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第8章 變頻器的控制方式,8.1 U／f控制 8.1.1 U／f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。 V／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V／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)，電動機的轉矩、效率、功率因數(shù)不下降。,,,,《變頻器原理與應用（第2版）》第8章,8.1.2 恒U／f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 (8-1) 式中 kf——頻率調(diào)節(jié)比(也叫調(diào)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 (8-2) 式中 ku——調(diào)壓比； UN ——電動機的額定電壓。,,,,《變頻器原理與應用（第2版）》第8章,2. 變頻后電動機的機械特性,機械特性曲線的特征如下： ① 從fN向下調(diào)頻時，n0x下移， TKx逐漸減小。 ② fx在fN附近下調(diào)時： kf = ku→1，TKx減小很少， 可近似認為TKx ≈ TKN ， fx調(diào)的很低時：kf = ku→0， TKx減小很快。 ③ fx不同時，臨界轉差ΔnKx 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8-1 變頻調(diào)速機械特性,,,,,《變頻器原理與應用（第2版）》第8章,8.1.3 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 適當提高調(diào)壓比ku，使ku＞kf， 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ΦM基本不變。最終使 電動機的臨界轉矩得到補償。 fx＞fN時，電動機近似具有恒功率 的調(diào)速特性 圖8-2 U/f采用電壓補償后機械特性,,,《變頻器原理與應用（第2版）》第8章,8.1.4 U／f控制的功能,1. 轉矩提升 轉矩提升是指通過提高U／f比來補償fx下調(diào)時引起的TKx下降。但并不是U／f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. U／f控制功能的選擇 為了方便用戶選擇U／f比，變 頻器通常都是以U／f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8-3 變頻器的U／f控制曲線,,,,《變頻器原理與應用（第2版）》第8章,3.選擇U／f控制曲線時常用的操作方法,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，選擇一個較小的U／f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U／f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U／f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U／f曲線過大，補償過分，需要適當調(diào)低U／f曲線。,,,,《變頻器原理與應用（第2版）》第8章,8.2 轉差頻率控制（SF控制）,8.2.1轉差頻率控制原理 轉差頻率與轉矩的關系為圖7-6所示的特性，在電動機允許的過載轉矩以下，大體可以認為產(chǎn)生的轉矩與轉差頻率成比例。另外，電流隨轉差頻率的增加而單調(diào)增加。所以，如果我們給出的轉差頻率不超過允許過載時的轉差頻率，那么就可以具有限制電流的功能。 圖8-6 轉差頻率與轉矩的關系 為了控制轉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U／f控制獲得了提高，過電流的限制效果也變好。,,,,,《變頻器原理與應用（第2版）》第8章,8.2.2 轉差頻率控制的系統(tǒng)構成,圖7-7為轉差頻率控制系統(tǒng)構成圖。速度調(diào)節(jié)器通常采用PI控制。它的輸入為速度設定信號ω2*和檢測的電機實際速度ω2之間的誤差信號。速度調(diào)節(jié)器的輸出為轉差頻率設定信號ωs*。變頻器的設定頻率即電動機的定子電源頻率ω1*為轉差頻率設定值ωs*與實際轉子轉速ω2的和。當電動機負載運行時，定子頻率設定將會自動補償由負載所產(chǎn)生的轉差，保持電動機的速度為設定速度。速度調(diào)節(jié)器的限幅值決定了系統(tǒng)的最大轉差頻率。 圖7-7 異步電動機的轉差頻率控制系統(tǒng)框圖,,,,,,《變頻器原理與應用（第2版）》第8章,8.3 矢量控制 (VC控制),8.3.1 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π/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，轉子電流I2是通過電磁感應產(chǎn)生的感應電流。因此異步電動機的定子電流應包括兩個分量，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子電流磁場。,,,,,,《變頻器原理與應用（第2版）》第8章,8.3.2 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) 旋轉的直流繞組 圖8-9 異步電動機的幾種等效模型,,,,,,,《變頻器原理與應用（第2版）》第8章,2. 3相／2相變換(3s／2s),三相靜止坐標系A、B、C和兩相靜止坐標系α和β之間的變換，稱為3s／2s變換。變換原則是保持變換前的功率不變。 設三相對稱繞組(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8-10a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)生定子旋轉磁動勢，用F2表示，如圖8-10b所示。