第二節(jié)異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速控制系統(tǒng)PPT課件

1、第二節(jié)異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速控制系統(tǒng)變頻調(diào)速控制系統(tǒng)原理圖常規(guī)交直交變頻器象限脈沖整流器電力機(jī)車整流部分為四圖交直交變頻器原理PWM 引 言 直流電機(jī)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(dú)立進(jìn)行控制，交流異步電機(jī)的磁通則由定子與轉(zhuǎn)子電流合成產(chǎn)生，它的空間位置相對(duì)于定子和轉(zhuǎn)子都是運(yùn)動(dòng)的，除此以外，在籠型轉(zhuǎn)子異步電機(jī)中，轉(zhuǎn)子電流還是不可測(cè)和不可控的。因此，異步電機(jī)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型要比直流電機(jī)模型復(fù)雜得多，在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間里，人們對(duì)它的精確表述不得要領(lǐng)。n好在不少機(jī)械負(fù)載，例如風(fēng)機(jī)和水泵，并不需要很高的動(dòng)態(tài)性能，只要在一定范圍內(nèi)能實(shí)現(xiàn)高效率的調(diào)速就行，因此可以只用電機(jī)的穩(wěn)態(tài)模型來設(shè)計(jì)其控制系統(tǒng)

2、。n 為了實(shí)現(xiàn)電壓-頻率協(xié)調(diào)控制，可以采用轉(zhuǎn)速開環(huán)恒壓頻比帶低頻電壓補(bǔ)償?shù)目刂品桨福@就是常用的通用變頻器控制系統(tǒng)。轉(zhuǎn)速開環(huán)型控制系統(tǒng)n電壓/頻率比控制是控制定子電壓和定子頻率，使定子電壓以一定的函數(shù)關(guān)系跟蹤定子頻率的變化，從而在調(diào)頻調(diào)速過程中近似地保持電機(jī)氣隙磁通不變的一種控制方法。n中間直流電壓可調(diào)的電壓型逆變器異步電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)控制電路由基準(zhǔn)部分、整流器控制部分和逆變器控制部分組成。1、基準(zhǔn)部分2、整流器控制部分3、逆變器控制部分q電壓/頻率比控制，無法控制異步電機(jī)的轉(zhuǎn)差頻率，對(duì)于多臺(tái)電動(dòng)機(jī)由同一臺(tái)逆變器供電的情況，各臺(tái)異步電機(jī)的轉(zhuǎn)差頻率一般是不同的，即使同一臺(tái)異步電機(jī)，轉(zhuǎn)差頻率的大小

3、也是隨負(fù)載的大小而變化的。是一種頻率（轉(zhuǎn)速）的開環(huán)控制，并不能對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行精確的控制。轉(zhuǎn)速開環(huán)型控制系統(tǒng)q如果變頻調(diào)速系統(tǒng)長(zhǎng)期處于穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)而不需要頻繁起動(dòng)和制動(dòng)；或者負(fù)載特性比較固定，基本上不需要因電機(jī)特性差異而進(jìn)行調(diào)整的一類負(fù)載（風(fēng)機(jī)、水泵等節(jié)能調(diào)速），可以采用電壓閉環(huán)、轉(zhuǎn)速開環(huán)的控制系統(tǒng)。轉(zhuǎn)速開環(huán)型控制系統(tǒng)q電壓/頻率比控制時(shí)的各種穩(wěn)態(tài)運(yùn)行特性通常是以轉(zhuǎn)差頻率為恒坐標(biāo)給出的。,(,)(,)(,)ssslrsslsslsslIf ffIf ffPf ffQf ff（）),(),(),(),(cosslsrMslssMslsslsfffffffffTfff電壓/頻率比控制穩(wěn)態(tài)特性電壓/

