中間直和中間直 流電路三部分組成，一般都是電壓源型的，采用大電容流電路三部分組成，一般都是電壓源型的，采用大電容C 濾波，同時兼有無功功率交換的作用。濾波，同時兼有無功功率交換的作用。 第十講轉速開環第十講轉速開環Uf控制變頻調速系統控制變頻調速系統 u泵升限制電路泵升限制電路由于二極管整流器不能為異步電機由于二極管整流器不能

7、為異步電機 的再生制動提供反向電流的通路，所以除特殊情況外，的再生制動提供反向電流的通路，所以除特殊情況外， 通用變頻器一般都用電阻吸收制動能量。減速制動時，通用變頻器一般都用電阻吸收制動能量。減速制動時， 異步電機進入發電狀態，首先通過逆變器的續流二極管異步電機進入發電狀態，首先通過逆變器的續流二極管 向電容向電容C充電，當中間直流回路的電壓（通稱泵升電壓）充電，當中間直流回路的電壓（通稱泵升電壓） 升高到一定的限制值時，通過泵升限制電路使開關器件升高到一定的限制值時，通過泵升限制電路使開關器件 導通，將電機釋放的動能消耗在制動電阻上。導通，將電機釋放的動能消耗在制動電阻上。 第十講轉速開環

8、第十講轉速開環Uf控制變頻調速系統控制變頻調速系統 u進線電抗器進線電抗器 二極管整流器雖然是全波整流裝置，但由二極管整流器雖然是全波整流裝置，但由 于其輸出端有濾波電容存在，因此輸入電流呈脈沖波形。于其輸出端有濾波電容存在，因此輸入電流呈脈沖波形。 第十講轉速開環第十講轉速開環Uf控制變頻調速系統控制變頻調速系統 這樣的電流波形具有較大的諧波分量，使電源受到污這樣的電流波形具有較大的諧波分量，使電源受到污 染。染。 為了抑制諧波電流，對于容量較大的為了抑制諧波電流，對于容量較大的PWM變頻器，變頻器， 都應在輸入端設有進線電抗器，有時也可以在整流器和電都應在輸入端設有進線電抗器，有時也可以在

9、整流器和電 容器之間串接直流電抗器。還可用來抑制電源電壓不平衡容器之間串接直流電抗器。還可用來抑制電源電壓不平衡 對變頻器的影響。對變頻器的影響。 第十講轉速開環第十講轉速開環Uf控制變頻調速系統控制變頻調速系統 uPWM信號產生信號產生現代現代PWM變頻器的控制電路大都是以微變頻器的控制電路大都是以微 處理器為核心的數字電路產生，其功能主要是接受各種設定處理器為核心的數字電路產生，其功能主要是接受各種設定 信息和指令，再根據它們的要求形成驅動逆變器工作的信息和指令，再根據它們的要求形成驅動逆變器工作的 PWM信號。微機芯片主要采用信號。微機芯片主要采用8位或位或16位的單片機，或用位的單片機

10、，或用32 位的位的DSP；也可采用專用的；也可采用專用的PWM生成電路芯片。生成電路芯片。 u檢測與保護電路檢測與保護電路各種故障的保護由電壓、電流、溫度等各種故障的保護由電壓、電流、溫度等 檢測信號經信號處理電路進行分壓、光電隔離、濾波、放大檢測信號經信號處理電路進行分壓、光電隔離、濾波、放大 等綜合處理，再進入等綜合處理，再進入A/D轉換器，輸入給轉換器，輸入給CPU作為控制算法作為控制算法 的依據，或者作為開關電平產生保護信號和顯示信號。的依據，或者作為開關電平產生保護信號和顯示信號。 控制電路控制電路 第十講轉速開環第十講轉速開環Uf控制變頻調速系統控制變頻調速系統 控制電路（續）控

11、制電路（續） u信號設定信號設定需要設定的控制信息主要有：需要設定的控制信息主要有：U/f 特性、工特性、工 作頻率、頻率升高時間、頻率下降時間等，還可以有一作頻率、頻率升高時間、頻率下降時間等，還可以有一 系列特殊功能的設定。由于通用變頻器系列特殊功能的設定。由于通用變頻器-異步電動機系統異步電動機系統 是轉速或頻率開環、恒壓頻比控制系統，低頻時，或負是轉速或頻率開環、恒壓頻比控制系統，低頻時，或負 載的性質和大小不同時，都得靠改變載的性質和大小不同時，都得靠改變 U/f 函數發生器的特函數發生器的特 性來補償，使系統達到恒定，甚至恒定的功能，在通用性來補償，使系統達到恒定，甚至恒定的功能，

