传统变频调速系统1

2、控制单元说明 （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 升或下降，以提高系统的可靠性及满足一些生产 机械的工艺要求。
（2）绝对值器(GAB) 设置目的：将送来的正负变化的信号变为单
到补偿转差的目的，这样在电动机运行中，当 负载增加时，也能做到维持转速基本不变。
（7）Ud校正环节
变频器没有输出电压反馈控制，当直流电压Ud 发生波动时，将引起Us / fs=C关系失调。检测Ud变 化，在Ud校正环节中，根据Ud的变化来修正电压控 制信号Usg*，再通过SPWM调整输出电压脉冲的宽 度，以保证Us / fs=C的协调关系。
分，

* sl
下降，最终达到
ωf
=ω *，重新进入稳
态，实现了转速无静差调节。
3.再生制动
如果使 ω *=0，由于电动机
及负载的机械惯性，转速不会
突变， 则 ω *－ω f=－ω f，速 度调节器 ASR 反向积分直到限
幅输出 s*lmax 。函数发生器
输出一个对应s*l

s*lmax
转速闭环控制的难点在于交流电动机的电磁转矩与多个 参变量有关，表达式比较复杂，动态性能不易准确控制。
转差频率控制是在闭环运算中力图维持磁通恒定，实现 电磁转矩线性可控的一种模拟式闭环控制方法。
电磁转矩的近似推导过程如下：
因为：
式中，Cm为电机常数 另外
基于上述推导，获得转差频率控制的基本思想： 只要在控制过程中，保证：
的
I* s
值，
使磁通 Φ m恒定。电动机定子频率，将由原来的 ω s变到 s ，
如图 6-23，并有s<ω 。
6.5.2 电压源型转差频率控制的异步电动机变压变 频调速系统(供参考，可不讲)
前面介绍了电流源型异步电动机转差频率 控制的变压变频调速系统。这里再介绍一种 交—直—交电压源型转差频率控制系统，在这
为了避免上述情U况s /的fs 发 C生，加入了瞬态校正环节。
需要指出的是，由于电流源输出的交流电流
是矩形波或阶梯波，因而波形中含大量谐波分量， 由此带来了电机内部损耗增大和转矩脉动影响等 问题。近几年来，为提高电流源型变压变频调速 系统的性能，对电流源型逆变器的每一相输出电 流也采用SPWM控制，以改善输出电流波形。
低电压，可以使输出电流下降，减小损耗，可通 过改变U / f =C曲线的斜率来实现。
（4）电流限制调节器 由于本系统没有电流闭环控制，不能直接控制
变频器输出电流。当负载加重或电机堵转时，输出
电流超过设定的最大电流I*smax后，如果电流进一步
增加或长期工作，会损坏变频器和电动机。为了避
免这一现象的发生，当Isf>I*smax时，通过降低变频
（2）绝对值运算器：只反映给定的大小，不反映 正负，输入输出关系为：uo=luil。正反转由逻辑开关 负责。
（3）压频转换：将电压形式的速度给定信号转换 为成比例的频率脉冲。又称为压控振荡器，该环节输 出频率是变频器输出频率的6倍。
（4）环行分配器：又称为6分频器，将压频转换 器提供的振荡脉冲，分频为6路输出，各路保持足够 的宽度，准备依次触发逆变器的6只晶闸管。
器输出电压的方法，来减小变频器输出电流。故电
流限制调节器作用是，在Isf<I*smax时，电流限制调 节器输出为0；在Isf>I*smax时，电流限制调节器有相
应的输出，使变频器输出电压降低，保证变频器输 出不发生过电流。
（5）I*R补偿环节
低频时，为了保证磁通恒定，
变频器引入了I*R补偿环节，根
第二节 晶闸管变频调速系统中的
主要控制环节（电路设计）
一．给定积分器 二．绝对值运算器 三.电压频率转换器 四.环行分配器 五.脉冲输出级 六.函数发生器 七.逻辑开关
一．给定积分器
同名端输入
高倍比例器
调
节
双向
给 定
限幅
1:1负反馈
异名端输入 积分器
调节起动时间
给定积分器的实际输入输出关系如下：
则引起电动机转速 下降，使 ω f<ω *，转速调节 器 ASR 输出开始上升，只要 ω f<ω *，则 ASR 一直
正向积分，直到