4、頻率比控制穩(wěn)態(tài)特性電壓/頻率比控制穩(wěn)態(tài)特性6.5.1 轉(zhuǎn)速開環(huán)恒壓頻比控制調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)速開環(huán)恒壓頻比控制調(diào)速系統(tǒng) 通用變頻器通用變頻器-異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)q概述概述 現(xiàn)代通用變頻器大都是采用二極管整流和由快速全控開關(guān)器件 IGBT 或功率模塊IPM 組成的PWM逆變器，構(gòu)成交-直-交電壓源型變壓變頻器，已經(jīng)占領(lǐng)了全世界0.5500KVA 中、小容量變頻調(diào)速裝置的絕大部分市場(chǎng)。 所謂“通用”，包含著兩方面的含義：（1）可以和通用的籠型異步電機(jī)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(zhì)的負(fù)載。q 下頁圖繪出了一種典型的數(shù)字控制通用變數(shù)字控制通用變頻器頻器-異步電動(dòng)機(jī)

5、調(diào)速系統(tǒng)異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)原理圖。 1. 系統(tǒng)組成M3電壓檢測(cè)泵升限制電流檢測(cè)溫度檢測(cè)電流檢測(cè)單片機(jī)顯示設(shè)定接口PWM發(fā)生器驅(qū)動(dòng)電路URUIR0R1R2RbVTbKR0R1RbR2 2. 電路分析l主電路主電路由二極管整流器UR、PWM逆變器UI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C濾波，同時(shí)兼有無功功率交換的作用。主電路（續(xù)）u限流電阻限流電阻：為了避免大電容C在通電瞬間產(chǎn)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（或電抗），通上電源時(shí)，先限制充電電流，再延時(shí)用開關(guān)K將短路，以免長(zhǎng)期接入時(shí)影響變頻器的正常工作，并產(chǎn)生附加損耗。主電路（續(xù)）u泵升限制電路

6、泵升限制電路由于二極管整流器不能為異步電機(jī)的再生制動(dòng)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(dòng)能量。減速制動(dòng)時(shí)，異步電機(jī)進(jìn)入發(fā)電狀態(tài)，首先通過逆變器的續(xù)流二極管向電容C充電，當(dāng)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(shí)，通過泵升限制電路使開關(guān)器件導(dǎo)通，將電機(jī)釋放的動(dòng)能消耗在制動(dòng)電阻上。為了便于散熱，制動(dòng)電阻器常作為附件單獨(dú)裝在變頻器機(jī)箱外邊。 二極管整流電流波形具有較大的諧波分量，使電源受到污染。 為了抑制諧波電流，對(duì)于容量較大的PWM變頻器，都應(yīng)在輸入端設(shè)有進(jìn)線電抗器，有時(shí)也可以在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對(duì)變頻器的影響

7、。電路分析（續(xù)）l控制電路控制電路現(xiàn)代PWM變頻器的控制電路大都是以微處理器為核心的數(shù)字電路，其功能主要是接受各種設(shè)定信息和指令，再根據(jù)它們的要求形成驅(qū)動(dòng)逆變器工作的PWM信號(hào)，再根據(jù)它們的要求形成驅(qū)動(dòng)逆變器工作的PWM信號(hào)。微機(jī)芯片主要采用8位或16位的單片機(jī)，或用32位的DSP，現(xiàn)在已有應(yīng)用RISC的產(chǎn)品出現(xiàn)?？刂齐娐罚ɡm(xù)）uPWM信號(hào)產(chǎn)生信號(hào)產(chǎn)生可以由微機(jī)本身的軟件產(chǎn)生，由PWM端口輸出，也可采用專用的PWM生成電路芯片。u檢測(cè)與保護(hù)電路檢測(cè)與保護(hù)電路各種故障的保護(hù)由電壓、電流、溫度等檢測(cè)信號(hào)經(jīng)信號(hào)處理電路進(jìn)行分壓、光電隔離、濾波、放大等綜合處理，再進(jìn)入A/D轉(zhuǎn)換器，輸入給CPU作為控制

