变频器的控制方式教学课件

第3章 变频器的控制方式 转差频率控制 3-2 矢量控制 3-3 直接转矩控制 3-4 恒压频比控制 3-1 1 电机的基本调速原理： 由电机学可知，异步电动机转速公式为 （3.1） 2 与直流调速系统相同，在额定转速以下调速时，希望 保持电机中每极磁通量为额定值。如果磁通下降，则异步 电动机的电磁转矩Te将减小。这样，在基速以下时，无疑 会失去调速系统的恒转矩机械特性。另外，随着电机的最 大转矩的下降，有可能造成电机堵转。反之，如果磁通上 升，又会使电机磁路饱和，励磁电流将迅速上升，导致电 机铁损大量增加，造成电机铁芯严重过热，不仅会使电机 输出效益大大降低，而见由于电机过热，造成电机绕组绝 缘降低，严重时，有烧毁电机的危险。因此，在调速过程 中不仅要改变定子供电频率，而且还要保持(控制)磁通恒 定。 根据保持(控制)磁通恒定的方法不同，产生了恒压频 比控制方式和转差频率控制方式。 3 3.1 U/f控制方法 3.1.1 U/f控制方式的理论基础 （3.2） （3.3） 4 5 3.1.2 U/f控制方式的实现 本小节主要讲解以下两个内容： 1恒压频比 控制方式及其机械特性 2基频以上变频控制方式及其机械特性 6 1恒压频比 控制方式 （3.5） （3.6 ） 7 （3.7） 8 图3.1恒压频比控制示意图 （3.8） 9 10 （3.9） （3.10） （3.11） 11 （3.12） （3.13 ） 12 图3.2 电网直接供电时异步电动机的机械特性 13 三相异步电动机采用恒压频比控制方式的变压变频电 源供电时的机械特性都有什么特点呢？ （3.14 ） （3.15 ） 14 （3.16 ） （3.17 ） （3.18） 15 16 图3.3 基频以下机械特性 17 2.基频以上变频控制方式及其机械特性 基频以上调速分为两种情况： 第一，异步电动机不允许过压，但允许有一定超速 (高于额定转速)。这种情况下，应保持电压为额 定电压。 第二，当异步电动机允许有一定的电压升高，即超 过电机的额定电压，或者是特制的先升压后弱磁 专用调速异步电动机，应采用比较准确的恒功率 调速方式。 18 19 图3.4 异步电动机调速时的控制特性 20 （3.21） （3.22） 21 （3.23） （3.24 ） 22 （3.25 ） 23 图3.5 恒功率调速的机械特性 24 1.电压源型频率开环的异步电动机变压变频调速系统 电压源型变压变频调速系统的中间环节采用大电容器 进行直流滤波。由于采用了PWM控制，因而使其输出电压 波形接近正弦波。逆变器输出电压波形由输出电压和电动 机反电势之差形成，也接近正弦波。下面以一个典型的电 压源型变压变频调速系统(如图3.6所示)为例来说明这类 系统的基本组成及各控制环节的作用。 25 图3.6 电压源型逆变器开环调速系统 26 下面介绍该控制系统的主要控制单元 （1）转速给定积分环节(GI) 设置目的：将阶跃给定信号转变为斜坡信号，以消除 阶跃给定对系统产生的过大冲击，使系统中的电压、电流 、频率和电机转速都能稳步上升和下降，以提高系统的可 靠性及满足一些生产机械的工艺要求。 （2）电流实际值检测 电流实际值检测主要用于输出电压的修正和过流、过 载保护。 通过检测变频器输出电流，进行过流、过载计算。当 判断为过流、过载后，发生触发脉冲封锁信号触发器，停 止变频器运行，确保变频器和电动机的安全。 27 28 29 30 (8)交直交电压源型逆变器的数学模型 31 图3.7 逆变器与异步电动机的等效电路图 32 （3.26） （3.27） 33 （3.28） 注： 对于系统结构稍不相同的电压源型逆变器异步电动 机调速系统，可在本例的基础上，稍做修改，即可得到所需 要的系统传递函数与框图。 34 2.电流源型频率开环的异步电动机变压变频调速系统 （1）系统的基本组成。图3.8给出了一个比较典型的 电流源型逆变器频率开环调速系统。由图可知，交频器有 两个功率变换环节，即整流桥与逆受桥，它们分别有相应 的控制回路。为了操作方便采用一个给定来控制，并通过 函数发生器，使两个回路协调地工作。