2.4 转速开环的变频调速系统

2. 7 转速开环的U/f控制变频调速系统
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所谓“通用”，包含着两方面的含义： （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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PWM信号产生——可以由微机本身的软件产生， 由PWM端口输出，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。
控制系统构成
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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
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
2. 7 转速开环的U/f控制变频调速系统
基础上再提高电压 Us 以补偿定子电流压降。 （6-65）
二、转差频率控制实现的前提条件
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) 只要 Us 和1及 Is 的关系符合右图
Us
Es/1=Const.
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 O 律之二。
2. 7 转速开环的U/f控制变频调速系统
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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。
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进线电抗器
K
泵升限制电路
UR
~
R0 R0
R11 R
R2 R
Rb R
UI
M 3~
b
VTb
2
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
1. 系统组成
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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。
第二章 电力电子变频器及 PWM控制原理
山东大学
崔纳新
第二章
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交-交变频器 交-直-交变频器 PWM控制基础
PWM控制技术
三相SPWM专用集成电路
单片机和DSP用于PWM信号生成
转速开环的U/f控制变频调速系统 转速闭环转差频率控制的变频调速系统
1. 系统组成
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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。 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 电容器之间串接直流电抗器。
• 电力传动的基本控制规律
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 np d 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。
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。
第二章 电力电子变频器及PWM控制原理
交-交变频器 交-直-交变频器 PWM控制基础
PWM控制技术
三相SPWM专用集成电路
2. 7 转速开环的U/f控制变频调速系统
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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。
• 性能评价

转差角频率 s*与实测转速信号 相加后得到定子频率
输入信号 1* 这一关系是转差频率控制系统突出的特点或优 点。它表明，在调速过程中，实际频率1随着实际转速 同 步地上升或下降，因此加、减速平滑而且稳定。

同时，由于在动态过程中转速调节器ASR饱和，系 统能用对应于 sm 的限幅转矩Tem 进行控制，保证了在允 许条件下的快速性。具有较好的静、动态性能，是一个 比较优越的控制策略，结构也不算复杂。
2.8 转速闭环转差频率控制的变频调速系统
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
Te Es 3np 1
2
s1R r Rr
'2 2
' 2 '2
s 1 L lr
将
E s 4 . 44 f 1 N s k Ns Φ m 4 . 44
1 s lr r
矩可近似表示为
T e K mΦ m
2
s
Rr
'
（2-42）
一、转差频率控制的基本概念
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。
一、转差频率控制的基本概念
当s 较大时，就得采用式（2-41）的精确转矩公式
Te
T e K mΦ m
2 '2
sRr
' ' 2
L lr
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。
二、转差频率控制实现的前提条件
上述规律是在保持m恒定的前提下才成立的， 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。
要实现恒 Es/1控制，须在Us/1 = 恒值的
O
定子电流增大
1
3. 转差频率控制的变频调速系统
•系统组成
Is




ASR
s

1

Is
Us
1

U sa
PWM
U sb




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
• 控制原理
频率控制——转速调节器ASR的输出信号是转差 频率给定 s* ，与实测转速信号 相加，即得定 子频率给定信号 1* ，即
性能评价（续）
Us = f (1 , Is) 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。
本章主要内容
交-交变频器
交-直-交变频器
PWM控制基础 PWM控制技术 三相SPWM专用集成电路 单片机和DSP用于PWM信号生成 转速开环的U/f控制变频调速系统 转速闭环转差频率控制的变频调速系统
2
1
2π
N s k Ns Байду номын сангаас m
' 2 '2
1 2
1 N s k Ns Φ m
代入上式，得
3 2
Te K mΦ m
s1R r
'2 2
R r s 1 L lr
Km
n p N s k Ns
2
2
，是电机的结构常数。
2.8 转速闭环转差频率控制的变频调速系统
令 s = s1 ，并定义为转差角频率。则 围内，如果能够保持气隙磁通m不变，异步电 T e K mΦ m （2-41） '2 ' 2
一、转差频率控制的基本概念
对于式（2-41），取 dTe / ds = 0 可得
s max
Rr
' '

Rr L lr
2
L lr
（2-43）
T e max
K mΦ m 2 L lr
'
（2-44）
在转差频率控制系统中，只要给s 限幅，使其 R 限幅值为
r sm s max
R r ( s L lr )
把这个转矩特性（即机 械特性） 画在左图。
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；
Temax Tem
O
sm smax
s
当Te 达到其最大值Temax 时，s 达到smax值。
图2-54按恒Φm值控制的 Te=f (s ) 特性
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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， 在通用产品中称作“电压补偿”或“转矩补偿”。
Us /1=Const.
定子电流增大的趋势
1
图2-53 不同定子电流时恒Es/控制所需的电压-频率特性
2.8 转速闭环转差频率控制的变频调速系统
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。
Us
（2）在不同的定子电流值 时，按右图的函数关系 Us = f (1 , Is) 控制定子电压和频 率，就能保持气隙磁通m 恒定。
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异步电机的动态数学模型复杂，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。
常用的通用变频器控制系统就是采用转
速开环恒压频比带低频电压补偿的控制方案。
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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 f
脉冲发生器
u
t
f
驱动 电路
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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
2
（2-42）式表明，在s 值很小的稳态运行范 '
sRr
R r ( s L lr )
机的转矩就近似与转差角频率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 当电机稳态运行时，s 值很小，因而 s也很小 电流一样，能够达到间接控制转矩的目的。 ，有 的百分之几，可以认为 L ' << R ' ，则转
s 1
*
Is
*
（2-45）
U
U
sa



s

1

Is
U
s

ASR


sb
1

PW M
U
sc
逆 变 器
M 3~
FBS
控制原理 电压控制——由 1和定子电流反馈信号 Is 从微机存储的 Us = f (1 , Is) 函数中查 得定子电压给定信号 Us* ，用 Us* 和 1* 控制PWM电压型逆变器，即得异步电机 调速所需的变压变频电源。
单片机和DSP用于PWM信号生成
转速开环的U/f控制变频调速系统 转速闭环转差频率控制的变频调速系统
2.8 转速闭环转差频率控制的变频调速系统 问题的提出 转速开环变频调速系统可以 满足平滑调速的基本要求 提高静、动态性能 静、动态性 能都有限
转速反馈闭环控制
怎样提高系统的动态性能呢？