8、算法的依據(jù)，或者作為開關(guān)電平產(chǎn)生保護(hù)信號(hào)和顯示信號(hào)。控制電路（續(xù)）u信號(hào)設(shè)定信號(hào)設(shè)定需要設(shè)定的控制信息主要有：U/f 特性、工作頻率、頻率升高時(shí)間、頻率下降時(shí)間等，還可以有一系列特殊功能的設(shè)定。由于通用變頻器-異步電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)是轉(zhuǎn)速或頻率開環(huán)、恒壓頻比控制系統(tǒng)，低頻時(shí)，或負(fù)載的性質(zhì)和大小不同時(shí)，都得靠改變 U / f 函數(shù)發(fā)生器的特性來補(bǔ)償，使系統(tǒng)達(dá)到恒定，甚至恒定的功能（見第6.2.2節(jié)），在通用產(chǎn)品中稱作“電壓補(bǔ)償”或“轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償”。補(bǔ)償方法 實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償?shù)姆椒ㄓ袃煞N：q一種是在微機(jī)中存儲(chǔ)多條不同斜率和折線段的U / f 函數(shù)，由用戶根據(jù)需要選擇最佳特性；q另一種辦法是采用霍耳電流傳感器檢測(cè)定子電

9、流或直流回路電流，按電流大小自動(dòng)補(bǔ)償定子電壓。但無論如何都存在過補(bǔ)償或欠補(bǔ)償?shù)目赡埽@是開環(huán)控制系統(tǒng)的不足之處。控制電路（續(xù)）u給定積分給定積分由于系統(tǒng)本身沒有自動(dòng)限制起制動(dòng)電流的作用，因此，頻定設(shè)定信號(hào)必須通過給定積分算法產(chǎn)生平緩升速或降速信號(hào)，升速和降速的積分時(shí)間可以根據(jù)負(fù)載需要由操作人員分別選擇。 綜上所述，PWM變壓變頻器的基本控制作用如下頁圖所示。近年來，許多企業(yè)不斷推出具有更多自動(dòng)控制功能的變頻器，使產(chǎn)品性能更加完善，質(zhì)量不斷提高?？刂齐娐罚ɡm(xù)）tff *ufu斜坡函數(shù)U / f 曲線脈沖發(fā)生器驅(qū)動(dòng)電路工作頻率設(shè)定升降速時(shí)間設(shè)定電壓補(bǔ)償設(shè)定PWM產(chǎn)生圖6-39 PWM變壓變頻器的基

10、本控制作用 轉(zhuǎn)速閉環(huán)、轉(zhuǎn)差頻率控制系統(tǒng)q為克服U/f恒定的轉(zhuǎn)速開環(huán)變頻調(diào)速系統(tǒng)的缺點(diǎn)，提高調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度和動(dòng)態(tài)性能，可采用轉(zhuǎn)速閉環(huán)的變頻調(diào)速系統(tǒng)，由電力傳動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程可知，轉(zhuǎn)速的控制可通過對(duì)電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩T 控制來實(shí)現(xiàn)，基于此思路，提出了轉(zhuǎn)差頻率控制方式。LpJ dwTTndt轉(zhuǎn)差頻率控制的基本原理2XsR /2mX1R1X1u 21EE1I2IEquivalent circuit of induction motormIq由三相電機(jī)一相等值電路圖可知，轉(zhuǎn)子電流為q定子感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為q式中，122222()EIRXs111114.44NmemEf N kK w11114.44,22NeN

11、 kKwf) 1 ()2(轉(zhuǎn)差頻率控制的基本原理轉(zhuǎn)差頻率控制的基本原理q又因?yàn)閝轉(zhuǎn)差角頻率q將（2）（3）帶入轉(zhuǎn)子電流I2的表達(dá)式，可得q電磁功率 2122lsllsXsw Lw L1slwsw122222()emsllK wsIRw L22221222222233()emesllk wRPIsRsRw L)3()4()5(轉(zhuǎn)差頻率控制的基本原理q電磁轉(zhuǎn)矩式中q式（6）說明在電動(dòng)機(jī)的參數(shù) 為常數(shù)，且當(dāng)磁通 為常數(shù)時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩僅和轉(zhuǎn)差角頻率有關(guān)，對(duì)應(yīng)的曲線如下：2221222112222222223()pemsllslmmsllnk wPTsRw Rw Lw RkRw L23mpekn k22L

