第二章6-变频调速系统
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电压源型逆变器——异步电机变频调速系统
●频率开环系统
电流源型逆变器——异步电机变频调速系统
●频率闭环系统——转差频率控制异步电机变频调速系统
电机控制
变频调速系统
异步电机变频调速系统
一、频率开环、电压源逆变器——异步电机变频调速系统 1．系统结构 （1）主电路
■不控整流+电容滤波 =电压源型 ■PWM逆变器，180o 导通型 ■每个IGBT旁反并联 快速型续流二极管， 为异步电机感性无功 提供通路
●机械特性改造成
电机控制
变频调速系统
频率开环、电流源型逆变器
2．控制回路
频率控制通道 电流（电压）控制通道
（1）频率控制通道
电机控制
变频调速系统
频率开环、电流源型逆变器
◆速度给定——频率、电流（电压）控制通道总信号源 ◆给定积分器——使阶跃给定变为斜坡给定 ◆绝对值电路 转向判别器
简化控制处理
◆ V f 变换器——将速度给定电压（绝对值）变换成逆 变器六个开关器件总频率6 f1
电机控制
变频调速系统
转差频率控制变频调速系统
☆但当系统快速起、制动，加、减速时，频率给定变化快速， 而机械惯性使转子不能快速跟随，则瞬时速差（ n1 n ）很大、 相应 s sm ，电机运行进入不稳定运行区，B点为不稳定点 ☆不稳定运行时特性恶化： (1) s s1 转子内功率因数角
异步电机变频调速系统
2．系统特点 ①无频率反馈，但有电压反馈，是常见开环VVVF（Varia ble-Voltage Variable-Freguency）控制方式 ②异步电机运行时滑差s小，空载、负载转速变化不大， 故适合长期稳态运行、调速精度不高的场合，如风机、水 泵 ③频率给定后不变，电机转速随负载变化，但小
电机控制
变频调速系统
异步电机变频调速系统
（2）频率闭环系统 特点：●速度给定后频率随转速自动调节，通过改变同 步速来补偿转速随负载的变化 ●电机转速与负载无关，恒定 ●静态特性好，动态性能满足一定要求
电机控制
变频调速系统
异步电机变频调速系统
（3）高性能控制系统 ●能实现转矩的动态控制，动、静态性能俱好 ●已实用的有矢量变换控制，直接转矩控制 ☆本节主要介绍
VT1 VT2 VT3 VT4 VT5 VT6 VT1
●反转：脉冲次序
VT1 VT6 VT5 VT4 VT3 VT2 VT1
电机控制
变频调速系统
异步电机变频调速系统
②电压控制通道
电机控制
变频调速系统
异步电机变频调速系统
◆函数发生器——电压/频率协调控制关键部件 ●输入：代表运行频率 f R 的速度给定绝对值 | ug | ●规律：
电机控制
变频调速系统
频率开环、电流源型逆变器
◆瞬态校正
实为微分环节，感知电压 变化趋势，以此修改运行频 率。在电压 U1 变化时，主 动改变 f1 ，以动态地维持 U f C 控制
1 1
电机控制
变频调速系统
转差频率控制变频调速系统
三、转差频率控制变频调速系统
☆以上频率开环异步电机变频调速系统中，由于电机运行 滑差 sN 小、稳态转速 n (1 sN )n1 n1 ，可以认为与负载 无关，满足一般调速精度要求 设 高效电机 SN = 4% n1 = 1500r/min 则 n = 1440r/min
电机控制
变频调速系统
频率开环、电流源型逆变器
☆这种以电流为内环、以电压为外环的双闭环系统，是 电流源型逆变器——异步电机变频调速系统最简单、最典 型的控制结构 ☆引入电压反馈控制后易引起系统运行不稳定 ■原因： 恒电压/频率比控制的调压 ①电压调节器同时承担 恒流控制的调压 双重调节任务趋势常矛盾；
变频调速系统
转差频率控制变频调速系统
◆实现关键 ①小转差保证——“转差调节器” 限定转差 s smax 或 s s max
s
PI