12、在通用 產品中稱作產品中稱作“電壓補償電壓補償”或或“轉矩補償轉矩補償”。 第十講轉速開環第十講轉速開環Uf控制變頻調速系統控制變頻調速系統 補償方法補償方法 實現補償的方法有兩種：實現補償的方法有兩種： 一種是在微機中存儲多條不同斜率和折線段的一種是在微機中存儲多條不同斜率和折線段的U / f 函函 數，由用戶根據需要選擇最佳特性；數，由用戶根據需要選擇最佳特性； 另一種辦法是采用霍耳電流傳感器檢測定子電流或直另一種辦法是采用霍耳電流傳感器檢測定子電流或直 流回路電流，按電流大小自動補償定子電壓。但無論流回路電流，按電流大小自動補償定子電壓。但無論 如何都存在過補償或欠補償的可能，這是開環控

13、制系如何都存在過補償或欠補償的可能，這是開環控制系 統的不足之處。統的不足之處。 第十講轉速開環第十講轉速開環Uf控制變頻調速系統控制變頻調速系統 u給定積分給定積分由于系統本身沒有自動限制起制動電流的由于系統本身沒有自動限制起制動電流的 作用，因此，頻定設定信號必須通過給定積分算法產生作用，因此，頻定設定信號必須通過給定積分算法產生 平緩升速或降速信號，升速和降速的積分時間可以根據平緩升速或降速信號，升速和降速的積分時間可以根據 負載需要由操作人員分別選擇。負載需要由操作人員分別選擇。 綜上所述，綜上所述，PWM變壓變頻器的基本控制作用如圖所變壓變頻器的基本控制作用如圖所 示。近年來，許多企

14、業不斷推出具有更多自動控制功能示。近年來，許多企業不斷推出具有更多自動控制功能 的變頻器，使產品性能更加完善，質量不斷提高。的變頻器，使產品性能更加完善，質量不斷提高。 第十講轉速開環第十講轉速開環Uf控制變頻調速系統控制變頻調速系統 2. 7 轉速開環的轉速開環的U/f控制變頻調速系統控制變頻調速系統 tf f *u f u 斜坡函數U / f 曲線脈沖發生器 驅動 電路 工作頻 率設定 升降速 時間設定 電壓補償設定PWM產生 第十講轉速開環第十講轉速開環Uf控制變頻調速系統控制變頻調速系統 E2PROM 電源監電源監 控控 鍵盤鍵盤 顯示顯示 信號信號 輸出輸出 時鐘電路時鐘電路 檢測檢

15、測 信號信號 信號調信號調 理理 充電繼電器充電繼電器 模擬模擬 信號信號 外部外部 中斷中斷 信號信號 驅動電驅動電 路路 PWM MCS 87C196MC 圖圖2-50 以以MCS87C196MC單片機為核心的開環通用變頻器控制電單片機為核心的開環通用變頻器控制電 路框圖路框圖 第十講轉速開環第十講轉速開環Uf控制變頻調速系統控制變頻調速系統 圖圖2-53 51 A/D轉換器的接口電路轉換器的接口電路 檢測信號檢測信號RR UCC C 0.01 270270 VD 1N4148 VD 1N4148 ACHX MCS-196 Uref R1 R2 R3 Udc LF353 + - R4 1

16、2 3 45 6 7 8 UCC R5 EXTINT OV GND NC A CA NC UCC NC Uo GND 6N137 GND 圖圖2-54 52 過電壓檢測信號的輸入接口電路過電壓檢測信號的輸入接口電路 2個二極管：過載保護作用；個二極管：過載保護作用； RC濾波器可以對尖峰類噪聲進行有效的抑制。濾波器可以對尖峰類噪聲進行有效的抑制。 在模擬輸入端加上阻容電路，在模擬輸入端加上阻容電路， （1 1）低通濾波的作用）低通濾波的作用 （2 2）在過電壓的條件下，串聯電阻可以起到限流作用；）在過電壓的條件下，串聯電阻可以起到限流作用； （3 3）模擬信號源內阻過大會降低）模擬信號源內阻過

17、大會降低A/DA/D轉換的精度，而并聯的電容則轉換的精度，而并聯的電容則 起到誤差補償的作用起到誤差補償的作用 第十講轉速開環第十講轉速開環Uf控制變頻調速系統控制變頻調速系統 2.7 轉速開環的轉速開環的U/f控制變頻調速系統控制變頻調速系統 v 開環開環U/f控制變頻器發展的特點是通用化、系列化和控制變頻器發展的特點是通用化、系列化和 規模化生產。新一代的規模化生產。新一代的U/f控制變頻器已經實現了轉控制變頻器已經實現了轉 矩控制功能，具有無跳閘能力。由這種變頻器驅動矩控制功能，具有無跳閘能力。由這種變頻器驅動 的通用異步電動機已經具備了挖土機特性，像直流的通用異步電動機已經具備了挖土機