12、lR、m)6(轉(zhuǎn)差頻率控制的基本原理q對(duì)式（6）求導(dǎo)，并令q可求出q 與 無關(guān)， 與 成正比q如果wsl較小， 則可忽略 ，式(6)簡(jiǎn)化為 如圖中虛線所示0sldTdw22max222mmslmllkRwTLL22sllw LR2slw L22mmslkwTRslmw2mmaxT2m轉(zhuǎn)差頻率控制的基本原理q可見，當(dāng)m 一定時(shí)，則電磁轉(zhuǎn)矩T和轉(zhuǎn)差角頻率wsl成正比，這與直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩特性Tf（Ia）十分相似，即對(duì)于異步電動(dòng)機(jī)在wslwslm范圍內(nèi)，如果保持m 一定，就可以像直流他勵(lì)電動(dòng)機(jī)用Ia控制T那樣控制wsl來控制電磁轉(zhuǎn)矩，這是轉(zhuǎn)差頻率控制的基本原理。轉(zhuǎn)差頻率控制的基本原理q轉(zhuǎn)差控制系統(tǒng)中

13、控制氣隙磁通恒定的方法有直接控制和間接控制兩種。q直接控制氣隙磁通的方法是用檢測(cè)線圈或霍爾片檢測(cè)氣隙磁通，以此為反饋量進(jìn)行閉環(huán)控制，而間接控制氣隙磁通的方法則是通過控制定子電流或定子電壓以控制勵(lì)磁電流，勵(lì)磁電流恒定則氣隙磁通恒定。轉(zhuǎn)差頻率控制的基本原理q對(duì)于電壓型逆變系統(tǒng)，無論輸出電壓是方波還是脈寬調(diào)制波，電流的諧波含量都比電壓諧波含量大；而且在不同頻率以及脈寬調(diào)制的不同載波比時(shí)，電流諧波分量又在很大范圍內(nèi)變化。因此，檢測(cè)電壓作為反饋量進(jìn)行控制更能提高控制的精度。qm恒定的實(shí)現(xiàn)方式通過U/fconst，低頻時(shí)適當(dāng)補(bǔ)償定子電阻壓降的影響即可以實(shí)現(xiàn)恒磁通的控制。轉(zhuǎn)差頻率控制的基本原理系統(tǒng)組成1U1

14、IF BS電壓型逆變器PWMM3 ASRsl11aUbUcU圖 轉(zhuǎn)差頻率控制的轉(zhuǎn)速閉環(huán)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖 控制原理 實(shí)現(xiàn)上述轉(zhuǎn)差頻率控制規(guī)律的轉(zhuǎn)速閉環(huán)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖如圖所示。q頻率控制頻率控制轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸出信號(hào)是轉(zhuǎn)差頻率給定 s* ，與實(shí)測(cè)轉(zhuǎn)速信號(hào) 相加，即得定子頻率給定信號(hào) 1* ，即 *1*s（6-66） q電壓控制電壓控制由 1和定子電流反饋信號(hào) I1 從微機(jī)存儲(chǔ)的 U1 = f (1 , I1) 函數(shù)中查得定子電壓給定信號(hào) U1* ，用 U1* 和 1* 控制PWM電壓型逆變器，即得異步電機(jī)調(diào)速所需的變壓變頻電源。q三角波的幅值雖然固定，但三角波的頻率卻需要

15、隨著基準(zhǔn)正弦波頻率（即逆變器輸出頻率或電機(jī)定子頻率）的變化而變化：定子頻率降低，載波比應(yīng)相應(yīng)增大，否則在低頻區(qū)將導(dǎo)致電機(jī)諧波電流增大，引起轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)增加。q一般做法是低頻時(shí)異步調(diào)制，然后轉(zhuǎn)為分段同步調(diào)制，最后直至額定定子頻率時(shí)放棄脈寬調(diào)制改為方波輸出為止。轉(zhuǎn)速閉環(huán)、轉(zhuǎn)差頻率控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)速閉環(huán)、轉(zhuǎn)差頻率控制系統(tǒng)q在逆變器輸出電壓可調(diào)的范圍內(nèi)，由于可保證氣隙磁通為額定值，因此，只要改變轉(zhuǎn)差頻率函數(shù)發(fā)生器特性，就可使異步電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)獲得不同的運(yùn)行方式以及不同的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行特性。轉(zhuǎn)速閉環(huán)、轉(zhuǎn)差頻率控制系統(tǒng)q轉(zhuǎn)差控制下有恒磁通、恒轉(zhuǎn)矩和恒電壓、恒功率兩種運(yùn)行方式，其對(duì)應(yīng)的各種穩(wěn)態(tài)運(yùn)行特性公式如右所示，各特性