s
s max
s max
s 1
电机控制
变频调速系统
转差频率控制变频调速系统
arctan( 2 s1 L2 ) cos 2 R2
电机 cos 恶化 电磁转矩
电机控制
变频调速系统
转差频率控制变频调速系统
m
2
I2
cos 2 ) (I2
' E2 E 1
电机控制
变频调速系统
转差频率控制变频调速系统
R2 sx2
电机控制
变频调速系统
转差频率控制变频调速系统
代入 T C t I 2
有
■说明 在小转差条件下，若保持气隙磁通 C 恒定， 有 T s，即： ●电磁转矩与绝对转差呈线性关系 ●控制转差 s ，即可控制电磁转矩 T
T C 't 2 s
电机控制
电机控制
变频调速系统
异步电机变频调速系统
（2）控制回路 分
电压控制 频率控制
两通道，
电机控制
变频调速系统
异步电机变频调速系统
■速度给定：系统总指令： ug 0 ，正转； ug 0 , 绝对值 | ug | 代表速度高、低 ■给定积分器：使阶跃给定 0
ug
反转；
斜波给定 0
ug
，
防止给定突变引起系统电流、转矩、速度冲击 ■绝对值电路：逆变器输出电压、频率控制只需绝对值；配 合转向极性，以此简化控制处理
脉冲分配： 脉冲分配：
*反转（ug 0 ）
VT1 VT6 VT5 VT4 VT3 VT2 VT1
电机控制
变频调速系统
频率开环、电流源型逆变器
■结论： ●改变逆变器元件换流相序改变绕组供电相序、改变 电机转向 ●改变逆变器元件换流快慢改变转速 ◆脉冲功放——放大触发功率，并使控制回路与主电路 隔离
幅值——来自电压调节器输出（电压控制通道）
●三角载波 频率 f T 取决于调制方式：异步/同步/混合 调制——调制方式控制
电机控制
变频调速系统
异步电机变频调速系统
◆调制方式控制：根据调制波频率 f R ,按要求的调制方式，控 制三角波发生器， 输出合适的载波频率 f （幅值固定） T ◆SPWM调制：根据输入的正弦调制波频率、幅值，三角载 波频率、幅值，决定逆变器器件开关时刻，形成SPWM驱动 信号 ●SPWM驱动信号应按电机转向分配至逆变器六个开关器件 上，给三相绕组通以合适的电流，形成所需的旋转磁场，控制 电机正确运转
●输出：电压指令 U1
*
电机控制
变频调速系统
异步电机变频调速系统
◆电压检测：检测机端电压，形成电压反馈信号 U1 ，通过 电压闭环控制使正弦调制波幅值指令严格按 U1 f1 C 关系给出，确保电机磁路工作点正确 ◆电压调节器：PI型，实现对端电压的稳态无差、动态快速调 节
电机控制
变频调速系统
arctan( 2
cos 2 I2
s1 L2 ) R2
1 I2 cos 2 I2 T C t I 2 cos 2
2
I2
cos 2 I2
s 或 s s1下
E E1
' 2
电机控制
变频调速系统
电机控制
变频调速系统
异步电机变频调速系统
①频率控制通道
驱动脉冲 电机
电机控制
变频调速系统
异步电机变频调速系统
◆ V f 变换器：将速度电压 | ug | ，经压控振荡器处理，变成 频率信号，作为正弦调制波频率 f R ◆正弦波发生器：设为自然采样法，其中 ●正弦调制波 频率——来自 V f 变换器
1．控制方法
☆相对转差与绝对转差
n1 n n 相对转差： s （ n1 为同步速） n1 n1
遍乘: 绝对转差：s 1 s1
2 60
s
s 2 2 (n1 n) ( n1 ) 1 60 1 1 60
临界绝对转差： s max sm1
电机控制
变频调速系统
频率开环、电流源型逆变器
②电流为内环，保证恒流的调节会优先被执行。 这样，在负载电流变化时，某运行频率下按函数发生器关 系业已确定的电压 U1 ，可能会被恒流要求而调节、改变， 偏离了原已确定的U1 f1 C 关系。但随后的电压闭环控制 又将按运行频率将U1 强制修正回来，……。几个来回调节 将引起电机电压、电流、转矩、转速波动、振荡，造成了运 行稳定性问题。 ■解决办法——设置瞬态校正环节
