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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(jìn)行電機(jī)調(diào)速時(shí)，通常是希望保持電機(jī)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(méi)有充分利用電機(jī)的鐵心，是一種浪費(fèi)；如果過(guò)分增大磁通，又會(huì)使鐵心飽和，過(guò)大的勵(lì)磁電流使繞組過(guò)熱損壞電機(jī)。 V／f控制是使變頻器的輸出在改變頻率的同時(shí)也改變電壓，通常是使V／f為常數(shù)，這樣可使電動(dòng)機(jī)磁通保持一定，在較寬的調(diào)速范圍內(nèi)，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩、效率、功率因數(shù)不下降。,,,,《變頻器原理與應(yīng)用（第2版）》第8章,8.1.2 恒U／f控制方式的機(jī)械特性,1. 調(diào)頻比和調(diào)壓比 調(diào)頻時(shí)，通常都是相對(duì)于其額定頻率fN來(lái)進(jìn)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(shí)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(dòng)機(jī)的額定電壓。,,,,《變頻器原理與應(yīng)用（第2版）》第8章,2. 變頻后電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性,機(jī)械特性曲線的特征如下： ① 從fN向下調(diào)頻時(shí)，n0x下移， TKx逐漸減小。 ② fx在fN附近下調(diào)時(shí)： kf = ku→1，TKx減小很少， 可近似認(rèn)為TKx ≈ TKN ， fx調(diào)的很低時(shí)：kf = ku→0， TKx減小很快。 ③ fx不同時(shí)，臨界轉(zhuǎn)差ΔnKx 變化不是很大，所以穩(wěn)定 工作區(qū)的機(jī)械特性基本是 平行的，且機(jī)械特性較硬。 圖8-1 變頻調(diào)速機(jī)械特性,,,,,《變頻器原理與應(yīng)用（第2版）》第8章,8.1.3 對(duì)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(dòng)機(jī)的臨界轉(zhuǎn)矩得到補(bǔ)償。 fx＞fN時(shí)，電動(dòng)機(jī)近似具有恒功率 的調(diào)速特性 圖8-2 U/f采用電壓補(bǔ)償后機(jī)械特性,,,《變頻器原理與應(yīng)用（第2版）》第8章,8.1.4 U／f控制的功能,1. 轉(zhuǎn)矩提升 轉(zhuǎn)矩提升是指通過(guò)提高U／f比來(lái)補(bǔ)償fx下調(diào)時(shí)引起的TKx下降。但并不是U／f比取大些就好。補(bǔ)償過(guò)分，電動(dòng)機(jī)鐵心飽和厲害，勵(lì)磁電流I0的峰值增大，嚴(yán)重時(shí)可能會(huì)引起變頻器因過(guò)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(yīng)用（第2版）》第8章,3.選擇U／f控制曲線時(shí)常用的操作方法,1) 將拖動(dòng)系統(tǒng)連接好，帶以最重的負(fù)載。 2) 根據(jù)所帶的負(fù)載的性質(zhì)，選擇一個(gè)較小的U／f曲線，在低速時(shí)觀察電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行情況，如果此時(shí)電動(dòng)機(jī)的帶負(fù)載能力達(dá)不到要求，需將U／f曲線提高一檔。依此類推，直到電動(dòng)機(jī)在低速時(shí)的帶負(fù)載能力達(dá)到拖動(dòng)系統(tǒng)的要求。 3) 如果負(fù)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(jìn)行檢驗(yàn)。方法是：將拖動(dòng)系統(tǒng)帶以最輕的負(fù)載或空載，在低速下運(yùn)行，觀察定子電流I1的大小，如果I1過(guò)大，或者變頻器跳閘，說(shuō)明原來(lái)選擇的U／f曲線過(guò)大，補(bǔ)償過(guò)分，需要適當(dāng)調(diào)低U／f曲線。,,,,《變頻器原理與應(yīng)用（第2版）》第8章,8.2 轉(zhuǎn)差頻率控制（SF控制）,8.2.1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(dòng)機(jī)允許的過(guò)載轉(zhuǎn)矩以下，大體可以認(rèn)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(guò)允許過(guò)載時(shí)的轉(zhuǎn)差頻率，那么就可以具有限制電流的功能。 圖8-6 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(dòng)機(jī)的速度。但系統(tǒng)的加減速特性和穩(wěn)定性比開(kāi)環(huán)的U／f控制獲得了提高，過(guò)電流的限制效果也變好。,,,,,《變頻器原理與應(yīng)用（第2版）》第8章,8.2.2 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(hào)ω2*和檢測(cè)的電機(jī)實(shí)際速度ω2之間的誤差信號(hào)。速度調(diào)節(jié)器的輸出為轉(zhuǎn)差頻率設(shè)定信號(hào)ωs*。變頻器的設(shè)定頻率即電動(dòng)機(jī)的定子電源頻率ω1*為轉(zhuǎn)差頻率設(shè)定值ωs*與實(shí)際轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速ω2的和。