16、曲線圖如下頁所示。),()(),(),(),(),(cos),(),(),(),(sslAsslsslrMsslsMsslsslsslsslslmNaslmAfffUffffffffffffTffffffQfffPfIfIfIfI轉(zhuǎn)速閉環(huán)、轉(zhuǎn)差頻率控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)速閉環(huán)、轉(zhuǎn)差頻率控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)速閉環(huán)、轉(zhuǎn)差頻率控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)速開環(huán)型控制系統(tǒng)q基準(zhǔn)部分由速度給定、輸入限制器（速度給定即使作階躍式變化也能變?yōu)樾逼潞瘮?shù)并加以限幅）、絕對(duì)值變換器（輸入極性不同，但輸出均為正值）以及正反轉(zhuǎn)檢測(cè)器（根據(jù)速度給定的極性判別正反轉(zhuǎn)要求）構(gòu)成。q基準(zhǔn)部分的輸出既作為定子電壓基準(zhǔn)，又作為定子頻率基準(zhǔn)，還給出電機(jī)正反轉(zhuǎn)指令。轉(zhuǎn)速開

17、環(huán)型控制系統(tǒng)q整流器控制部分由電壓比較器與電壓調(diào)節(jié)器（將電壓基準(zhǔn)與實(shí)測(cè)電壓進(jìn)行比較和調(diào)節(jié)以獲得電流基準(zhǔn)）、電流比較器與電流調(diào)節(jié)器（將電流基準(zhǔn)與實(shí)測(cè)電流量比較和調(diào)節(jié)得到相位基準(zhǔn)）、相位控制器（決定整流器觸發(fā)脈沖的產(chǎn)生與分配）和脈沖放大器組成。q逆變器控制部分由電壓頻率變換器（根據(jù)定子頻率基準(zhǔn)產(chǎn)生振蕩脈沖）、脈沖分配器（將振蕩脈沖進(jìn)行分頻并按逆變器功率器件導(dǎo)通順序的要求以及正反轉(zhuǎn)指令進(jìn)行脈沖分配）及脈沖放大器組成。轉(zhuǎn)速開環(huán)型控制系統(tǒng)q基準(zhǔn)部分由速度給定（給定速度與正、反轉(zhuǎn)要求）、輸入限制器（將輸入由躍變式信號(hào)變?yōu)樾逼潞瘮?shù)并可以限制其最大值）、轉(zhuǎn)差頻率函數(shù)發(fā)生器（根據(jù)電機(jī)參數(shù)及運(yùn)行方式的要求由定子頻率決定出轉(zhuǎn)差頻率）、絕對(duì)值變換器（使極性不同的輸入信號(hào)均變?yōu)檎担┮约罢?、反轉(zhuǎn)控制器（根據(jù)速度給定的極性不同，判別正、反轉(zhuǎn)要求）等組成?；鶞?zhǔn)部分輸入為速度給定信號(hào)，輸出為轉(zhuǎn)差頻率信號(hào)與正反轉(zhuǎn)指令。轉(zhuǎn)速閉環(huán)、轉(zhuǎn)差頻率控制系統(tǒng)q整流器控制部分由電壓給定函數(shù)發(fā)生器（根據(jù)轉(zhuǎn)差頻率給定值和定子頻率確定定子電壓給定值）、電壓比較器（將實(shí)測(cè)定子電壓與給定電壓進(jìn)行比較）、電壓調(diào)節(jié)器（將由電壓比較器來的誤