电机控制
变频调速系统
转差频率控制变频调速系统
☆转差频率控制分析用 T S 曲线
☆转差频率控制是通过动态控制转差，获得转矩动态控制的 目的，故要讨论转矩与滑差的关系
电机控制
变频调速系统
转差频率控制变频调速系统
◆理论基础
cos 2 ) ■异步机电磁转矩 T Ct ( I 2
其中内功率因数角 转子有功电流 ■若在小转差
电机控制
变频调速系统
频率开环、电流源型逆变器
（2）电流（电压）控制通道
电机控制
变频调速系统
频率开环、电流源型逆变器
◆函数发生器
——协调电压/频率控制的关键，确保变频调速电机理想磁 路工作点，进而获得良好的运行力能指标（ , cos ） ☆为控制逆变器输出电压严格符合函数发生器要求，设置 电压闭环控制。
电机控制
变频调速系统
转差频率控制变频调速系统
■因此转差频率控制是一种无论在静态、动态下，均设法将 电机转差限定在临界转差 sm 之内的变频调速控制策略。 ■这种控制是通过频率的闭环调节来实现，使转矩与转差呈 线性关系，以期通过动态地控制转差实现对转矩的动态控制
电机控制
变频调速系统
转差频率控制变频调速系统
电机控制
变频调速系统
频率开环、电流源型逆变器
◆脉冲分配器： ■作用 ●6倍频信号六分频成 f1 ●加入转向信号干预，将驱动脉冲合理分配至各 开关器件 *正转（ ug 0 ）
VT1 VT2 VT3 VT4 VT5 Βιβλιοθήκη BaiduT6 VT1
转向判别器出“1”
转向判别器出“0”
电机控制
第二章
异步电机的控制
浙江大学 电气工程学院
年珩 nianheng@zju.edu.cn
© 浙江大学电气工程学院
电机控制
变频调速系统
§2-8
异步电机变频调速系统
☆异步电机变频调速系统分类 （1）频率开环系统 特点：●频率给定后不再调节——同步速固定 ●电机转速决定于负载，有变化（ s 0 ~ sN ） ●静态调速性能不佳，有差
电机控制
变频调速系统
异步电机变频调速系统
◆转向判别：将速度信号 ug 极性取出，控制触发脉冲在各开 关元件上的施加（分配） 输出： + ——正转， 导通的通电相序A → B → C
－ ——反转， 导通的通电相序A → C → B
电机控制
变频调速系统
异步电机变频调速系统
◆脉冲分配器：按转速、转向、分配三相、六管的驱动脉 冲信号 ●正转：脉冲次序
◆电压调节器——PI型
输入——函数发生器输出 U 1* 反馈——电机反馈输出 U
1
电机控制
变频调速系统
频率开环、电流源型逆变器
☆电压闭环调节目的： ①实现电机电压/频率控制、确保需要的磁路工作点 ②配合大滤波电感，实现电压控制下的恒流特性 为此应设置电流闭环
◆电流调节器——PI型
输入——电压调节器输出 反馈——电流反馈输出
转差频率控制变频调速系统
■从异步电机等效电路可得转子电流
I2 E1 s ) ( x2 ) ( R2
2 2
sE1 ) 2 ( sx2 )2 ( R2
s 小，
s E1 sE 1 E1 1 ( ) ( ) s s I2 1 R2 1 R2 R2
定、转子铜损 (2) s 转子电势sE2 转子电流I 2
(3)B点 dT ds dTL ，不稳定运行点 ds
☆结论 ■必须采用频率控制方法， 使转差 s smax ， 即运行在小转差下，使电机 获得高功率因数、小转子电流、 低损耗、大转矩 ——转差频率控制思想。
电机控制
变频调速系统
频率开环、电流源型逆变器
二、频率开环、电流源型逆 变器——异步电机变频调速 系统
1．主电路：交—直—交型
电机控制
变频调速系统
频率开环、电流源型逆变器
1．主电路：交—直—交型 ●三相交流 可控整流 大小可调直流电压大电感滤波 大小可 逆变 调直流恒流 变频交流 ●恒流依靠
