1、,第7章變頻器的控制方式,7.1Uf控制7.1.1Uf控制原理在進行電機調(diào)速時，通常是希望保持電機中每極磁通量為額定值，并保持不變。如果磁通太弱就等于沒有充分利用電機的鐵心，是一種浪費；如果過分增大磁通，又會使鐵心飽和，過大的勵磁電流使繞組過熱損壞電機。Uf控制是使變頻器的輸出在改變頻率的同時也改變電壓，通常是使Uf為常數(shù)，這樣可使電動機磁通保持一定，在較寬的調(diào)速范圍內(nèi)，電動機的轉(zhuǎn)矩、效率、功率因數(shù)不下降。,7.1.2恒Uf控制方式的機械特性,1.調(diào)頻比和調(diào)壓比調(diào)頻時，通常都是相對于其額定頻率fN來進行調(diào)節(jié)的，那么調(diào)頻頻率fx就可以用下式表示：fx=kffN(7-1)式中kf頻率調(diào)節(jié)比(也叫調(diào)

2、頻比)。根據(jù)變頻也要變壓的原則，在變壓時也存在著調(diào)壓比，電壓Ux可用下式表示：Ux=kuUN(7-2)式中ku調(diào)壓比；UN電動機的額定電壓。,2.變頻后電動機的機械特性,機械特性曲線的特征如下：從fN向下調(diào)頻時，n0 x下移，TKx逐漸減小。fx在fN附近下調(diào)時：kf=ku1，TKx減小很少，可近似認為TKxTKN，fx調(diào)的很低時：kf=ku0，TKx減小很快。fx不同時，臨界轉(zhuǎn)差nKx變化不是很大，所以穩(wěn)定工作區(qū)的機械特性基本是平行的，且機械特性較硬。圖7-1變頻調(diào)速機械特性,7.1.3對額定頻率fN以下變頻調(diào)速特性的修正,1.TKx減小的原因分析2解決的辦法適當(dāng)提高調(diào)壓比ku，使kukf，

3、即提高Ux的值，使得Ex的值增加。從而保證Ex/fx常數(shù)。這樣就能保證主磁通M基本不變。最終使電動機的臨界轉(zhuǎn)矩得到補償。fxfN時，電動機近似具有恒功率的調(diào)速特性圖7-2U/f采用電壓補償后機械特性,7.1.4Uf控制的功能,1.轉(zhuǎn)矩提升轉(zhuǎn)矩提升是指通過提高Uf比來補償fx下調(diào)時引起的TKx下降。但并不是Uf比取大些就好。補償過分，電動機鐵心飽和厲害，勵磁電流I0的峰值增大，嚴重時可能會引起變頻器因過電流而跳閘。2.Uf控制功能的選擇為了方便用戶選擇Uf比，變頻器通常都是以Uf控制曲線的方式提供給用戶，讓用戶選擇的，如圖8-3所示。圖7-3變頻器的Uf控制曲線,3.選擇Uf控制曲線時常用的操作

4、方法,1)將拖動系統(tǒng)連接好，帶以最重的負載。2)根據(jù)所帶的負載的性質(zhì)，選擇一個較小的Uf曲線，在低速時觀察電動機的運行情況，如果此時電動機的帶負載能力達不到要求，需將Uf曲線提高一檔。依此類推，直到電動機在低速時的帶負載能力達到拖動系統(tǒng)的要求。3)如果負載經(jīng)常變化，在2)中選擇的Uf曲線，還需要在輕載和空載狀態(tài)下進行檢驗。方法是：將拖動系統(tǒng)帶以最輕的負載或空載，在低速下運行，觀察定子電流I1的大小，如果I1過大，或者變頻器跳閘，說明原來選擇的Uf曲線過大，補償過分，需要適當(dāng)調(diào)低Uf曲線。,7.2轉(zhuǎn)差頻率控制（SF控制）,7.2.1轉(zhuǎn)差頻率控制原理轉(zhuǎn)差頻率與轉(zhuǎn)矩的關(guān)系為圖7-6所示的特性，在電動

