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,,2020/5/19,1,變頻器技術及應用,五變頻器的內(nèi)部控制方式,2020/5/19,1,5.2轉差頻率控制（SF控制）,2020/5/19,2,轉差頻率控制變頻器概述1.U/f控制方式可滿足普通系統(tǒng)的控制要求，主要用于通用變頻器，但其轉速控制精度及系統(tǒng)的響應性較差，因為它采用的是開環(huán)控制方式。,2020/5/19,2,5.2轉差頻率控制（SF控制）,2020/5/19,3,轉差頻率控制變頻器概述2.轉差頻率控制變頻器是利用閉環(huán)控制環(huán)節(jié)，根據(jù)電動機轉速差和轉矩成正比的原理，通過控制電動機的轉差Δn，來控制電動機的轉矩，從而達到控制電動機轉速精度的目的。,2020/5/19,3,5.2轉差頻率控制（SF控制）,2020/5/19,4,轉差頻率控制變頻器概述3.轉差頻率控制變頻器內(nèi)設比較電路和PID控制電路，處理目標信號和反饋信號及產(chǎn)生的誤差。,2020/5/19,4,4.U/f控制變頻器與轉差頻率控制變頻器的區(qū)別U/?控制變頻器內(nèi)部不設置PID控制功能，不設置反饋端子。而轉差頻率控制在變頻器的內(nèi)部要設比較電路和PID控制電路。若要用U/?控制變頻器實現(xiàn)閉環(huán)控制，需在變頻器之外配置PID控制板。,用U/?控制變頻器實現(xiàn)PID控制,5.2轉差頻率控制（SF控制）,轉差頻率控制變頻器概述,2020/5/19,5,5.2轉差頻率控制（SF控制）,5.2.1轉差頻率控制原理1.轉差頻率控制的基本概念根據(jù)異步電動機數(shù)學模型，在穩(wěn)態(tài)時，即采用恒Eg/ω控制（即恒Φm控制）時的電磁轉矩公式為將代入上式，得,2020/5/19,6,,,,2020/5/19,6,5.2轉差頻率控制（SF控制）,5.2.1轉差頻率控制原理1.轉差頻率控制的基本概念令這里，sω1稱為轉差角頻率，簡稱轉差頻率，則有當電機穩(wěn)態(tài)運行時，s值很小，ωs也很小，可以認為則轉矩可近似表示為,2020/5/19,7,,,,,,,,2020/5/19,7,5.2轉差頻率控制（SF控制）,5.2.1轉差頻率控制原理1.轉差頻率控制的基本概念所以，在s值很小的穩(wěn)態(tài)運行范圍內(nèi)，如果能夠保持氣隙磁通不變，異步電動機的轉矩就近似與轉差角頻率成正比。因此，控制轉差頻率也就代表了控制轉矩，這就是轉差頻率控制的基本概念。,2020/5/19,8,,,,,,,,,,2020/5/19,8,5.2轉差頻率控制（SF控制）,5.2.1轉差頻率控制原理轉差頻率與轉矩的關系如圖，在電動機允許的過載轉矩以下，大體可以認為產(chǎn)生的轉矩與轉差頻率成比例。另外，電流隨轉差頻率的增加而單調(diào)增加。所以，如果我們給出的轉差頻率不超過允許過載時的轉差頻率，那么就可以具有限制電流的功能。為控制轉差頻率雖然需要檢測出電動機的速度，但系統(tǒng)的加減速特性和穩(wěn)定性比開環(huán)的U／f控制獲得了提高，過電流的限制效果也變好。,2020/5/19,9,轉差頻率與轉矩的關系,2020/5/19,9,轉差頻率控制的規(guī)律為：,5.2.1轉差頻率控制原理,5.2轉差頻率控制（SF控制）,1）在,的范圍內(nèi)，轉矩,基本上與,成正比，前提條件是氣隙磁通不變。2）在不同的定子電流值時，按圖示,函數(shù)關系控制定子電壓和頻率，就能保持氣隙磁通,恒定。,,2020/5/19,10,5.2.2轉差頻率控制的系統(tǒng)構成,轉差頻率控制系統(tǒng)構成圖說明速度調(diào)節(jié)器采用PI控制，輸入為速度設定信號ω2*和檢測的電機實際速度ω2之間的誤差信號。輸出為轉差頻率設定信號ωs*。變頻器設定頻率即電動機的定子電源頻率ω1*為轉差頻率設定值ωs*與實際轉子轉速ω2的和。