* sl
，使 * sl m ax
Tei=Teimax，致使电
动机很快加速。同时，经函数发生器产生对应

* sl
的
定子电流 恢复到 ω
I
* s
f
，使电动机磁通 Φ m 保持不变。当转速 ≧ω *时，速度调节器 ASR 开始反向积
里是采用Es／fs为常数的方法来满足气隙磁通
Φ m 保持不变，其系统框图如图6-24所示。
同前，转速调节器输出反映了转差角频率 s l
（ Tei ）,由于转速调节器的输出设有限幅器，可使
系统在动态过程中的转差角频率不会超过slmax ，因
而能在最大允许转矩Teimax 下加速、减速，对逆变桥
仍使系统基本保持
的关系。
当电源电压波动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U节s /过fs程中C 逆变器输出频率并没有发
生变化，因此
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
动机输出转矩大幅度波动，从而造成电动机转速波动。
K2为负（0） 封锁负序
* 正、负绝对值均较小时，正、负序均封锁，电机停转。
第三节 转差频率控制的变频 调速系统
一．转差频率控制的基本思想
二．主磁通恒定对定子电流的控制要求
三.转差频率控制的 转速闭环变频调速系统
一．转差频率控制的基本思想
转速开环变频调速系统虽然可以实现无级变速，但改变的 是同步转速，调速精度比较低，要提高调速精度需要进行转 速闭环控制。
（2）在基频以上，对电动机进行近似恒功率调速。 即保持额定供电电压，只调节供电频率。
变频调速系统整体结构：
该控制系统分上、下两路 上路：改变整流器的直流电压，实现电压可控。 下路：改变逆变桥的输出频率，实现频率可调。
变频调速系统中各控制环节的作用：
（1）给定积分器：接受用户的突加（减）给 定信号，变突加给定信号为前沿缓升（降）的给定 信号，减缓起动冲击。又被称为软起动器，实现的 输入输出关系如下图：
图5-40 转速开环变压变频调速系统
～

