第十一讲 转速开环的Uf控制变频调速系统

2. 7 转速开环的U/f控制变频调速系统
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近年来，许多企业不断推出具有更多自动控制功能 的变频器，使产品性能更加完善，质量不断提高。 开环U/f控制变频器发展的特点是通用化、系列化和 规模化生产。新一代的U/f控制变频器已经实现了转 矩控制功能，具有无跳闸能力。由这种变频器驱动 的通用异步电动机已经具备了挖土机特性，像直流 电动机一样，可以人为地设定其极限输出转矩。
（1）可以和通用的笼型异步电机配套使用；
（2）具有多种可供选择的功能，适用于各种不同性质的 负载。 系统介绍 下图绘出了一种典型的数字控制通用变频器-异步电
动机调速系统原理图。
1. 系统组成
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K UR ~ R0 R 0 R R11
R Rb
UI
b
R R2
VTb
M 3~
2
转差角频率s 成正比。这就是说，在异步电机中控制s ， 就和直流电机中控制电流一样，能够达到间接控制转矩
的目的。
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控制转差频率就代表控制转矩，这就是转差频
率控制的基本概念。
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当s 较大时，就得采用式（2-41）的精确转矩公式，把 这个转矩特性（即机械特性） 画在下图。 Te Temax Tem 可以看出： 在s 较小的稳态运行段 上，转矩 Te基本上与s 成正比； 当Te 达到其最大值Temax 时，s 达到smax值。
总结起来，转差频率控制的规律是： （1）在 s ≤ sm 的范围内，转矩 Te 基本上与 s 成正比， 条件是气隙磁通不变。 （2）在不同的定子电流值时，按上图的函数关系 Us = f (1 , Is) 控制定子电压和频率，就能保持气隙磁通m恒定。
3. 转差频率控制的变频调速系统
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1. 转差频率控制的基本概念
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直流电机的转矩与电枢电流成正比，控制电流就能
控制转矩，因此，直流双闭环调速系统转速调节器的输 出信号当作电流给定信号，也就是转矩给定信号。
在交流异步电机中，影响转矩的因素较多，控制异
步电机转矩的问题也比较复杂。
1. 转差频率控制的基本概念
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2
1
代入上式，得 Te KmΦm
Km
s1Rr' Rr'2 s 212 L'2 lr
3 2 np N s2 k Ns ，是电机的结构常数。 2
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令 s = s1 ，并定义为转差角频率。则
s Rr' Te K mΦm '2 Rr (s L'lr ) 2
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进线电抗器
二极管整流器虽然是全波整流装置，但由 于其输出端有滤波电容存在，因此输入电流呈脉冲波形。
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这样的电流波形具有较大的谐波分量，使电源受到污 染。 为了抑制谐波电流，对于容量较大的 PWM变频器，
都应在输入端设有进线电抗器，有时也可以在整流器和电
控制电路（续）
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信号设定——需要设定的控制信息主要有：U/f 特性、工 作频率、频率升高时间、频率下降时间等，还可以有一 系列特殊功能的设定。由于通用变频器-异步电动机系统 是转速或频率开环、恒压频比控制系统，低频时，或负 载的性质和大小不同时，都得靠改变 U / f 函数发生器的 特性来补偿，使系统达到恒定，甚至恒定的功能，在通 用产品中称作“电压补偿”或“转矩补偿”。
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工作频 升降速 率设定 时间设定 斜坡函数
f*
电压补偿设定
PWM产生
U / f 曲线
u
脉冲发生器
f
t
f
u
驱动 电路
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充电继电器 检测 信号 信号调 理
模拟 信号
外部 中断 信号
E2PROM 时钟电路
MCS 87C196MC
Rr Fra Baidu bibliotek s max Llr
就可以基本保持 Te与s 的正比关系，也就可以用转
差频率控制来代表转矩控制。这是转差频率控制的基本
规律之一。
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上述规律是在保持m恒定的前提下才成立的，于是问 题又转化为，如何能保持m 恒定？我们知道，按恒
Es/1 控制时可保持m恒定。在上图的等效电路中可得：
I (R j L ) E U s s s 1 ls s
由此可见，要实现恒 Es/1控制，须在Us/1 = 恒值的 基础上再提高电压 Us 以补偿定子电流压降。
（6-65）
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如果忽略电流相量相位变化的影响，不同定子电流时恒 Es/1 控制所需的电压-频率特性 Us = f (1, Is) 如下图所示。
显示 设定
接口
中 央 处 理 器
电压 检测
泵升 限制
电流 检测
温度 检测
电流 检测
PWM 发生器
驱动 电路
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主电路——由二极管整流器UR、PWM逆变器UI和中间
