变频器的内部控制方式.ppt
,2023/11/12,1,变频器技术及应用,五 变频器的内部控制方式,2023/11/12,1,5.2 转差频率控制（SF控制）,2023/11/12,2,转差频率控制变频器概述1.U/f 控制方式可满足普通系统的控制要求，主要用于通用变频器，但其转速控制精度及系统的响应性较差，因为它采用的是开环控制方式。,2023/11/12,2,5.2 转差频率控制（SF控制）,2023/11/12,3,转差频率控制变频器概述2.转差频率控制变频器是利用闭环控制环节，根据电动机转速差和转矩成正比的原理，通过控制电动机的转差n，来控制电动机的转矩，从而达到控制电动机转速精度的目的。,2023/11/12,3,5.2 转差频率控制（SF控制）,2023/11/12,4,转差频率控制变频器概述3.转差频率控制变频器内设比较电路和PID控制电路，处理目标信号和反馈信号及产生的误差。,2023/11/12,4,4.U/f 控制变频器与转差频率控制变频器的区别U/控制变频器内部不设置PID控制功能，不设置反馈端子。而转差频率控制在变频器的内部要设比较电路和PID控制电路。若要用U/控制变频器实现闭环控制，需在变频器之外配置PID控制板。,用U/控制变频器实现PID控制,5.2 转差频率控制（SF控制）,转差频率控制变频器概述,2023/11/12,5,5.2 转差频率控制（SF控制）,5.2.1 转差频率控制原理1.转差频率控制的基本概念根据异步电动机数学模型，在稳态时，即采用恒Eg/控制（即恒m控制）时的电磁转矩公式为 将 代入上式，得,2023/11/12,6,2023/11/12,6,5.2 转差频率控制（SF控制）,5.2.1 转差频率控制原理1.转差频率控制的基本概念令 这里，s1 称为转差角频率，简称转差频率，则 有当电机稳态运行时，s 值很小，s也很小，可以认为 则转矩可近似表示为,2023/11/12,7,2023/11/12,7,5.2 转差频率控制（SF控制）,5.2.1 转差频率控制原理1.转差频率控制的基本概念所以，在s值很小的稳态运行范围内，如果能够保持气隙磁通 不变，异步电动机的转矩就近似与转差角频率 成正比。因此，控制转差频率也就代表了控制转矩，这就是转差频率控制的基本概念。,2023/11/12,8,2023/11/12,8,5.2 转差频率控制（SF控制）,5.2.1 转差频率控制原理转差频率与转矩的关系如图，在电动机允许的过载转矩以下，大体可以认为产生的转矩与转差频率成比例。另外，电流随转差频率的增加而单调增加。所以，如果我们给出的转差频率不超过允许过载时的转差频率，那么就可以具有限制电流的功能。为控制转差频率虽然需要检测出电动机的速度，但系统的加减速特性和稳定性比开环的Uf 控制获得了提高，过电流的限制效果也变好。,2023/11/12,9,转差频率与转矩的关系,2023/11/12,9,转差频率控制的规律为：,5.2.1 转差频率控制原理,5.2 转差频率控制（SF控制）,1）在,的范围内，转矩,基本上与,成正比，前提条件是气隙磁通不变。2）在不同的定子电流值时，按图示,函数关系控制定子电压和频率，就能保持气隙磁通,恒定。,2023/11/12,10,5.2.2 转差频率控制的系统构成,转差频率控制系统构成图说明速度调节器采用PI控制，输入为速度设定信号2*和检测的电机实际速度2之间的误差信号。输出为转差频率设定信号s*。变频器设定频率即电动机的定子电源频率1*为转差频率设定值s*与实际转子转速2的和。当电动机负载运行时，定子频率设定将会自动补偿由负载所产生的转差，从而保持电动机的速度为设定速度。速度调节器的限幅值决定了系统的最大转差频率。,2023/11/12,11,异步电动机的转差频率控制系统框图,5.2 转差频率控制（SF控制）,2023/11/12,11,5.2.2 转差频率控制的系统构成 实际应用工作过程,5.2 转差频率控制（SF控制）,转速调节器ASR的输出信号是转差频率给定值,与实测转速信号,相加，即得定子频率给定信号,即,，由,和定子电流反馈信号,从,函数中查得,然后用,和,去控制PWM电压型逆变器。,定子电压给定信号,2023/11/12,12,5.2.2 转差频率控制的系统构成,5.2 转差频率控制（SF控制）,转差角频率,与实测转速信号,相加后得到定子频率,，是转差频率控制系统突出的特点或优点。,随着实际转速,加、减速平滑而且稳定。