變頻器的控制方式.ppt

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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，這樣可使電動機磁通保持一定，在較寬的調速范圍內，電動機的轉矩、效率、功率因數不下降。,,,,《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. 調頻比和調壓比 調頻時，通常都是相對于其額定頻率fN來進行調節(jié)的，那么調頻頻率fx就可以用下式表示： fx=kffN (8-1) 式中 kf——頻率調節(jié)比(也叫調頻比)。 根據變頻也要變壓的原則，在變壓時也存在著調壓比，電壓Ux可用下式表示： Ux=kuUN (8-2) 式中 ku——調壓比； 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向下調頻時，n0x下移， TKx逐漸減小。 ② fx在fN附近下調時： kf = ku→1，TKx減小很少， 可近似認為TKx ≈ TKN ， fx調的很低時：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 。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生的轉差，保持電動機的速度為設定速度。速度調節(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速上的差異 1．直流電動機的調速特征 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(匝數相等、電阻相同、互差90空間角)內通入兩相電流后產生定子旋轉磁動勢，用F2表示，如圖8-10b所示。適當選擇和改變兩套繞組的匝數和電流，即可使F3和F2的幅值相等。若將兩種繞組產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，如I1、r2等經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。如果超過30m，需要在連接好電纜后，進行離線自動調整，以重新測定電動機的相關參數。,,,,,,,,,,《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)內設置轉矩內環(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學模型和對電動機參數的自動識別(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，全數字化變頻調速系統(tǒng)大都是以高性能單片機和數字信號處理器(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，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，這樣可使電動機磁通保持一定，在較寬的調速范圍內，電動機的轉矩、效率、功率因數不下降。 低頻時，可通過提高U/f 比使輸出轉矩得到補償的，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，用以維持電動機內部的磁通為設定值，產生所需的轉矩。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,