大电感动态恒流 可控调压稳态恒流 “电压控制电流源”
●频率开环系统
电流源型逆变器——异步电机变频调速系统
●频率闭环系统——转差频率控制异步电机变频调速系统
电机控制
变频调速系统
异步电机变频调速系统
一、频率开环、电压源逆变器——异步电机变频调速系统 1．系统结构 （1）主电路
■不控整流+电容滤波 =电压源型 ■PWM逆变器，180o 导通型 ■每个IGBT旁反并联 快速型续流二极管， 为异步电机感性无功 提供通路
●机械特性改造成
电机控制
变频调速系统
频率开环、电流源型逆变器
2．控制回路
频率控制通道 电流（电压）控制通道
（1）频率控制通道
电机控制
变频调速系统
频率开环、电流源型逆变器
◆速度给定——频率、电流（电压）控制通道总信号源 ◆给定积分器——使阶跃给定变为斜坡给定 ◆绝对值电路 转向判别器
简化控制处理
◆ V f 变换器——将速度给定电压（绝对值）变换成逆 变器六个开关器件总频率6 f1
电机控制
变频调速系统
转差频率控制变频调速系统
☆但当系统快速起、制动，加、减速时，频率给定变化快速， 而机械惯性使转子不能快速跟随，则瞬时速差（ n1 n ）很大、 相应 s sm ，电机运行进入不稳定运行区，B点为不稳定点 ☆不稳定运行时特性恶化： (1) s s1 转子内功率因数角
异步电机变频调速系统
2．系统特点 ①无频率反馈，但有电压反馈，是常见开环VVVF（Varia ble-Voltage Variable-Freguency）控制方式 ②异步电机运行时滑差s小，空载、负载转速变化不大， 故适合长期稳态运行、调速精度不高的场合，如风机、水 泵 ③频率给定后不变，电机转速随负载变化，但小
电机控制
变频调速系统
异步电机变频调速系统
（2）频率闭环系统 特点：●速度给定后频率随转速自动调节，通过改变同 步速来补偿转速随负载的变化 ●电机转速与负载无关，恒定 ●静态特性好，动态性能满足一定要求
电机控制
变频调速系统
异步电机变频调速系统
（3）高性能控制系统 ●能实现转矩的动态控制，动、静态性能俱好 ●已实用的有矢量变换控制，直接转矩控制 ☆本节主要介绍
VT1 VT2 VT3 VT4 VT5 VT6 VT1
●反转：脉冲次序
VT1 VT6 VT5 VT4 VT3 VT2 VT1
电机控制
变频调速系统
异步电机变频调速系统
②电压控制通道
电机控制
变频调速系统
异步电机变频调速系统
◆函数发生器——电压/频率协调控制关键部件 ●输入：代表运行频率 f R 的速度给定绝对值 | ug | ●规律：
电机控制
变频调速系统
频率开环、电流源型逆变器
◆瞬态校正
实为微分环节，感知电压 变化趋势，以此修改运行频 率。在电压 U1 变化时，主 动改变 f1 ，以动态地维持 U f C 控制
1 1
电机控制
变频调速系统
转差频率控制变频调速系统
三、转差频率控制变频调速系统
☆以上频率开环异步电机变频调速系统中，由于电机运行 滑差 sN 小、稳态转速 n (1 sN )n1 n1 ，可以认为与负载 无关，满足一般调速精度要求 设 高效电机 SN = 4% n1 = 1500r/min 则 n = 1440r/min
电机控制
变频调速系统
频率开环、电流源型逆变器
☆这种以电流为内环、以电压为外环的双闭环系统，是 电流源型逆变器——异步电机变频调速系统最简单、最典 型的控制结构 ☆引入电压反馈控制后易引起系统运行不稳定 ■原因： 恒电压/频率比控制的调压 ①电压调节器同时承担 恒流控制的调压 双重调节任务趋势常矛盾；
变频调速系统
转差频率控制变频调速系统
◆实现关键 ①小转差保证——“转差调节器” 限定转差 s smax 或 s s max
s
PI
s
s max
s max
s 1
电机控制
变频调速系统
转差频率控制变频调速系统