適當選擇和改變兩套繞組的匝數(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8-10c所示.,,,,,,,,,《變頻器原理與應用（第2版）》第8章,,a) 三相繞組 b) 兩相繞組 c) 磁動勢 圖8-10 繞組磁動勢的等效關系,,,,,,,,,《變頻器原理與應用（第2版）》第8章,3. 2相/2相旋轉變換（2s/2r）,2相/2相旋轉變換又稱為矢量旋轉變換器，因為α 和β兩相繞組在靜止的直角坐標系上（2s），而M、T繞組則在旋轉的直角坐標系上（2r），變換的運算功能由矢量旋轉變換器來完成，圖8-11為旋轉變換矢量圖。 圖8-11 旋轉變換矢量圖,,,,,,,,,《變頻器原理與應用（第2版）》第8章,8.3.3. 直角坐標／極坐標變換,在矢量控制系統(tǒng)中，有時需將直角坐標變換為極坐標，用矢量幅值和相位夾角表示矢量。圖8-11中矢量i1和M軸的夾角為θ1，若由已知的im、iy來求i1和θ1，則必須進行K／P變換，其關系公式為 (8-13) （8-14),,,,,,,,,《變頻器原理與應用（第2版）》第8章,8.3.4 變頻器矢量控制的基本思想,1．矢量控制的基本理念 圖8-12 矢量控制的示意圖,,,,,,,,,,《變頻器原理與應用（第2版）》第8章,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。現(xiàn)代的變頻器又推廣使用了無速度傳感器矢量控制技術，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速的實在值，由這個計算出的轉速實在值和給定值之間的差異來調(diào)整iM*和iT*，改變變頻器的輸出頻率和電壓。,,,,,,,,,,《變頻器原理與應用（第2版）》第8章,8.3.5 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，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參數(shù)。,,,,,,,,,,《變頻器原理與應用（第2版）》第8章,8.3.6 矢量控制系統(tǒng)的優(yōu)點和應用范圍,1. 矢量控制系統(tǒng)的優(yōu)點 1）動態(tài)的高速響應 2）低頻轉矩增大 3）控制靈活 2. 矢量控制系統(tǒng)的應用范圍 1）要求高速響應的工作機械 2）適應惡劣的工作環(huán)境 3）高精度的電力拖動 4）四象限運轉,,,,,,,,,,《變頻器原理與應用（第2版）》第8章,8.4 直接轉矩控制,8.4.1 直接轉矩控制系統(tǒng) 直接轉矩控制系統(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)。直接轉矩控制把轉矩直接作為控制量來控制。 直接轉矩控制是直接在定子坐標系下分析交流電動機的模型，控制電動機的磁鏈和轉矩。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變換中的許多復雜計算，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)學模型。,,,,,,,,,,《變頻器原理與應用（第2版）》第8章,,圖8-13所示為按定子磁場控制的直接轉矩控制系統(tǒng)的原理框圖，采用在轉速環(huán)內(nèi)設置轉矩內(nèi)環(huán)的方法，以抑制磁鏈變化對轉子系統(tǒng)的影響，因此，轉速與磁鏈子系統(tǒng)也是近似獨立的。 圖8- 13 直接轉矩控制系統(tǒng)原理框圖,,,,,,,,,,《變頻器原理與應用（第2版）》第8章,8.4.2 直接轉矩控制的優(yōu)勢,轉矩控制是控制定子磁鏈，在本質上并不需要轉速信息；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矩控制。 然而，這種控制要依賴于精確的電動機數(shù)學模型和對電動機參數(shù)的自動識別(ID) 。,,,,,,,,,,《變頻器原理與應用（第2版）》第8章,8.5 單片機控制,8.5.1 概述 隨著微電子工藝水平的提高，微型計算機的性能價格比顯著提高，全數(shù)字化變頻調(diào)速系統(tǒng)大都是以高性能單片機和數(shù)字信號處理器(DSP)等為控制核心來構成整個系統(tǒng)。專用于電機控制的單片機的出現(xiàn)，使得系統(tǒng)的體積減小，可靠性大大提高。它們大部分是在16位單片機或DSP的基礎上增加部分特殊的控制功能構成專用的集成電路，如87C196MC。,,,,,,,,,,《變頻器原理與應用（第2版）》第8章,8.5.2 80C196MC微機控制系統(tǒng),圖8-15 80C196MC控制變頻調(diào)速系統(tǒng)原理框圖,,,,,,,,,,,《變頻器原理與應用（第2版）》第8章,8.5.3 80C196MC微機控制系統(tǒng)硬件配置,圖8-19 80C196MC微機控制系統(tǒng)的硬件配置原理圖,,,,,,,,,,,,《變頻器原理與應用（第2版）》第8章,8.5.4 微機控制系統(tǒng)軟件設計,圖8-20 系統(tǒng)程序流程圖,,,,,,,,,,,,,《變頻器原理與應用（第2版）》第8章,本章小結,變頻器的控制方式有：V／f 控制、轉差頻率控制、矢量控制和直接轉矩控制等。 V／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V／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 比使輸出轉矩得到補償?shù)?，這種方法被稱作轉矩補償。 轉差頻率控制就是檢測出電動機的轉速，構成速度閉環(huán)，速度調(diào)節(jié)器的輸出為轉差頻率，通過控制轉差頻率來控制轉矩和電流，使速度的靜態(tài)誤差變小。 矢量控制是通過控制變頻器輸出電流的大小、頻率及相位，用以維持電動機內(nèi)部的磁通為設定值，產(chǎn)生所需的轉矩。是一種高性能的異步電動機控制方式。 直接轉矩控制是直接分析交流電動機的模型，控制電動機的磁鏈和轉矩。,,,,,,,,,,,,,《變頻器原理與應用（第2版）》第8章,,謝謝！,《變頻器原理與應用（第2版）》第8章,