5、機允許的過載轉(zhuǎn)矩以下，大體可以認為產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)差頻率成比例。另外，電流隨轉(zhuǎn)差頻率的增加而單調(diào)增加。所以，如果我們給出的轉(zhuǎn)差頻率不超過允許過載時的轉(zhuǎn)差頻率，那么就可以具有限制電流的功能。圖7-6轉(zhuǎn)差頻率與轉(zhuǎn)矩的關(guān)系為了控制轉(zhuǎn)差頻率雖然需要檢出電動機的速度。但系統(tǒng)的加減速特性和穩(wěn)定性比開環(huán)的Uf控制獲得了提高，過電流的限制效果也變好。,7.2.2轉(zhuǎn)差頻率控制的系統(tǒng)構(gòu)成,圖7-7為轉(zhuǎn)差頻率控制系統(tǒng)構(gòu)成圖。速度調(diào)節(jié)器通常采用PI控制。它的輸入為速度設(shè)定信號2*和檢測的電機實際速度2之間的誤差信號。速度調(diào)節(jié)器的輸出為轉(zhuǎn)差頻率設(shè)定信號s*。變頻器的設(shè)定頻率即電動機的定子電源頻率1*為轉(zhuǎn)差頻率設(shè)定值s*與

6、實際轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速2的和。當(dāng)電動機負載運行時，定子頻率設(shè)定將會自動補償由負載所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)差，保持電動機的速度為設(shè)定速度。速度調(diào)節(jié)器的限幅值決定了系統(tǒng)的最大轉(zhuǎn)差頻率。圖7-7異步電動機的轉(zhuǎn)差頻率控制系統(tǒng)框圖,7.3矢量控制(VC控制),7.3.1直流電動機與異步電動機調(diào)速上的差異1直流電動機的調(diào)速特征直流電動機具有兩套繞組，即勵磁繞組和電樞繞組，它們的磁場在空間上互差/2電角度，兩套繞組在電路上是互相獨立的。2異步電動機的調(diào)速特征異步電動機也有定子繞組和轉(zhuǎn)子繞組，但只有定子繞組和外部電源相接，定子電流I1是從電源吸取電流，轉(zhuǎn)子電流I2是通過電磁感應(yīng)產(chǎn)生的感應(yīng)電流。因此異步電動機的定子電流應(yīng)包括兩個分量，

7、即勵磁分量和負載分量。勵磁分量用于建立磁場；負載分量用于平衡轉(zhuǎn)子電流磁場。,7.3.2矢量控制中的等效變換,a)三相電流繞組b)兩相交流繞組c)旋轉(zhuǎn)的直流繞組圖7-9異步電動機的幾種等效模型,2.3相2相變換(3s2s),三相靜止坐標(biāo)系A(chǔ)、B、C和兩相靜止坐標(biāo)系和之間的變換，稱為3s2s變換。變換原則是保持變換前的功率不變。設(shè)三相對稱繞組(各相匝數(shù)相等、電阻相同、互差120空間角)通入三相對稱電流iA、iB、iC，形成定子磁動勢，用F3表示，如圖7-10a所示。兩相對稱繞組(匝數(shù)相等、電阻相同、互差90空間角)內(nèi)通入兩相電流后產(chǎn)生定子旋轉(zhuǎn)磁動勢，用F2表示，如圖7-10b所示。適當(dāng)選擇和改變兩

8、套繞組的匝數(shù)和電流，即可使F3和F2的幅值相等。若將兩種繞組產(chǎn)生的磁動勢置于同一圖中比較，并使Fa與FA重合，如圖7-10c所示.,a)三相繞組b)兩相繞組c)磁動勢圖7-10繞組磁動勢的等效關(guān)系,3.2相/2相旋轉(zhuǎn)變換（2s/2r）,2相/2相旋轉(zhuǎn)變換又稱為矢量旋轉(zhuǎn)變換器，因為和兩相繞組在靜止的直角坐標(biāo)系上（2s），而M、T繞組則在旋轉(zhuǎn)的直角坐標(biāo)系上（2r），變換的運算功能由矢量旋轉(zhuǎn)變換器來完成，圖7-11為旋轉(zhuǎn)變換矢量圖。圖7-11旋轉(zhuǎn)變換矢量圖,7.3.3.直角坐標(biāo)極坐標(biāo)變換,在矢量控制系統(tǒng)中，有時需將直角坐標(biāo)變換為極坐標(biāo)，用矢量幅值和相位夾角表示矢量。圖7-11中矢量i1和M軸的夾角為