* r
+

r
ASR
Uco*
ST
* sl
+
+
r
C FG
Us*
s*
～M PG
变频调速系统中电动机对变频器的要求：
（1）在额定频率以内，对电动机进恒转矩调速。要 求在变频调速的过程中，变频系统提供的U1、f1实现协 调控制，即在U1/f1=常数的基础上加以合理的低频段电 压补偿，保证E1/f1=常数。
定值s*lmax ，它对应电机的最大电磁转矩 Teimax。因 此，转差频率控制方式的最大特点是在起动过程中
能维持一个最大的起动转矩恒定不变。
从而可知，电机 起动过程是沿着Tei = Teimax特性曲线的包 络线（见图6-22）升 速，实现快速起动的
要求。
2.负载变化
设电动机在某一转速下运行，当突加负载 TL，
变频调速系统
第一节 转速开环的晶闸管变频调速系统结构 第二节 晶闸管变频调速系统中的主要控制环节 第三节 转差频率控制的变频调速系统 第四节 单片机控制的PWM变频调速系统
第一节 转速开环的晶闸管变频调 速系统结构
一．转速开环的电压型变频调速系统结构
二．转速开环的电流型变频调速系统结构
一．转速开环的电压型变频调速系统结构
就能实现电磁转矩与转差频率成比例的近似线性控制。
二．主磁通恒定对定子电流的控制要求
控制过程中如何保证主磁通恒定呢？ 由交流电动机的一相等效电路，近似推导可以得到： 要保持主磁通恒定，电动机的定子电流与转差角频率在 控制过程中必须保持如下配合关系：
配合曲线见右图：
三.转差频率控制的转速闭环变频调速系统
由转差频率控制原理而知，异步电动机的电磁
转矩Tei与转差角频率ωsl成正比，因而ASR的输出就
是转差角频率的给定值
* sl
。
由于电动机的机械惯性影响，当设定一个转速 给定值 ω*，必然有一个起动过程。通常 ASR 都是 采用 PI 调节器，这样在起动过程中 ASR 的输出一 直为限幅值，这个限幅值就是最大转差角频率的给
（2）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过大冲击，使系统中电 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要求。
（3）函数发生器
设置目的：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
一极性的信号，信号值大小不变。
（3）函数发生器（U/f特性）
设置目的：实现Us / fs=C的控制方式。 前面讨论过，在变压变频调速系统中，Us = f (fs)，即电机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信号，以 实现电压、频率的协调控制。
。
（4）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。 U s / fs电流C 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。
（5）瞬态校正环节
瞬态校正环节设置的目的是为了在瞬态调节过程中
（7）逻辑开关：逻辑开 关的作用是根据给定信号为 正、负或零，来控制逆变晶 闸管的触发相序，从而控制 电动机的正转、反转或停车。
*上路中的其它环节与可 控直流调压调速系统类似。
二．转速开环的电流型变频调速系统结构
（1）电流源型变频器主回路 电流源型变频器主电路由两个功率变换环节构
成，中间环节采用电抗器滤波。整流器和逆变器分 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。
（5）脉冲输出级：首先，可以依据逻辑开关的正 反转要求改变触发相序，控制正反转；其次，将环行 分配器提供的6路信号进行功率放大并将宽脉冲调制 成适合晶闸管触发的脉冲列。
（6）函数发生器：实现电压频率协调控制的环节。在基频 范围内，将速度（频率）给定信号正比例转换为电压信号，并 再此基础上实现低频段电压信号提升，保证E1/f1=常数。在基 频之上，只允许频率上升，限制电压幅度不超出在额定电压。
据负载性质及负载电流值适当提
高Usg，修正Us / fs=C特性曲线， 达到使Us / fs=C。
（6）转差补偿环节
为了提高机械特性硬度，
图6-17转差补偿图解
在系统中设置了转差补偿环节，转差补偿机理可以按
图6-17所示来解释。
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当负载由TL1增大到TL2时，电机转速由n1 降到n2，转差由Δn1增加到Δn2，其差值为Δn2 －Δn1=Δn。按Δn值相应提高同步转速ns，使 其机械特性曲线ns1平行上移得到机械特性曲线 ns2，与n1相交于A2点，从而使n1保持不变，达
函数发生器补充： 变频器中以下几项内容与函数发生器有关： ①按照不同负载要求设定不同的Us / fs=C特性 曲线。 ②当变频器高于基频工作时，采用恒功率控
制，这就要保证变频器输出电压不能高于电机的 额定输入电压，可通过Us / fs=C函数发生器的输出 限幅来保证。
③节能控制：电机处于轻载工作时，适当降
* 本系统中给定积分器输入输出级性相反，在后 面环节设计中，需要考虑这个问题。
二．绝对值运算器
1:1负反馈
负输入 反号输出
正输入 直接输出至后级
三.电压频率转换器
直流输入
调零
U/F转换 专用 集成电路
脉冲输出 调U/F比
四.环行分配器
脉冲输入
6D触发器
六分频输出
或非门
五.脉冲输出级
6路脉冲输出
希望 电流
希望 转子 速度
转子 实际 速度
希望 转差
希望 f1
电流源型转差频率控制的异步电动机变压变频调速 系统构成及工作原理
这里介绍一种比较典型的系统，其基本结构如 图6-21所示。
系统的工作原理叙述如下：
1.起动过程
对于转速闭环控制系统而言，速度调节器ASR 的输出为电动机转矩的给定值（控制量）。
功率放大
宽脉冲调成脉冲列 正负相序切换 二极管阵
隔离输出
六.函数发生器
调节电压 补偿量
调节电压限幅
调节整体放大倍数
负反馈运算放大器 异名输入
* VD1使得两段直线斜率不同，2-3 段为正常工作段。
七.逻辑开关
当输入为正且大于最小值
比较器
正最小值
比较器
K1为负（0） 封锁正序
负最小值 当输入为负且小于最小值