在电流源型逆变器 频率开环调速系统中，除了设置电流调节环外，仍需设置 电压闭环，以保证调压调频过程中对逆变器输出电压的稳 定性要求，实现恒压频比的控制方式。 35 图3.8 电流源型逆变器的频率开环调速系统 36 电流源型变频器主电路。电流源型变频器主电路的中间直 流环节采用电抗器滤波。其主电路由两个功率变换环节构 成，即二相桥式整流器和逆变器，它们分别有相应的控制 回路，即电压控制回路及频率控制回路，分别进行调压与 调频控制。 给定积分。设置目的；将阶跃给定信号转变为斜坡信号 ，以消除阶跃给定对系统产生的过大冲击，使系统中的电 压、电流、频率和电机转速都能稳步上升和下降，以提高 系统的可靠性及满足一些生产机械的工艺要求。 37 函数发生器。设置目的：前面讨论过，在变压变额调速系 统中，即定子电压是定子频率的函数，函数发生器就是根 据给定积分器输出的频率信号，产生一个对应于定子电压 的给定值，实现恒压频比。 电压调节器和电流调节器。电压调节器采用PID调节器， 其输出作为电流调节器的给定值。 电流调节器也是采用PID调节器，根据电压调节器输 出的电流给定值与实际电流信号值的偏差，实时调整触发 角，使实际电流跟随给定电流。 38 39 瞬态校正环节。瞬态校正环节是一个微分环节，具有超前 校正作用。设置的目的是为了在瞬态调节过程中仍使系统基 本保持恒压频比的关系。 当电源电压波动而引起逆变器输出电压发生变化时，电 压闭环控制系统按电压给定值自动调节逆变器的输出电压。 但是在电压调节过程中逆变器输出频率并没有发生变化，因 此恒压频比的关系在瞬态过程中不能得到维持。这将导致磁 场过激或欠激不断交替的情况，使得电机输出转矩大幅度波 动，从而造成电动机转速波动。为了避免上述情况的发生， 加入瞬态校正环节。 40 41 图3.9 电流型逆变器异步电机等值电路 42 （3.34） （3.35） 43 （3.36） （3.37） （3.38） 44 利用以上结果，可以画出交直交电流源型逆变器 异步电动机变频调速系统的动态结构框图，如图3.10所 示(电压、电流双闭环)。 图3.10交直交电流源型逆变器异步电动机 变压变频调速系统的动态结构框图 45 利用此框图选择电压、电流调节器参数，并进行系统的动 态分析。对于系统结构稍不相同的电流源型逆变器异步电动 机调速系统，可参照本例，稍作修改，仍可得出所需要的系统 传递函数与框图。 恒压频比控制的异步电动机变压变频调速系统是一种比较 简单的控制方式。按控制理论的观点进行分类时，恒压频比控 制方式属于转速(频率)开环控制系统，这种系统虽然在转速控 制方面不能给出满意的控制性能，但是这种系统有着很高的性 价比。因此，在以节能为目的的各种用途中和对转速精度要求 不高的各种场合下得到了广泛的应有。同时还需要指出，恒压 频比控制系统是最基本的变压变频调速系统，性能更好的系统 都是建立在这种系统的基础之上。 46 3.2 转差频率控制 定义： 转差频率控制是解决异步电动机电磁转矩控制 的一种控制方式，是对的恒压频比控制方式的一 种改进。相对于恒压频比控制方式而言，采用转 差频率控制方式，有助于改善异步电动机变频调 速系统和静、动态性能。 47 3.2.1 转差频率控制的理论基础 （3.39） 48 图3.11 异步电动机等值电路 （3.40） （3.41） 49 （3.42） （3.43） 50 （3.44） 51 （3.45） （3.46） （3.47） 52 53 （3.48） （3.49） 54 （3.50） 55 （3.51） （3.52） （3.53） （3.54） 56 57 58 3.2.2 转差频率控制的系统构成 （3.55） 59 1.电流源型异步电动机转差频率控制的变频调速系统构成 基本构成图3.14所示 图3.14 异步电动机转差频率控制的变频调速系统 60 61 图3.15异步电动机转差频率控制启动特性 62 63 64 图3.16 再生制动 转差频率控制方式，虽 然与恒压频比控制的变 压变频调速系统相比前 进了一步，系统的动、 静态特性都有一定的提 高。但是，由于其基本 关系式都是从稳态方程 中导出的，没有考虑到 电机电磁惯性的影响及 在动态中磁通如何变化 。所以，严格来说，动 态转矩与磁通并未得到 圆满的控制。 