18、特性，像直流 電動機一樣，可以人為地設定其極限輸出轉矩。電動機一樣，可以人為地設定其極限輸出轉矩。 v 近年來，許多企業不斷推出具有更多自動控制功能近年來，許多企業不斷推出具有更多自動控制功能 的變頻器，使產品性能更加完善，質量不斷提高。的變頻器，使產品性能更加完善，質量不斷提高。 第十講轉速開環第十講轉速開環Uf控制變頻調速系統控制變頻調速系統 2.8 轉速閉環轉差頻率控制的變頻調速系統轉速閉環轉差頻率控制的變頻調速系統 0. 問題的提出問題的提出 前節所述的轉速開環變頻調速系統可以滿足平滑調前節所述的轉速開環變頻調速系統可以滿足平滑調 速的要求，但靜、動態性能都有限，要提高靜、動態性速的要

19、求，但靜、動態性能都有限，要提高靜、動態性 能，首先要用轉速反饋閉環控制。轉速閉環系統的靜特能，首先要用轉速反饋閉環控制。轉速閉環系統的靜特 性比開環系統強，這是很明顯的，但是，是否能夠提高性比開環系統強，這是很明顯的，但是，是否能夠提高 系統的動態性能呢？還得進一步探討一下。系統的動態性能呢？還得進一步探討一下。 第十講轉速開環第十講轉速開環Uf控制變頻調速系統控制變頻調速系統 電力傳動的基本控制規律電力傳動的基本控制規律 任何電力拖動自動控制系統都服從于基本運動方程任何電力拖動自動控制系統都服從于基本運動方程 式式 提高調速系統動態性能主要依靠控制轉速的變化率提高調速系統動態性能主要依靠控

20、制轉速的變化率 d / dt ，根據基本運動方程式，控制電磁轉矩就能控制，根據基本運動方程式，控制電磁轉矩就能控制 d / dt ，因此，歸根結底，調速系統的動態性能就是控，因此，歸根結底，調速系統的動態性能就是控 制轉矩的能力。制轉矩的能力。 tn J TT d d p Le 第十講轉速開環第十講轉速開環Uf控制變頻調速系統控制變頻調速系統 1. 轉差頻率控制的基本概念轉差頻率控制的基本概念 直流電機的轉矩與電樞電流成正比，控制電流就能直流電機的轉矩與電樞電流成正比，控制電流就能 控制轉矩，因此，直流雙閉環調速系統轉速調節器的輸控制轉矩，因此，直流雙閉環調速系統轉速調節器的輸 出信號當作電流

21、給定信號，也就是轉矩給定信號。出信號當作電流給定信號，也就是轉矩給定信號。 在交流異步電機中，影響轉矩的因素較多，控制異在交流異步電機中，影響轉矩的因素較多，控制異 步電機轉矩的問題也比較復雜。步電機轉矩的問題也比較復雜。 第十講轉速開環第十講轉速開環Uf控制變頻調速系統控制變頻調速系統 將將 1.3中介紹的恒中介紹的恒 Es / 1 控制（即恒控制（即恒 m 控制）時的電磁控制）時的電磁 轉矩公式為轉矩公式為 2 lr 2 1 22 r r1 2 1 s pe 3 LsR RsE nT mNss1mNss 1 mNss1 2 1 2 44. 444. 4kNkNkNfEs 代入上式，得代入上

22、式，得 2 lr 2 1 22 r r1 2 m m e LsR Rs KT 2 Ns 2 spm 2 3 kNnK ，是電機的結構常數。，是電機的結構常數。 1. 轉差頻率控制的基本概念轉差頻率控制的基本概念 第十講轉速開環第十講轉速開環Uf控制變頻調速系統控制變頻調速系統 當電機穩態運行時，當電機穩態運行時，s 值很小，因而值很小，因而 s也很小，有也很小，有 1的的 百分之幾，可以認為百分之幾，可以認為 s Llr Rr ，則轉矩可近似表示為，則轉矩可近似表示為 2 lrs 2 r rs 2 mme )(LR R KT 令令 s = s 1 ，并定義為轉差角頻率。則，并定義為轉差角頻率。

23、則 （2-41） 第十講轉速開環第十講轉速開環Uf控制變頻調速系統控制變頻調速系統 r s 2 mme R KT （2-42） 式（式（2-42）表明，在）表明，在s 值很小的穩態運行范圍內，如果值很小的穩態運行范圍內，如果 能夠保持氣隙磁通能夠保持氣隙磁通 m不變，異步電機的轉矩就近似與轉差不變，異步電機的轉矩就近似與轉差 角頻率角頻率 s 成正比。這就是說，在異步電機中控制成正比。這就是說，在異步電機中控制 s ，就和，就和 直流電機中控制電流一樣，能夠達到間接控制轉矩的目的。直流電機中控制電流一樣，能夠達到間接控制轉矩的目的。 第十講轉速開環第十講轉速開環Uf控制變頻調速系統控制變頻調速