在动态过程中转速调节器ASR饱和，系统能用对应于,的限幅转矩,进行控制，保证了在允许条件下的快速性。,输入信号,在调速过程中，实际频率,同步上升或下降，,2023/11/12,13,转差频率控制还不能完全达到直流双闭环控制系统的水平，存在差距的原因有以下几个方面：1)在分析转差频率控制规律时，是从异步电动机稳态等效电路和稳态转矩公式出发的，所谓的“保持磁通m恒定”的结论也只是在稳态情况下才成立。,2）函数关系中只抓住了定子电流的幅值，没有控制到电流的相位，而在动态中电流的相位也是影响转矩变化的因素。,3）在频率控制环节中，取，使频率1得以与转速同步升降，这本是转差频率控制的优点。然而，如果转速检测信号不准确或存在干扰，也就会直接给频率造成误差，因为所有这些偏差和干扰都以正反馈的形式毫无衰减地传递到频率控制信号上来了。,5.2.2 转差频率控制的系统构成,2023/11/12,14,转差频率控制方式：利用转差补偿来实现闭环控制从而达到最终控制电磁转矩的目的的方式。实现方法：根据速度传感器的检测，求出转差频率f，再把它与速度设定值 f 相叠加，以该叠加值作为逆变器的频率设定值 f 1，就实现了转差补偿。与U/f控制方式相比的优点：转差频率控制的调速精度大为提高。缺点：采用该方式必须使用速度传感器求取转差频率，同时要针对具体电动机的机械特性去调整控制参数，因而这种控制方式的通用性较差。通常，采用转差频率控制的调速装置都是单机运转，即一台变频器控制一台电机。,转差频率控制变频器小结,5.2 转差频率控制（SF控制）,2023/11/12,15,5.3 矢量控制(VC控制),2023/11/12,16,2023/11/12,16,矢量控制系统的基本思路,从外部看，输入为A，B，C三相电压，输出是转速 一台异步电动机，从内部看，经过3/2变换和同步旋转变换，变成一台由im和 it 输入，由输出的直流电动机。异步电动机经过坐标变换可以等效成直流电动机，那么，模仿直流电动机的控制策略，得到直流电动机的控制量，经过相应的坐标反变换，就能够控制异步电动机。由于进行坐标变换的是空间矢量，所以这样通过坐标变换实现的控制系统就叫作矢量控制系统，简称VC系统。,异步电动机的坐标变换结构图,5.3 矢量控制(VC控制),2023/11/12,17,2023/11/12,17,矢量控制系统的基本思路,3/2三相/两相变换;VR同步旋转变换;M轴与轴（A轴）的夹角,异步电动机的坐标变换结构图,5.3.2 直流电动机与异步电动机调速上的差异1直流电动机的调速特征 直流电动机具有两套绕组，即励磁绕组和电枢绕组，它们的磁场在空间上互差/2电角度，两套绕组在电路上是互相独立的。2异步电动机的调速特征 异步电动机也有定子绕组和转子绕组，但只有定子绕组和外部电源相接，定子电流I1是从电源吸取电流，转子电流I2是通过电磁感应产生的感应电流。因此异步电动机的定子电流应包括两个分量，即励磁分量和负载分量。励磁分量用于建立磁场；负载分量用于平衡转子电流磁场。,2023/11/12,18,2023/11/12,18,5.3 矢量控制(VC控制),5.3.3 矢量控制中的等效变换,2023/11/12,19,2023/11/12,19,5.3 矢量控制(VC控制),a)三相电流绕组 b)两相交流绕组 c)旋转的直流绕组异步电动机的几种等效模型,三相静止坐标系A，B，C和两相静止坐标系和之间可进行变换，称为3s/2s变换，变换的原则是保持变换前后的功率不变。,5.3.3 矢量控制中的等效变换,2023/11/12,20,2023/11/12,20,5.3 矢量控制(VC控制),a)三相电流绕组 b)两相交流绕组 c)旋转的直流绕组异步电动机的几种等效模型,交流电动机为三相对称的静止绕组，通以三相平衡的正弦电流后，将产生旋转磁动势F，在空间呈正弦分布，以同步转速1（即电流的角频率）旋转，如图a。,5.3.3 矢量控制中的等效变换,2023/11/12,21,2023/11/12,21,5.3 矢量控制(VC控制),a)三相电流绕组 b)两相交流绕组 c)旋转的直流绕组异步电动机的几种等效模型,任意对称的多相绕组，通入平衡的多相电流，都能产生旋转磁动势，以两相最为简单。如图b中绘出了两相静止绕组a和b，空间互差90，通入时间上互差90的两相平衡交流电流，也能产生旋转磁动势F。如单相交流电机。