當電動機負載運行時，定子頻率設定將會自動補償由負載所產(chǎn)生的轉差，從而保持電動機的速度為設定速度。速度調(diào)節(jié)器的限幅值決定了系統(tǒng)的最大轉差頻率。,2020/5/19,11,異步電動機的轉差頻率控制系統(tǒng)框圖,5.2轉差頻率控制（SF控制）,2020/5/19,11,5.2.2轉差頻率控制的系統(tǒng)構成實際應用工作過程,5.2轉差頻率控制（SF控制）,轉速調(diào)節(jié)器ASR的輸出信號是轉差頻率給定值,與實測轉速信號,相加，即得定子頻率給定信號,即,，由,和定子電流反饋信號,從,函數(shù)中查得,然后用,和,去控制PWM電壓型逆變器。,定子電壓給定信號,2020/5/19,12,5.2.2轉差頻率控制的系統(tǒng)構成,5.2轉差頻率控制（SF控制）,轉差角頻率,與實測轉速信號,相加后得到定子頻率,，是轉差頻率控制系統(tǒng)突出的特點或優(yōu)點。,隨著實際轉速,加、減速平滑而且穩(wěn)定。在動態(tài)過程中轉速調(diào)節(jié)器ASR飽和，系統(tǒng)能用對應于,的限幅轉矩,進行控制，保證了在允許條件下的快速性。,輸入信號,在調(diào)速過程中，實際頻率,同步上升或下降，,2020/5/19,13,轉差頻率控制還不能完全達到直流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的水平，存在差距的原因有以下幾個方面：1)在分析轉差頻率控制規(guī)律時，是從異步電動機穩(wěn)態(tài)等效電路和穩(wěn)態(tài)轉矩公式出發(fā)的，所謂的“保持磁通Φm恒定”的結論也只是在穩(wěn)態(tài)情況下才成立。,2）函數(shù)關系中只抓住了定子電流的幅值，沒有控制到電流的相位，而在動態(tài)中電流的相位也是影響轉矩變化的因素。,3）在頻率控制環(huán)節(jié)中，取，使頻率ω1得以與轉速ω同步升降，這本是轉差頻率控制的優(yōu)點。然而，如果轉速檢測信號不準確或存在干擾，也就會直接給頻率造成誤差，因為所有這些偏差和干擾都以正反饋的形式毫無衰減地傳遞到頻率控制信號上來了。,5.2.2轉差頻率控制的系統(tǒng)構成,2020/5/19,14,轉差頻率控制方式：利用轉差補償來實現(xiàn)閉環(huán)控制從而達到最終控制電磁轉矩的目的的方式。實現(xiàn)方法：根據(jù)速度傳感器的檢測，求出轉差頻率△f，再把它與速度設定值f相疊加，以該疊加值作為逆變器的頻率設定值f1，就實現(xiàn)了轉差補償。與U/f控制方式相比的優(yōu)點：轉差頻率控制的調(diào)速精度大為提高。缺點：采用該方式必須使用速度傳感器求取轉差頻率，同時要針對具體電動機的機械特性去調(diào)整控制參數(shù)，因而這種控制方式的通用性較差。通常，采用轉差頻率控制的調(diào)速裝置都是單機運轉，即一臺變頻器控制一臺電機。,轉差頻率控制變頻器小結,5.2轉差頻率控制（SF控制）,2020/5/19,15,5.3矢量控制(VC控制),2020/5/19,16,2020/5/19,16,5.3.1矢量控制系統(tǒng)的基本思路,,從外部看，輸入為A，B，C三相電壓，輸出是轉速ω一臺異步電動機，從內(nèi)部看，經(jīng)過3/2變換和同步旋轉變換，變成一臺由im和it輸入，由ω輸出的直流電動機。異步電動機經(jīng)過坐標變換可以等效成直流電動機，那么，模仿直流電動機的控制策略，得到直流電動機的控制量，經(jīng)過相應的坐標反變換，就能夠控制異步電動機。由于進行坐標變換的是空間矢量，所以這樣通過坐標變換實現(xiàn)的控制系統(tǒng)就叫作矢量控制系統(tǒng)，簡稱VC系統(tǒng)。,異步電動機的坐標變換結構圖,5.3矢量控制(VC控制),2020/5/19,17,2020/5/19,17,5.3.1矢量控制系統(tǒng)的基本思路,,3/2——三相/兩相變換;VR——同步旋轉變換;?