65 （3.56） （3.57） 66 （3.58） （3.59） 67 依据式(3.59)，绘制的交直交电流源型逆变器一异步电 动机转差频率控制变频调速系统动态结构框图如图3.17所示。 图3.17 系统动态结构图 68 图3.17中，ASR、ACR分别为转速、电流调节器，可根 据需要选择其类型，并可利用此框图综合ASR、ACR之参数 ，分析其动态过程，其方法步骤类似于直流调速系统。另 外，对于其他类型的转差频率控制系统的数学模型可类似 建立。 最后还要说明一点：由于异步电动机本身的复杂性， 当推导数学模型的过程中所采用的方法或所做的假定条件 不同时，所得出的数学模型是不一定相同的。 69 3.3 矢量控制 矢量控制方式主要满足异步电动机高动态性能而采取 的控制方式。 下面分三个方面来讲解： 1、矢量控制的理论基础 2、矢量控制的实现方法 3、矢量控制的意义 70 3.3.1 矢量控制的理论基础 异步电动机的矢量控制是建立在动态数学模型的基础 上的。数学模型的推导是一个专门性的问题，不准备具体 说明，仅就矢量控制的概念做简要的说明。 由于直流电动机的动态性能好及直流电动机的磁通和 电枢电流独立进行控制制，是一种典型的解耦控制。异步 电动机的矢量控制就是仿照直流电动机的控制方式，把定 子电流的磁场分量和转矩分量解耦开来，分别加以控制。 这种解耦，实际是把异步电动机的物理模型设法等效地变 换成类似于直流电动机的模式。这种等效变换是借助于坐 标变换来完成的。等效的原则是，在不同坐标系下电动机 模型所产生的磁动势相同。 71 图3.18 等效的交流电动机物理模型 72 下面就介绍如何等效的 73 74 75 76 77 图3.19 矢量变换控制的构想 78 79 80 矢量控制方案 （3.60） 81 图3.20 矢量控制方式 （3.61） 82 83 3.3.2 矢量控制的实现方法 在本小节主要讲解采用电压型PWM变频器所 构成的转子磁场定向的矢量控制系统。 下面将给出系统各运算单元的运算公式，以及 讲解与此系统有关的知识点和概念。 84 图3.21 矢量控制系统原理框图（例） 85 下面给出图3.21中点划线框、中的矢量变换部分的各 个运算单元的运算公式。 （3.62） （3.63） 86 （3.64） 87 （3.65） （3.66） 88 （3.67） （3.68） （3.69） （3.70） 89 （3.71） （3.72） （3.73） 90 （3.74） 91 92 矢量控制变频器实际装置举例： 西门子公司的前期产品SMOVERTP 6SE3536(BJT)、 6SC3637(GT0)和目前的6SE70、6SE71(IGBT)的控制思想 基本一致。其中前两种工业交频器实现的功能如下： (1)U/f频率开环控制、无速度传感器矢量控制和有速度 传感器矢量控制的硬件电路实现了归一化。采用哪种控制 方式，由可选的软件功能确定。 (2)用于单电动机或多电动机调速的频率开环控制，有4 种U/f曲线可由软件选择。 93 (3)用于单电动机传动，且要求高动态性能时，实现矢量 控制即磁场定向控制。矢量控制时以无速度传感器，也可 以有速度传感器。 (4)通过自动参数设定可实现优化的起动，启动中闭环控 制参数和U/f特性根据负载电动机的额定值来计算。 (5)闭环控制的自优化。它是通过一种自动检测和自动实 验程序，实现对所有闭环控制器参数的自动设定。 (6)实现了变结构和自适应控制，充分体现了全数字控制 的优势。 94 1.开环和闭环控制的概念 开环和闭环控制的4种不同形式及应用如表3.1。 表3.1 控制方式及应用 95 2.频率开环控制 这种情况下的结构，如图3.22所示。频率由串联在系 统中的斜坡发生器给定，电压则由U/f特性函数发生器给 定。U/f特性由4种电压-频率函数关系的组合来决定。这 可以看做有4个电压-频率特性组件和4个斜坡函数发生器 组件(可由软件功能来选择)。 图3.22 频率开环控制的原理框图 96 3.矢量控制 矢量控制的原理结构，如图3.23所示，这种矢量控制 可以采用有速度传感器方式(图中右下方)，也可以采用无 速度传感器方式。速度传感器可以采用脉冲式速度传感器 。 图3.23矢量控制的原理结构图 97 4.