當(dāng)電動(dòng)機(jī)負(fù)載運(yùn)行時(shí)，定子頻率設(shè)定將會(huì)自動(dòng)補(bǔ)償由負(fù)載所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)差，保持電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差頻率控制系統(tǒng)框圖,,,,,,《變頻器原理與應(yīng)用（第2版）》第8章,8.3 矢量控制 (VC控制),8.3.1 直流電動(dòng)機(jī)與異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速上的差異 1．直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速特征 直流電動(dòng)機(jī)具有兩套繞組，即勵(lì)磁繞組和電樞繞組，它們的磁場(chǎng)在空間上互差π/2電角度，兩套繞組在電路上是互相獨(dú)立的。 2．異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速特征 異步電動(dòng)機(jī)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(guò)電磁感應(yīng)產(chǎn)生的感應(yīng)電流。因此異步電動(dòng)機(jī)的定子電流應(yīng)包括兩個(gè)分量，即勵(lì)磁分量和負(fù)載分量。勵(lì)磁分量用于建立磁場(chǎng)；負(fù)載分量用于平衡轉(zhuǎn)子電流磁場(chǎng)。,,,,,,《變頻器原理與應(yīng)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(zhuǎn)的直流繞組 圖8-9 異步電動(dòng)機(jī)的幾種等效模型,,,,,,,《變頻器原理與應(yīng)用（第2版）》第8章,2. 3相／2相變換(3s／2s),三相靜止坐標(biāo)系A(chǔ)、B、C和兩相靜止坐標(biāo)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(shè)三相對(duì)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(duì)稱電流iA、iB、iC，形成定子磁動(dòng)勢(shì)，用F3表示，如圖8-10a所示。兩相對(duì)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(dòng)勢(shì)，用F2表示，如圖8-10b所示。適當(dāng)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(dòng)勢(shì)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(yīng)用（第2版）》第8章,,a) 三相繞組 b) 兩相繞組 c) 磁動(dòng)勢(shì) 圖8-10 繞組磁動(dòng)勢(shì)的等效關(guān)系,,,,,,,,,《變頻器原理與應(yīng)用（第2版）》第8章,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?yàn)棣?和β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(yùn)算功能由矢量旋轉(zhuǎn)變換器來(lái)完成，圖8-11為旋轉(zhuǎn)變換矢量圖。 圖8-11 旋轉(zhuǎn)變換矢量圖,,,,,,,,,《變頻器原理與應(yīng)用（第2版）》第8章,8.3.3. 直角坐標(biāo)／極坐標(biāo)變換,在矢量控制系統(tǒng)中，有時(shí)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8-11中矢量i1和M軸的夾角為θ1，若由已知的im、iy來(lái)求i1和θ1，則必須進(jìn)行K／P變換，其關(guān)系公式為 (8-13) （8-14),,,,,,,,,《變頻器原理與應(yīng)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(yīng)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(fù)載的狀態(tài)，使iT*能隨負(fù)載而變化。速度反饋反映出拖動(dòng)系統(tǒng)的實(shí)際轉(zhuǎn)速和給定值之間的差異，從而以最快的速度進(jìn)行校正，提高了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。速度反饋的反饋信號(hào)可由脈沖編碼器PG測(cè)得?，F(xiàn)代的變頻器又推廣使用了無(wú)速度傳感器矢量控制技術(shù)，它的速度反饋信號(hào)不是來(lái)自速度傳感器，而是通過(guò)CPU對(duì)電動(dòng)機(jī)的各種參數(shù)，如I1、r2等經(jīng)過(guò)計(jì)算得到的一個(gè)轉(zhuǎn)速的實(shí)在值，由這個(gè)計(jì)算出的轉(zhuǎn)速實(shí)在值和給定值之間的差異來(lái)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(yīng)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(duì)變頻器和電動(dòng)機(jī)有如下要求： 1) 一臺(tái)變頻器只能帶一臺(tái)電動(dòng)機(jī)。 2) 電動(dòng)機(jī)的極數(shù)要按說(shuō)明書的要求，一般以4極電動(dòng)機(jī)為最佳。 3) 電動(dòng)機(jī)容量與變頻器的容量相當(dāng)，最多差一個(gè)等級(jí)。 4) 變頻器與電動(dòng)機(jī)間的連接線不能過(guò)長(zhǎng)，一般應(yīng)在30m以內(nèi)。如果超過(guò)30m，需要在連接好電纜后，進(jìn)行離線自動(dòng)調(diào)整，以重新測(cè)定電動(dòng)機(jī)的相關(guān)參數(shù)。,,,,,,,,,,《變頻器原理與應(yīng)用（第2版）》第8章,8.3.6 矢量控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)和應(yīng)用范圍,1. 