直流电路三部分组成，一般都是电压源型的，采用大电容
C滤波，同时兼有无功功率交换的作用。
限流电阻 为了避免大电容C在通电瞬间产生过大的充电
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好在不少机械负载，例如风机和水泵，并不需要很高 的动态性能，只要在一定范围内能实现高效率的调速就行， 因此可以只用电机的稳态模型来设计其控制系统。 为了实现电压-频率协调控制，可以采用转速开环恒压 频比带低频电压补偿的控制方案，这就是常用的通用变频 器控制系统。
2. 7 转速开环的U/f控制变频调速系统
检测信号
R 270
ACHX
MCS-196
LF353 GND
1 NC UCC 8 7 2A NC 6 3 CA Uo 4 5 NCGND
6N137
EXTINT
图2-53 51 A/D转换器的接口电路
图2-54 52 过电压检测信号的输入接口电路
2个二极管：过载保护作用； RC滤波器可以对尖峰类噪声进行有效的抑制。 在模拟输入端加上阻容电路， （1）低通滤波的作用 （2）在过电压的条件下，串联电阻可以起到限流作用； （3）模拟信号源内阻过大会降低A/D转换的精度，而并联的电容则 起到误差补偿的作用
电力传动的基本控制规律
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任何电力拖动自动控制系统都服从于基本运动方程 式
Te TL
J d np dt
提高调速系统动态性能主要依靠控制转速的变化率 d / dt ，根据基本运动方程式，控制电磁转矩就能控制 d / dt ，因此，归根结底，调速系统的动态性能就是控 制转矩的能力。
Us
Es/1=Const. Us /1=Const.
定子电流增大的趋势
O
图2-53 不同定子电流时恒Es/控制所需的电压-频率特性
1
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上述关系表明，只要 Us 和1及 Is 的关系符合上图所示 特性，就能保持 Eg/1 恒定，也就是保持 m 恒定。这是转
差频率控制的基本规律之二。
O
sm smax
s
图2-54按恒Φm值控制的 Te=f (s ) 特性
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对于式（2-41），取 dTe / ds = 0 可得
Rr' Rr s max ' Llr Llr
（2-43）
K mΦm Te max 2L'lr
sm
2
（2-44）
在转差频率控制系统中，只要给s 限幅，使其限幅值为
2.8 转速闭环转差频率控制的变频调速系统
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0. 问题的提出 前节所述的转速开环变频调速系统可以满足平滑调
速的要求，但静、动态性能都有限，要提高静、动态性
能，首先要用转速反馈闭环控制。转速闭环系统的静特 性比开环系统强，这是很明显的，但是，是否能够提高 系统的动态性能呢？还得进一步探讨一下。
PWM
驱动电 路
电源监 控
键盘 显示
信号 输出
图2-50 以MCS87C196MC单片机为核心的开环通用变频器控制电 路框图
www.sdu.edu.cn UCC VD 1N4148 R 270 VD 1N4148 C 0.01µ Uref R1 R2 + Udc R3 GND R4 UCC R5 OV
电流，在整流器和滤波电容间的直流回路上串入限流电阻
（或电抗），通上电源时，先限制充电电流，再延时用开 关K将其短路，以免长期接入时影响变频器的正常工作， 并产生附加损耗。
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泵升限制电路——由于二极管整流器不能为异步电机
的再生制动提供反向电流的通路，所以除特殊情况外， 通用变频器一般都用电阻吸收制动能量。减速制动时， 异步电机进入发电状态，首先通过逆变器的续流二极管 向电容C充电，当中间直流回路的电压（通称泵升电压） 升高到一定的限制值时，通过泵升限制电路使开关器件 导通，将电机释放的动能消耗在制动电阻上。
2
（2-41）
当电机稳态运行时，s 值很小，因而 s也很小，有1 的百分之几，可以认为 s Llr' << Rr' ，则转矩可近似表示为
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Te K mΦm
2
s
R
' r
（2-42）
式（2-42）表明，在s 值很小的稳态运行范围内，如
果能够保持气隙磁通m不变，异步电机的转矩就近似与
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给定积分——由于系统本身没有自动限制起制动电流的 作用，因此，频定设定信号必须通过给定积分算法产生 平缓升速或降速信号，升速和降速的积分时间可以根据 负载需要由操作人员分别选择。 综上所述，PWM变压变频器的基本控制作用如图所 示。近年来，许多企业不断推出具有更多自动控制功能 的变频器，使产品性能更加完善，质量不断提高。
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概述 现代通用变频器大都是采用二极管整流和由快速
全控开关器件 IGBT 或功率模块IPM 组成的PWM逆
变器，构成交-直-交电压源型变压变频器，已经占领 了全世界0.5~600kW 中、小容量变频调速装置的绝大
部分市场。
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所谓“通用”，包含着两方面的含义：
2. 7 转速开环的U/f控制变频调速系统
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直流电机的主磁通和电枢电流分布的空间位置是确定的，
而且可以独立进行控制。 交流异步电机的磁通则由定子与转子电流合成产生，它的
空间位置相对于定子和转子都是运动的，除此以外，在笼
型转子异步电机中，转子电流还是不可测和不可控的。 因此，异步电机的动态数学模型要比直流电机模型复 杂得多。
•系统组成
Is