arctan( 2 s1 L2 ) cos 2 R2
电机 cos 恶化 电磁转矩
电机控制
变频调速系统
转差频率控制变频调速系统
m
2
I2
cos 2 ) (I2
' E2 E 1
电机控制
变频调速系统
转差频率控制变频调速系统
R2 sx2
电机控制
变频调速系统
转差频率控制变频调速系统
代入 T C t I 2
有
■说明 在小转差条件下，若保持气隙磁通 C 恒定， 有 T s，即： ●电磁转矩与绝对转差呈线性关系 ●控制转差 s ，即可控制电磁转矩 T
T C 't 2 s
电机控制
电机控制
变频调速系统
异步电机变频调速系统
（2）控制回路 分
电压控制 频率控制
两通道，
电机控制
变频调速系统
异步电机变频调速系统
■速度给定：系统总指令： ug 0 ，正转； ug 0 , 绝对值 | ug | 代表速度高、低 ■给定积分器：使阶跃给定 0
ug
反转；
斜波给定 0
ug
，
防止给定突变引起系统电流、转矩、速度冲击 ■绝对值电路：逆变器输出电压、频率控制只需绝对值；配 合转向极性，以此简化控制处理
脉冲分配： 脉冲分配：
*反转（ug 0 ）
VT1 VT6 VT5 VT4 VT3 VT2 VT1
电机控制
变频调速系统
频率开环、电流源型逆变器
■结论： ●改变逆变器元件换流相序改变绕组供电相序、改变 电机转向 ●改变逆变器元件换流快慢改变转速 ◆脉冲功放——放大触发功率，并使控制回路与主电路 隔离
幅值——来自电压调节器输出（电压控制通道）
●三角载波 频率 f T 取决于调制方式：异步/同步/混合 调制——调制方式控制
电机控制
变频调速系统
异步电机变频调速系统
◆调制方式控制：根据调制波频率 f R ,按要求的调制方式，控 制三角波发生器， 输出合适的载波频率 f （幅值固定） T ◆SPWM调制：根据输入的正弦调制波频率、幅值，三角载 波频率、幅值，决定逆变器器件开关时刻，形成SPWM驱动 信号 ●SPWM驱动信号应按电机转向分配至逆变器六个开关器件 上，给三相绕组通以合适的电流，形成所需的旋转磁场，控制 电机正确运转
●输出：电压指令 U1
*
电机控制
变频调速系统
异步电机变频调速系统
◆电压检测：检测机端电压，形成电压反馈信号 U1 ，通过 电压闭环控制使正弦调制波幅值指令严格按 U1 f1 C 关系给出，确保电机磁路工作点正确 ◆电压调节器：PI型，实现对端电压的稳态无差、动态快速调 节
电机控制
变频调速系统
arctan( 2
cos 2 I2
s1 L2 ) R2
1 I2 cos 2 I2 T C t I 2 cos 2
2
I2
cos 2 I2
s 或 s s1下
E E1
' 2
电机控制
变频调速系统
电机控制
变频调速系统
异步电机变频调速系统
①频率控制通道
驱动脉冲 电机
电机控制
变频调速系统
异步电机变频调速系统
◆ V f 变换器：将速度电压 | ug | ，经压控振荡器处理，变成 频率信号，作为正弦调制波频率 f R ◆正弦波发生器：设为自然采样法，其中 ●正弦调制波 频率——来自 V f 变换器
1．控制方法
☆相对转差与绝对转差
n1 n n 相对转差： s （ n1 为同步速） n1 n1
遍乘: 绝对转差：s 1 s1
2 60
s
s 2 2 (n1 n) ( n1 ) 1 60 1 1 60
临界绝对转差： s max sm1
电机控制
变频调速系统
频率开环、电流源型逆变器
②电流为内环，保证恒流的调节会优先被执行。 这样，在负载电流变化时，某运行频率下按函数发生器关 系业已确定的电压 U1 ，可能会被恒流要求而调节、改变， 偏离了原已确定的U1 f1 C 关系。但随后的电压闭环控制 又将按运行频率将U1 强制修正回来，……。几个来回调节 将引起电机电压、电流、转矩、转速波动、振荡，造成了运 行稳定性问题。 ■解决办法——设置瞬态校正环节