——M軸與?軸（A軸）的夾角,異步電動機的坐標變換結構圖,5.3.2直流電動機與異步電動機調(diào)速上的差異1．直流電動機的調(diào)速特征直流電動機具有兩套繞組，即勵磁繞組和電樞繞組，它們的磁場在空間上互差π/2電角度，兩套繞組在電路上是互相獨立的。2．異步電動機的調(diào)速特征異步電動機也有定子繞組和轉子繞組，但只有定子繞組和外部電源相接，定子電流I1是從電源吸取電流，轉子電流I2是通過電磁感應產(chǎn)生的感應電流。因此異步電動機的定子電流應包括兩個分量，即勵磁分量和負載分量。勵磁分量用于建立磁場；負載分量用于平衡轉子電流磁場。,2020/5/19,18,2020/5/19,18,5.3矢量控制(VC控制),5.3.3矢量控制中的等效變換,2020/5/19,19,2020/5/19,19,5.3矢量控制(VC控制),a)三相電流繞組b)兩相交流繞組c)旋轉的直流繞組異步電動機的幾種等效模型,三相靜止坐標系A，B，C和兩相靜止坐標系α和β之間可進行變換，稱為3s/2s變換，變換的原則是保持變換前后的功率不變。,5.3.3矢量控制中的等效變換,2020/5/19,20,2020/5/19,20,5.3矢量控制(VC控制),a)三相電流繞組b)兩相交流繞組c)旋轉的直流繞組異步電動機的幾種等效模型,交流電動機為三相對稱的靜止繞組，通以三相平衡的正弦電流后，將產(chǎn)生旋轉磁動勢F，在空間呈正弦分布，以同步轉速ω1（即電流的角頻率）旋轉，如圖a。,5.3.3矢量控制中的等效變換,2020/5/19,21,2020/5/19,21,5.3矢量控制(VC控制),a)三相電流繞組b)兩相交流繞組c)旋轉的直流繞組異步電動機的幾種等效模型,任意對稱的多相繞組，通入平衡的多相電流，都能產(chǎn)生旋轉磁動勢，以兩相最為簡單。如圖b中繪出了兩相靜止繞組a和b，空間互差90，通入時間上互差90的兩相平衡交流電流，也能產(chǎn)生旋轉磁動勢F。如單相交流電機。,5.3.3矢量控制中的等效變換,2020/5/19,22,2020/5/19,22,5.3矢量控制(VC控制),a)三相電流繞組b)兩相交流繞組c)旋轉的直流繞組異步電動機的幾種等效模型,當圖a和b的兩個旋轉磁動勢大小和轉速都相等時，即認為圖b的兩相繞組與圖a的三相繞組等效。,5.3.3矢量控制中的等效變換,5.3矢量控制(VC控制),圖c的兩個匝數(shù)相等且互相垂直的繞組T和M，分別通以直流電流iT和iM，產(chǎn)生合成磁動勢F，其位置相對于繞組是固定的。如果讓包含這兩個繞組在內(nèi)的整個鐵心以同步轉速旋轉，則磁動勢F自然也隨之旋轉起來，成為旋轉磁動勢。,旋轉的直流繞組與等效直流電機模型,5.3.3矢量控制中的等效變換,5.3矢量控制(VC控制),把這個旋轉磁動勢的大小和轉速也控制成與圖a和圖b中的磁動勢一樣，那么這套旋轉的直流繞組也就和前面兩套固定的交流繞組都等效。當觀察者也站到鐵心上和繞組一起旋轉時，在他看來，T和M是兩個通以直流而相互垂直的靜止繞組。,旋轉的直流繞組與等效直流電機模型,5.3.3矢量控制中的等效變換,5.3矢量控制(VC控制),如果控制磁通的位置在d軸上，就和直流電機物理模型沒有本質上的區(qū)別了。這時，繞組T相當于勵磁繞組，M相當于偽靜止的電樞繞組。,旋轉的直流繞組與等效直流電機模型,5.3.3矢量控制中的等效變換,2020/5/19,26,2020/5/19,26,5.3矢量控制(VC控制),a)三相電流繞組b)兩相交流繞組c)旋轉的直流繞組異步電動機的幾種等效模型,由此可見，以產(chǎn)生同樣的旋轉磁動勢為準則，圖a的三相交流繞組、圖b的兩相交流繞組和圖c中整體旋轉的直流繞組彼此等效?；蛘哒f，在三相坐標系下的iA、iB、iC，在兩相坐標系下的i?、i?和在旋轉兩相坐標系下的直流it、im是等效的，它們能產(chǎn)生相同的旋轉磁動勢。