矢量控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn) 1）動(dòng)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(jī)械 2）適應(yīng)惡劣的工作環(huán)境 3）高精度的電力拖動(dòng) 4）四象限運(yùn)轉(zhuǎn),,,,,,,,,,《變頻器原理與應(yīng)用（第2版）》第8章,8.4 直接轉(zhuǎn)矩控制,8.4.1 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(lái)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(lái)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(dòng)機(jī)的模型，控制電動(dòng)機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩。它不需要將交流電動(dòng)機(jī)化成等效直流電動(dòng)機(jī)，因而省去了矢量旋轉(zhuǎn)變換中的許多復(fù)雜計(jì)算，它不需要模仿直流電動(dòng)機(jī)的控制，也不需要為解耦而簡(jiǎn)化交流電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型。,,,,,,,,,,《變頻器原理與應(yīng)用（第2版）》第8章,,圖8-13所示為按定子磁場(chǎng)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(duì)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(dú)立的。 圖8- 13 直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)原理框圖,,,,,,,,,,《變頻器原理與應(yīng)用（第2版）》第8章,8.4.2 直接轉(zhuǎn)矩控制的優(yōu)勢(shì),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(duì)除定子電阻外的所有電動(dòng)機(jī)參數(shù)變化魯棒性好；所引入的定子磁鏈觀測(cè)器能很容易地估算出同步速度信息。因而能方便地實(shí)現(xiàn)無(wú)速度傳感器化。這種控制也稱為無(wú)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(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型和對(duì)電動(dòng)機(jī)參數(shù)的自動(dòng)識(shí)別(ID) 。,,,,,,,,,,《變頻器原理與應(yīng)用（第2版）》第8章,8.5 單片機(jī)控制,8.5.1 概述 隨著微電子工藝水平的提高，微型計(jì)算機(jī)的性能價(jià)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(jī)和數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)等為控制核心來(lái)構(gòu)成整個(gè)系統(tǒng)。專用于電機(jī)控制的單片機(jī)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(jī)或DSP的基礎(chǔ)上增加部分特殊的控制功能構(gòu)成專用的集成電路，如87C196MC。,,,,,,,,,,《變頻器原理與應(yīng)用（第2版）》第8章,8.5.2 80C196MC微機(jī)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(yīng)用（第2版）》第8章,8.5.3 80C196MC微機(jī)控制系統(tǒng)硬件配置,圖8-19 80C196MC微機(jī)控制系統(tǒng)的硬件配置原理圖,,,,,,,,,,,,《變頻器原理與應(yīng)用（第2版）》第8章,8.5.4 微機(jī)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì),圖8-20 系統(tǒng)程序流程圖,,,,,,,,,,,,,《變頻器原理與應(yīng)用（第2版）》第8章,本章小結(jié),變頻器的控制方式有：V／f 控制、轉(zhuǎn)差頻率控制、矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制等。 V／f 控制是使變頻器的輸出在改變頻率的同時(shí)也改變電壓，通常是使V／f 為常數(shù)，這樣可使電動(dòng)機(jī)磁通保持一定，在較寬的調(diào)速范圍內(nèi)，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩、效率、功率因數(shù)不下降。 低頻時(shí)，可通過(guò)提高U/f 比使輸出轉(zhuǎn)矩得到補(bǔ)償?shù)?，這種方法被稱作轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償。 轉(zhuǎn)差頻率控制就是檢測(cè)出電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，構(gòu)成速度閉環(huán)，速度調(diào)節(jié)器的輸出為轉(zhuǎn)差頻率，通過(guò)控制轉(zhuǎn)差頻率來(lái)控制轉(zhuǎn)矩和電流，使速度的靜態(tài)誤差變小。 矢量控制是通過(guò)控制變頻器輸出電流的大小、頻率及相位，用以維持電動(dòng)機(jī)內(nèi)部的磁通為設(shè)定值，產(chǎn)生所需的轉(zhuǎn)矩。是一種高性能的異步電動(dòng)機(jī)控制方式。 直接轉(zhuǎn)矩控制是直接分析交流電動(dòng)機(jī)的模型，控制電動(dòng)機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩。,,,,,,,,,,,,,《變頻器原理與應(yīng)用（第2版）》第8章,,謝謝！,《變頻器原理與應(yīng)用（第2版）》第8章,