ASR

s

1
Is
U s

1
U sa
U sb PWM

U sc
电 压 型 逆 变 器
M 3~
FBS
转差频率控制的转速闭环变频调速系统结构原理图
容器之间串接直流电抗器。还可用来抑制电源电压不平衡 对变频器的影响。
控制电路
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PWM信号产生——现代PWM变频器的控制电路大都是以 微处理器为核心的数字电路产生，其功能主要是接受各种设
定信息和指令，再根据它们的要求形成驱动逆变器工作的
PWM信号。微机芯片主要采用8位或16位的单片机，或用32 位的DSP；也可采用专用的PWM生成电路芯片。 检测与保护电路——各种故障的保护由电压、电流、温度等 检测信号经信号处理电路进行分压、光电隔离、滤波、放大 等综合处理，再进入A/D转换器，输入给CPU作为控制算法 的依据，或者作为开关电平产生保护信号和显示信号。
1.3中介绍的恒 Es /1 控制（即恒 m 控制）时的电磁 转矩公式为
Es s1 Rr' Te 3np R ' 2 s 2 2 L'2 r 1 lr 1
2
将
1 Es 4.44 f1 N s k Ns Φm 4.44 N s k Ns Φm 1 N s k Ns Φm 2π 2
补偿方法
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实现补偿的方法有两种： 一种是在微机中存储多条不同斜率和折线段的U / f 函 数，由用户根据需要选择最佳特性； 另一种办法是采用霍耳电流传感器检测定子电流或直 流回路电流，按电流大小自动补偿定子电压。但无论 如何都存在过补偿或欠补偿的可能，这是开环控制系 统的不足之处。