,5.3.3 矢量控制中的等效变换,2023/11/12,22,2023/11/12,22,5.3 矢量控制(VC控制),a)三相电流绕组 b)两相交流绕组 c)旋转的直流绕组异步电动机的几种等效模型,当图a和b的两个旋转磁动势大小和转速都相等时，即认为图b的两相绕组与图a的三相绕组等效。,5.3.3 矢量控制中的等效变换,5.3 矢量控制(VC控制),图c的两个匝数相等且互相垂直的绕组 T 和 M，分别通以直流电流 iT和iM，产生合成磁动势 F，其位置相对于绕组是固定的。如果让包含这两个绕组在内的整个铁心以同步转速旋转，则磁动势 F 自然也随之旋转起来，成为旋转磁动势。,旋转的直流绕组与等效直流电机模型,5.3.3 矢量控制中的等效变换,5.3 矢量控制(VC控制),把这个旋转磁动势的大小和转速也控制成与图 a 和图 b 中的磁动势一样，那么这套旋转的直流绕组也就和前面两套固定的交流绕组都等效。当观察者也站到铁心上和绕组一起旋转时，在他看来，T和 M 是两个通以直流而相互垂直的静止绕组。,旋转的直流绕组与等效直流电机模型,5.3.3 矢量控制中的等效变换,5.3 矢量控制(VC控制),如果控制磁通的位置在 d 轴上，就和直流电机物理模型没有本质上的区别了。这时，绕组T相当于励磁绕组，M 相当于伪静止的电枢绕组。,旋转的直流绕组与等效直流电机模型,5.3.3 矢量控制中的等效变换,2023/11/12,26,2023/11/12,26,5.3 矢量控制(VC控制),a)三相电流绕组 b)两相交流绕组 c)旋转的直流绕组异步电动机的几种等效模型,由此可见，以产生同样的旋转磁动势为准则，图a的三相交流绕组、图b的两相交流绕组和图c中整体旋转的直流绕组彼此等效。或者说，在三相坐标系下的 iA、iB、iC，在两相坐标系下的 i、i 和在旋转两相坐标系下的直流 it、im 是等效的，它们能产生相同的旋转磁动势。,5.3.3 矢量控制中的等效变换,2023/11/12,27,2023/11/12,27,5.3 矢量控制(VC控制),有意思的是：就图c 的 T、M 两个绕组而言，当观察者站在地面看上去，它们是与三相交流绕组等效的旋转直流绕组；如果跳到旋转着的铁心上看，它们就的的确确是一个直流电机模型了。这样，通过坐标系的变换，可以找到与交流三相绕组等效的直流电机模型。,现在的问题是，如何求出iA、iB、iC 与 i、i 和 it、im 之间准确的等效关系，这就是坐标变换的任务。,1.三相-两相变换（3/2变换）,先考虑上述的第一种坐标变换在三相静止绕组A、B、C和两相静止绕组、之间的变换，或称三相静止坐标系和两相静止坐标系间的变换，简称 3/2 变换。,三相和两相坐标系与绕组磁动势的空间矢量,1.三相-两相变换（3/2变换）,三相和两相坐标系与绕组磁动势的空间矢量,图中绘出了 A、B、C 和、两个坐标系，为方便起见，取 A 轴和 轴重合。设三相绕组每相有效匝数为N3，两相绕组每相有效匝数为N2，各相磁动势为有效匝数与电流的乘积，其空间矢量均位于有关相的坐标轴上。由于交流磁动势的大小随时间在变化着，图中磁动势矢量的长度是随意的。,设磁动势波形是正弦分布的，当三相总磁动势与二相总磁动势相等时，两套绕组瞬时磁动势在、轴上的投影都应相等，,1.三相-两相变换（3/2变换）,1.三相-两相变换（3/2变换）,写成矩阵形式，得,（1）,考虑变换前后总功率不变，在此前提下，可以证明匝数比应为,（2）,1.三相-两相变换（3/2变换）,代入式（1），得,（3）,1.三相-两相变换（3/2变换）,令 C3/2 表示从三相坐标系变换到两相坐标系的变换矩阵，则,（4）（5）,5.3.4 直角坐标极坐标变换,在矢量控制系统中，有时需将直角坐标变换为极坐标，用矢量幅值和相位夹角表示矢量。矢量i1和M轴的夹角为1，若由已知的im、iy来求i1和1，则必须进行KP变换，其关系公式为,2023/11/12,34,2023/11/12,34,5.3 矢量控制(VC控制),两相静止坐标系变换到两相旋转坐标系磁动势等效,5.3.5 变频器矢量控制的基本思想,1矢量控制的基本理念,2023/11/12,35,矢量控制的示意图,2023/11/12,35,5.3 矢量控制(VC控制),2023/11/12,36,异步电动机矢量变换与电流解耦数学模型,5.3.5 变频器矢量控制的基本思想,1矢量控制的基本理念,5.3 矢量控制(VC控制),2023/11/12,37,矢量控制系统原理结构图,5.3.5 变频器矢量控制的基本思想,1矢量控制的基本理念,5.3 矢量控制(VC控制),2矢量控制中的反馈,2023/11/12,38,2023/11/12,38,5.3 矢量控制(VC控制),电流反馈用于反映负载的状态，使iT*能随负载而变化。