无速度传感器的矢量控制的速度调节 这种控制方式下的原理性框图(由软件功定选定)如图 3.24所示。这是对异步电动机进行单电动机传动的典型模 式。 图3.24无速度传感器的矢量控制原理框图 98 5.有速度传感器的转速或转矩闭环矢量控制 这种控制方式的主要特性是： (1)在速度设定值的全范围内，转矩上升时间大约为 15ms。 (2)速度设定范围人于1：100。 (3)对闭环控制而言，转速上升时间小于等于60ms。 这种控制的框图如图3.25所示。 99 图3.25有速度传感器的矢量控制原理框图 100 3.3.3 矢量控制的意义 采用矢量控制方式的目的，主要是为了提高变频调速 的动态性能，根据交流电动机的动态数学模型、利用坐标 变换手段，将交流电动机的定子电流分解成磁场分量电流 和转矩分量电流，并分别加以控制，即模仿自然解耦的直 流电动机的控制方式，对电动机的磁场和转矩分别进行控 制，以获得类似于直流调速系统的动态性能。 101 在矢量控制方式中，磁场电流和转矩电流可以根据可 测定的电动机定子电压、电流的实际值经计算求得。磁场 电流和转矩电流再与相应的设定值相比较并根据需要进行 必要的校正。高性能速度调节器的输出信号可以作为转矩 电流(或称有功电流)的设定值。动态频率前馈控制可以保 证快速动态响应。 另外，矢量控制调速范围宽，采用光电码盘转速传感 器时，一般可以达到调速范围D=100，己在实践中获得普 遍的应用。 102 3.4 直接转矩控制 直接转矩控制提出的由来及解决的问题 从20世纪70年代矢量控制技术发展以来，交流传动技 术从理论上解决了交流调速系统在静、动态件能上与直流 传动相媲美的问题。矢量控制技术模仿直流电动机的控制 ，以转子磁场定向，用矢量变换的方法，实现了对交流电 动机的转矩和磁链控制的完全解耦，它的提出具有划时代 的重要意义。然而，在实际上由于转子磁链难以准确观测 ，并且系统特性受电动机参数的影响较大，以及在模拟直 流电动机控制过程中使用矢量旋转变换的复杂性，使得实 际的控制效果难以达到理论分析的结果，这是矢量控制技 术在实践上不足之处。 103 不同于矢量控制技术，直接转矩控制有着自己的特点 ，它在很大程度上解决了矢量掉制中计算复杂、特性易受 电动机参数变化的影响、实际性能难以达到理论分析结果 的一些重要技术问题。直接转矩控制技术从诞生开始，就 以自己新颖的控制思想，简洁明了的系统结构，优良的静 、动态性能受到了普遍的关注并得到了迅速的发展。 104 3.4.1 直接转矩控制的理论基础 105 （3.75） 106 107 108 由以上叙述，可以初步了解异步电动机直接转矩控制 系统的基本控制思想。图3.26概括了对直接转矩控制系统 控制思路的描述，以便在深入研究直接转矩控制系统之前 ，在概念上先有一个形象的认识。 图3.26直接转矩控制系统基本思路框图 109 3.4.2 直接转矩控制在工业变领器中的应用 在此节主要讲解以下四点： 原理图 直接转矩控制系统的控制规律和反馈模型 直接转矩控制系统与矢量控制系统的比较 异步电动机直接转矩控制（DSC）系统的基本组成 及工作原理 110 111 图3.27按电子磁链控制的直接转矩控制系统 112 2.直接转矩控制系统的控制规律和反馈模型 （3.76） （3.77）113 114 图3.28 定子磁链模型结构框图图3.29 转矩模型结构框图 （3.78） 115 116 DTC系统存在的问题是： (1)由于采用砰砰控制，实际转矩必然在上下 限内脉动，而不是完全恒定的。 (2)由于磁链计算采用了带积分环节的电压模型 ，积分初值，累积误差和定子电阻的变化都会影 响磁链计算的准确度。 这两个问题的影响在低速时都比较显著，因而 使DTC系统的调运范围受到限制。为了解决这些问 题，许多学者做过不少的研究工作，使它们得到 一定程度的改善，但并不能完全消除。 117 118 4.异步电动机直接转矩控制（DSC）系统的基本组成 及工作原理 根据上节提出的直接转矩控制的基本结构， 经过扩充和完善，可以得到一个比较完整的异步 电动机直接转矩控制的变频调运系统，如图3.30 所示。下面，先对该系统的组成情况进行总体说 明，之后再分几个问题一一详细分析。