24、系統 v控制轉差頻率就代表控制轉矩，這就是轉差頻控制轉差頻率就代表控制轉矩，這就是轉差頻 率控制的基本概念。率控制的基本概念。 第十講轉速開環第十講轉速開環Uf控制變頻調速系統控制變頻調速系統 可以看出：可以看出： v 在在 s 較小的穩態運行段較小的穩態運行段 上，轉矩上，轉矩 Te基本上與基本上與 s 成正比；成正比； v 當當Te 達到其最大值達到其最大值Temax 時，時， s 達到達到 smax值。值。 smaxsm Temax Tem s Te O 圖圖2-54按恒按恒m值控制的值控制的 Te=f ( s ) 特性特性 當當 s 較大時，就得采用式（較大時，就得采用式（2-41）的

25、精確轉矩公式，把）的精確轉矩公式，把 這個轉矩特性（即機械特性）這個轉矩特性（即機械特性） 畫在下圖。畫在下圖。 第十講轉速開環第十講轉速開環Uf控制變頻調速系統控制變頻調速系統 v 對于式（對于式（2-41），取），取 dTe / d s = 0 可得可得 lr r lr r maxs L R L R lr 2 mm maxe 2L K T （2-44） （2-43） 在轉差頻率控制系統中，只要給在轉差頻率控制系統中，只要給 s 限幅，使其限幅值為限幅，使其限幅值為 lr r maxssm L R 就可以基本保持就可以基本保持 Te與與 s 的正比關系，也就可以用轉的正比關系，也就可以用轉

26、差頻率控制來代表轉矩控制差頻率控制來代表轉矩控制。這是轉差頻率控制的基本這是轉差頻率控制的基本 規律之一。規律之一。 第十講轉速開環第十講轉速開環Uf控制變頻調速系統控制變頻調速系統 上述規律是在保持上述規律是在保持 m恒定的前提下才成立的，于是問恒定的前提下才成立的，于是問 題又轉化為，如何能保持題又轉化為，如何能保持 m 恒定？我們知道，按恒恒定？我們知道，按恒 Es/ 1 控制時可保持控制時可保持 m恒定。在上圖的等效電路中可得：恒定。在上圖的等效電路中可得： sls1sss )j(ELRIU （6-65） 由此可見，要實現恒由此可見，要實現恒 Es/ 1控制，須在控制，須在Us/ 1

27、= 恒值恒值的的 基礎上再提高電壓基礎上再提高電壓 Us 以補償定子電流壓降。以補償定子電流壓降。 第十講轉速開環第十講轉速開環Uf控制變頻調速系統控制變頻調速系統 如果忽略電流相量相位變化的影響，不同定子電流時恒如果忽略電流相量相位變化的影響，不同定子電流時恒 Es/ 1 控制所需的電壓控制所需的電壓-頻率特性頻率特性 Us = f ( 1, Is) 如下圖所示。如下圖所示。 圖圖2-53 不同定子電流時恒不同定子電流時恒Es/ 控制所需的電壓控制所需的電壓-頻率特性頻率特性 1 O s U Us / 1=Const. Es/1=Const. 定子電流增大的趨勢定子電流增大的趨勢 第十講轉速

28、開環第十講轉速開環Uf控制變頻調速系統控制變頻調速系統 上述關系表明，只要上述關系表明，只要 Us 和和 1及及 Is 的關系符合上圖所示的關系符合上圖所示 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。這是轉恒定。這是轉 差頻率控制的基本規律之二。差頻率控制的基本規律之二。 總結起來，轉差頻率控制的規律是：總結起來，轉差頻率控制的規律是： （1）在）在 s sm 的范圍內，轉矩的范圍內，轉矩 Te 基本上與基本上與 s 成正比，成正比， 條件是氣隙磁通不變。條件是氣隙磁通不變。 （2）在不同的定子電流值時，按上圖的函數關系）在不同的定子電流值時，按上圖的函數關系 Us = f ( 1 , Is) 控制定子電壓和頻率，就能保持氣隙磁通控制定子電壓和頻率，就能保持氣隙磁通 m恒定。恒定。 第十講轉速開環第十講轉速開環Uf控制變頻調速系統控制變頻調速系統 系統組成系統組成 轉差頻率控制的轉速閉環變頻調速系統結構原理圖轉差頻率控制的轉速閉環變頻調速系