速度反馈反映出拖动系统的实际转速和给定值之间的差异，从而以最快的速度进行校正，提高了系统的动态性能。速度反馈的反馈信号可由脉冲编码器PG测得。现代的变频器又推广使用了无速度传感器矢量控制技术，它的速度反馈信号不是来自速度传感器，而是通过CPU对电动机的各种参数，如I1、r2等经过计算得到的一个转速的实在值，由这个计算出的转速实在值和给定值之间的差异来调整iM*和iT*，改变变频器的输出频率和电压。,5.3.6 使用矢量控制的要求,选择矢量控制模式，对变频器和电动机有如下要求：1)一台变频器只能带一台电动机。2)电动机的极数要按说明书的要求，一般以4极电动机为最佳。3)电动机容量与变频器的容量相当，最多差一个等级。4)变频器与电动机间的连接线不能过长，一般应在30m以内。如果超过30m，需要在连接好电缆后，进行离线自动调整，以重新测定电动机的相关参数。,2023/11/12,39,2023/11/12,39,5.3 矢量控制(VC控制),5.3.7 矢量控制系统的优点和应用范围,1.矢量控制系统的优点 1）动态的高速响应 2）低频转矩增大 3）控制灵活 2.矢量控制系统的应用范围 1）要求高速响应的工作机械 2）适应恶劣的工作环境 3）高精度的电力拖动 4）四象限运转,2023/11/12,40,2023/11/12,40,5.3 矢量控制(VC控制),5.4 直接转矩控制,5.4.1 直接转矩控制系统直接转矩控制系统是继矢量控制之后发展起来的另一种高性能的交流变频调速系统。直接转矩控制把转矩直接作为控制量来控制。直接转矩控制是直接在定子坐标系下分析交流电动机的模型，控制电动机的磁链和转矩。它不需要将交流电动机化成等效直流电动机，因而省去了矢量旋转变换中的许多复杂计算，它不需要模仿直流电动机的控制，也不需要为解耦而简化交流电动机的数学模型。,2023/11/12,41,2023/11/12,41,5.4.2 直接转矩控制的优势,转矩控制是控制定子磁链，在本质上并不需要转速信息；控制上对除定子电阻外的所有电动机参数变化鲁棒性好；所引入的定子磁链观测器能很容易地估算出同步速度信息。因而能方便地实现无速度传感器化。这种控制也称为无速度传感器直接转矩控制。然而，这种控制要依赖于精确的电动机数学模型和对电动机参数的自动识别(ID)。,2023/11/12,42,2023/11/12,42,5.5 单片机控制,5.5.1 概述随着微电子工艺水平的提高，微型计算机的性能价格比显著提高，全数字化变频调速系统大都是以高性能单片机和数字信号处理器(DSP)等为控制核心来构成整个系统。专用于电机控制的单片机的出现，使得系统的体积减小，可靠性大大提高。它们大部分是在16位单片机或DSP的基础上增加部分特殊的控制功能构成专用的集成电路，如87C196MC。,2023/11/12,43,2023/11/12,43,5.5.2 80C196MC微机控制系统,80C196MC控制变频调速系统原理框图,2023/11/12,44,2023/11/12,44,5.5.3 80C196MC微机控制系统硬件配置,80C196MC微机控制系统的硬件配置原理图,2023/11/12,45,2023/11/12,45,5.5.4 微机控制系统软件设计,系统程序流程图,2023/11/12,46,2023/11/12,46,本 章 小 结,变频器的控制方式有：Uf控制、转差频率控制、矢量控制、直接转矩控制和单片机控制等。Uf控制是使变频器的输出在改变频率的同时也改变电压，通常是使Uf为常数，这样可使电动机磁通保持一定，在较宽的调速范围内，电动机的转矩、效率、功率因数不下降。转差频率控制就是检测出电动机的转速，构成速度闭环，速度调节器的输出为转差频率，通过控制转差频率来控制转矩和电流，使速度的静态误差变小。,2023/11/12,47,2023/11/12,47,本 章 小 结,矢量控制是通过控制变频器输出电流的大小、频率及相位，用以维持电动机内部的磁通为设定值，产生所需的转矩。是一种高性能的异步电动机控制方式。直接转矩控制是直接分析电动机的模型，控制电动机的磁链和转矩。现在的变频器基本上都是以高性能单片机和数字信号处理器(DSP)等为控制核心构成的系统。专用于变频器控制的单片机的出现，使得系统的体积减小，功能及可靠性大大提高。,2023/11/12,48,2023/11/12,48,