电机控制
变频调速系统
转差频率控制变频调速系统
☆转差频率控制分析用 T S 曲线
☆转差频率控制是通过动态控制转差，获得转矩动态控制的 目的，故要讨论转矩与滑差的关系
电机控制
变频调速系统
转差频率控制变频调速系统
◆理论基础
cos 2 ) ■异步机电磁转矩 T Ct ( I 2
其中内功率因数角 转子有功电流 ■若在小转差
电机控制
变频调速系统
频率开环、电流源型逆变器
（2）电流（电压）控制通道
电机控制
变频调速系统
频率开环、电流源型逆变器
◆函数发生器
——协调电压/频率控制的关键，确保变频调速电机理想磁 路工作点，进而获得良好的运行力能指标（ , cos ） ☆为控制逆变器输出电压严格符合函数发生器要求，设置 电压闭环控制。
电机控制
变频调速系统
转差频率控制变频调速系统
■因此转差频率控制是一种无论在静态、动态下，均设法将 电机转差限定在临界转差 sm 之内的变频调速控制策略。 ■这种控制是通过频率的闭环调节来实现，使转矩与转差呈 线性关系，以期通过动态地控制转差实现对转矩的动态控制
电机控制
变频调速系统
转差频率控制变频调速系统
电机控制
变频调速系统
频率开环、电流源型逆变器
◆脉冲分配器： ■作用 ●6倍频信号六分频成 f1 ●加入转向信号干预，将驱动脉冲合理分配至各 开关器件 *正转（ ug 0 ）
VT1 VT2 VT3 VT4 VT5 Βιβλιοθήκη BaiduT6 VT1
转向判别器出“1”
转向判别器出“0”
电机控制
第二章
异步电机的控制
浙江大学 电气工程学院
年珩 nianheng@zju.edu.cn
© 浙江大学电气工程学院
电机控制
变频调速系统
§2-8
异步电机变频调速系统
☆异步电机变频调速系统分类 （1）频率开环系统 特点：●频率给定后不再调节——同步速固定 ●电机转速决定于负载，有变化（ s 0 ~ sN ） ●静态调速性能不佳，有差
电机控制
变频调速系统
异步电机变频调速系统
◆转向判别：将速度信号 ug 极性取出，控制触发脉冲在各开 关元件上的施加（分配） 输出： + ——正转， 导通的通电相序A → B → C
－ ——反转， 导通的通电相序A → C → B
电机控制
变频调速系统
异步电机变频调速系统
◆脉冲分配器：按转速、转向、分配三相、六管的驱动脉 冲信号 ●正转：脉冲次序
◆电压调节器——PI型
输入——函数发生器输出 U 1* 反馈——电机反馈输出 U
1
电机控制
变频调速系统
频率开环、电流源型逆变器
☆电压闭环调节目的： ①实现电机电压/频率控制、确保需要的磁路工作点 ②配合大滤波电感，实现电压控制下的恒流特性 为此应设置电流闭环
◆电流调节器——PI型
输入——电压调节器输出 反馈——电流反馈输出
转差频率控制变频调速系统
■从异步电机等效电路可得转子电流
I2 E1 s ) ( x2 ) ( R2
2 2
sE1 ) 2 ( sx2 )2 ( R2
s 小，
s E1 sE 1 E1 1 ( ) ( ) s s I2 1 R2 1 R2 R2
定、转子铜损 (2) s 转子电势sE2 转子电流I 2
(3)B点 dT ds dTL ，不稳定运行点 ds
☆结论 ■必须采用频率控制方法， 使转差 s smax ， 即运行在小转差下，使电机 获得高功率因数、小转子电流、 低损耗、大转矩 ——转差频率控制思想。
电机控制
变频调速系统
频率开环、电流源型逆变器
二、频率开环、电流源型逆 变器——异步电机变频调速 系统
1．主电路：交—直—交型
电机控制
变频调速系统
频率开环、电流源型逆变器
1．主电路：交—直—交型 ●三相交流 可控整流 大小可调直流电压大电感滤波 大小可 逆变 调直流恒流 变频交流 ●恒流依靠
大电感动态恒流 可控调压稳态恒流 “电压控制电流源”