,5.3.3矢量控制中的等效變換,2020/5/19,27,2020/5/19,27,5.3矢量控制(VC控制),有意思的是：就圖c的T、M兩個繞組而言，當觀察者站在地面看上去，它們是與三相交流繞組等效的旋轉直流繞組；如果跳到旋轉著的鐵心上看，它們就的的確確是一個直流電機模型了。這樣，通過坐標系的變換，可以找到與交流三相繞組等效的直流電機模型。,現(xiàn)在的問題是，如何求出iA、iB、iC與i?、i?和it、im之間準確的等效關系，這就是坐標變換的任務。,1.三相--兩相變換（3/2變換）,先考慮上述的第一種坐標變換——在三相靜止繞組A、B、C和兩相靜止繞組?、?之間的變換，或稱三相靜止坐標系和兩相靜止坐標系間的變換，簡稱3/2變換。,三相和兩相坐標系與繞組磁動勢的空間矢量,1.三相--兩相變換（3/2變換）,三相和兩相坐標系與繞組磁動勢的空間矢量,圖中繪出了A、B、C和?、?兩個坐標系，為方便起見，取A軸和?軸重合。設三相繞組每相有效匝數(shù)為N3，兩相繞組每相有效匝數(shù)為N2，各相磁動勢為有效匝數(shù)與電流的乘積，其空間矢量均位于有關相的坐標軸上。由于交流磁動勢的大小隨時間在變化著，圖中磁動勢矢量的長度是隨意的。,設磁動勢波形是正弦分布的，當三相總磁動勢與二相總磁動勢相等時，兩套繞組瞬時磁動勢在?、?軸上的投影都應相等，,,,1.三相--兩相變換（3/2變換）,,,1.三相--兩相變換（3/2變換）,寫成矩陣形式，得,（1）,考慮變換前后總功率不變，在此前提下，可以證明匝數(shù)比應為,（2）,,,1.三相--兩相變換（3/2變換）,代入式（1），得,（3）,,,1.三相--兩相變換（3/2變換）,令C3/2表示從三相坐標系變換到兩相坐標系的變換矩陣，則,（4）（5）,5.3.4直角坐標／極坐標變換,在矢量控制系統(tǒng)中，有時需將直角坐標變換為極坐標，用矢量幅值和相位夾角表示矢量。矢量i1和M軸的夾角為θ1，若由已知的im、iy來求i1和θ1，則必須進行K／P變換，其關系公式為,2020/5/19,34,2020/5/19,34,5.3矢量控制(VC控制),,兩相靜止坐標系變換到兩相旋轉坐標系磁動勢等效,5.3.5變頻器矢量控制的基本思想,1．矢量控制的基本理念,2020/5/19,35,矢量控制的示意圖,2020/5/19,35,5.3矢量控制(VC控制),,2020/5/19,36,,異步電動機矢量變換與電流解耦數(shù)學模型,5.3.5變頻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),,2020/5/19,37,,矢量控制系統(tǒng)原理結構圖,5.3.5變頻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．矢量控制中的反饋,2020/5/19,38,2020/5/19,38,5.3矢量控制(VC控制),電流反饋用于反映負載的狀態(tài)，使iT*能隨負載而變化。速度反饋反映出拖動系統(tǒng)的實際轉速和給定值之間的差異，從而以最快的速度進行校正，提高了系統(tǒng)的動態(tài)性能。速度反饋的反饋信號可由脈沖編碼器PG測得?，F(xiàn)代的變頻器又推廣使用了無速度傳感器矢量控制技術，它的速度反饋信號不是來自速度傳感器，而是通過CPU對電動機的各種參數(shù)，如I1、r2等經(jīng)過計算得到的一個轉速的實在值，由這個計算出的轉速實在值和給定值之間的差異來調(diào)整iM*和iT*，改變變頻器的輸出頻率和電壓。,5.3.6使用矢量控制的要求,選擇矢量控制模式，對變頻器和電動機有如下要求：1)一臺變頻器只能帶一臺電動機。2)電動機的極數(shù)要按說明書的要求，一般以4極電動機為最佳。3)電動機容量與變頻器的容量相當，最多差一個等級。4)變頻器與電動機間的連接線不能過長，一般應在30m以內(nèi)。如果超過30m，需要在連接好電纜后，進行離線自動調(diào)整，以重新測定電動機的相關參數(shù)。