9、1，若由已知的im、iy來求i1和1，則必須進行KP變換，其關(guān)系公式為(7-13)（7-14),7.3.4變頻器矢量控制的基本思想,1矢量控制的基本理念圖7-12矢量控制的示意圖,2矢量控制中的反饋,電流反饋用于反映負載的狀態(tài)，使iT*能隨負載而變化。速度反饋反映出拖動系統(tǒng)的實際轉(zhuǎn)速和給定值之間的差異，從而以最快的速度進行校正，提高了系統(tǒng)的動態(tài)性能。速度反饋的反饋信號可由脈沖編碼器PG測得?，F(xiàn)代的變頻器又推廣使用了無速度傳感器矢量控制技術(shù)，它的速度反饋信號不是來自速度傳感器，而是通過CPU對電動機的各種參數(shù)，如I1、r2等經(jīng)過計算得到的一個轉(zhuǎn)速的實在值，由這個計算出的轉(zhuǎn)速實在值和給定值之間的差

10、異來調(diào)整iM*和iT*，改變變頻器的輸出頻率和電壓。,7.3.5使用矢量控制的要求,選擇矢量控制模式，對變頻器和電動機有如下要求：1)一臺變頻器只能帶一臺電動機。2)電動機的極數(shù)要按說明書的要求，一般以4極電動機為最佳。3)電動機容量與變頻器的容量相當(dāng)，最多差一個等級。4)變頻器與電動機間的連接線不能過長，一般應(yīng)在30m以內(nèi)。如果超過30m，需要在連接好電纜后，進行離線自動調(diào)整，以重新測定電動機的相關(guān)參數(shù)。,7.3.6矢量控制系統(tǒng)的優(yōu)點和應(yīng)用范圍,1.矢量控制系統(tǒng)的優(yōu)點1）動態(tài)的高速響應(yīng)2）低頻轉(zhuǎn)矩增大3）控制靈活2.矢量控制系統(tǒng)的應(yīng)用范圍1）要求高速響應(yīng)的工作機械2）適應(yīng)惡劣的工作環(huán)境3）高

11、精度的電力拖動4）四象限運轉(zhuǎn),7.4直接轉(zhuǎn)矩控制,7.4.1直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)是繼矢量控制之后發(fā)展起來的另一種高性能的交流變頻調(diào)速系統(tǒng)。直接轉(zhuǎn)矩控制把轉(zhuǎn)矩直接作為控制量來控制。直接轉(zhuǎn)矩控制是直接在定子坐標(biāo)系下分析交流電動機的模型，控制電動機的磁鏈和轉(zhuǎn)矩。它不需要將交流電動機化成等效直流電動機，因而省去了矢量旋轉(zhuǎn)變換中的許多復(fù)雜計算，它不需要模仿直流電動機的控制，也不需要為解耦而簡化交流電動機的數(shù)學(xué)模型。,圖7-13所示為按定子磁場控制的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的原理框圖，采用在轉(zhuǎn)速環(huán)內(nèi)設(shè)置轉(zhuǎn)矩內(nèi)環(huán)的方法，以抑制磁鏈變化對轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的影響，因此，轉(zhuǎn)速與磁鏈子系統(tǒng)也是近似獨立的。圖7-13直接

12、轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)原理框圖,7.4.2直接轉(zhuǎn)矩控制的優(yōu)勢,轉(zhuǎn)矩控制是控制定子磁鏈，在本質(zhì)上并不需要轉(zhuǎn)速信息；控制上對除定子電阻外的所有電動機參數(shù)變化魯棒性好；所引入的定子磁鏈觀測器能很容易地估算出同步速度信息。因而能方便地實現(xiàn)無速度傳感器化。這種控制也稱為無速度傳感器直接轉(zhuǎn)矩控制。然而，這種控制要依賴于精確的電動機數(shù)學(xué)模型和對電動機參數(shù)的自動識別(ID)。,本章小結(jié),變頻器的控制方式有：U/f控制、轉(zhuǎn)差頻率控制、矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制等。U/f控制是使變頻器的輸出在改變頻率的同時也改變電壓，通常是使U/f為常數(shù)，這樣可使電動機磁通保持一定，在較寬的調(diào)速范圍內(nèi)，電動機的轉(zhuǎn)矩、效率、功率因數(shù)不下降。低頻時，可通過提高U/f比使輸出轉(zhuǎn)矩