,2020/5/19,39,2020/5/19,39,5.3矢量控制(VC控制),5.3.7矢量控制系統(tǒng)的優(yōu)點和應用范圍,1.矢量控制系統(tǒng)的優(yōu)點1）動態(tài)的高速響應2）低頻轉矩增大3）控制靈活2.矢量控制系統(tǒng)的應用范圍1）要求高速響應的工作機械2）適應惡劣的工作環(huán)境3）高精度的電力拖動4）四象限運轉,2020/5/19,40,2020/5/19,40,5.3矢量控制(VC控制),5.4直接轉矩控制,5.4.1直接轉矩控制系統(tǒng)直接轉矩控制系統(tǒng)是繼矢量控制之后發(fā)展起來的另一種高性能的交流變頻調(diào)速系統(tǒng)。直接轉矩控制把轉矩直接作為控制量來控制。直接轉矩控制是直接在定子坐標系下分析交流電動機的模型，控制電動機的磁鏈和轉矩。它不需要將交流電動機化成等效直流電動機，因而省去了矢量旋轉變換中的許多復雜計算，它不需要模仿直流電動機的控制，也不需要為解耦而簡化交流電動機的數(shù)學模型。,2020/5/19,41,2020/5/19,41,5.4.2直接轉矩控制的優(yōu)勢,轉矩控制是控制定子磁鏈，在本質上并不需要轉速信息；控制上對除定子電阻外的所有電動機參數(shù)變化魯棒性好；所引入的定子磁鏈觀測器能很容易地估算出同步速度信息。因而能方便地實現(xiàn)無速度傳感器化。這種控制也稱為無速度傳感器直接轉矩控制。然而，這種控制要依賴于精確的電動機數(shù)學模型和對電動機參數(shù)的自動識別(ID)。,2020/5/19,42,2020/5/19,42,5.5單片機控制,5.5.1概述隨著微電子工藝水平的提高，微型計算機的性能價格比顯著提高，全數(shù)字化變頻調(diào)速系統(tǒng)大都是以高性能單片機和數(shù)字信號處理器(DSP)等為控制核心來構成整個系統(tǒng)。專用于電機控制的單片機的出現(xiàn)，使得系統(tǒng)的體積減小，可靠性大大提高。它們大部分是在16位單片機或DSP的基礎上增加部分特殊的控制功能構成專用的集成電路，如87C196MC。,2020/5/19,43,2020/5/19,43,5.5.280C196MC微機控制系統(tǒng),80C196MC控制變頻調(diào)速系統(tǒng)原理框圖,2020/5/19,44,2020/5/19,44,5.5.380C196MC微機控制系統(tǒng)硬件配置,80C196MC微機控制系統(tǒng)的硬件配置原理圖,2020/5/19,45,2020/5/19,45,5.5.4微機控制系統(tǒng)軟件設計,系統(tǒng)程序流程圖,2020/5/19,46,2020/5/19,46,本章小結,變頻器的控制方式有：U／f控制、轉差頻率控制、矢量控制、直接轉矩控制和單片機控制等。U／f控制是使變頻器的輸出在改變頻率的同時也改變電壓，通常是使U／f為常數(shù)，這樣可使電動機磁通保持一定，在較寬的調(diào)速范圍內(nèi)，電動機的轉矩、效率、功率因數(shù)不下降。轉差頻率控制就是檢測出電動機的轉速，構成速度閉環(huán)，速度調(diào)節(jié)器的輸出為轉差頻率，通過控制轉差頻率來控制轉矩和電流，使速度的靜態(tài)誤差變小。,2020/5/19,47,2020/5/19,47,本章小結,矢量控制是通過控制變頻器輸出電流的大小、頻率及相位，用以維持電動機內(nèi)部的磁通為設定值，產(chǎn)生所需的轉矩。是一種高性能的異步電動機控制方式。直接轉矩控制是直接分析電動機的模型，控制電動機的磁鏈和轉矩?，F(xiàn)在的變頻器基本上都是以高性能單片機和數(shù)字信號處理器(DSP)等為控制核心構成的系統(tǒng)。專用于變頻器控制的單片機的出現(xiàn)，使得系統(tǒng)的體積減小，功能及可靠性大大提高。,2020/5/19,48,2020/5/19,48,