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1、1第五章 变频调速系统的控制 5.1 变频调速的主要技术指标 5.2 开环控制 5.3 闭环控制 5.4 数字控制25.1 变频调速的主要技术指标一、概述 1、变频调速系统由于其突出的调速性能在电气传动调速领域获得了广泛的应用，为保证在实际运行过程中转速、转矩达到给定值要求并具有良好的动稳态性能，需要采用适当的控制系统和控制策略 2、变频调速控制系统通常按是否存在反馈回路分为开环控制和闭环控制 3、开环控制易于实现，机械特性较硬、调速较平滑、调速范围宽，适合于对调速精度和转矩控制要求不高的负载如风机、水泵等，直接采用速度开环控制即可满足要求。若要求较高则需要采用闭环负反馈控制3一、概述 4、在
2、闭环控制中如果仅仅采用简单的速度负反馈控制，只能保证一定的调速精度，不能控制转矩，无法保证良好的动态调速性能，当系统急剧加减速时电动机容易滑入不稳定区，造成电动机不稳定甚至停止工作。因此需要采用较复杂的闭环反馈控制技术如转差频率控制、矢量控制及直接转矩控制 5、20世纪90年代以来随着大规模集成电路和计算机技术在变频调速领域中应用，控制系统开始向全数字控制、智能控制方向发展，进一步保证了系统的调速性能 6、为了衡量变频调速控制系统的控制质量，需要建立系统的技术评价体系和指标，为评价系统的调速性能提供一个统一的衡量标准5.1变频调速的主要技术指标4二、主要技术指标评价系统调速性能的技术指标可分为
3、静态指标和动态指标 1、静态性能指标（1）调速范围D（a）定义：指电动机在额定负载运行时最高转速nmax与最低转速nmin之比，即D= nmax / nmin（b）不同的生产机械对调速范围要求不同例：车床调速范围：20120，钻床：212，铣床：2030（c）一般情况下电气调速范围要大于机械调速范围，对于一般的变频器，其最低工作频率可达到0.5Hz，即在额定频率（f1e=50Hz）以下调速时调速范围D= 50/0.5=1005.1变频调速的主要技术指标51、静态性能指标（2）静差率S（a）定义：指电动机运行于某一机械特性曲线上，在额定负载下转速降n与同步转速n0之比，即S=n / n0（b）反
4、映了调速后电动机机械特性的硬度（c）不同的机械设备对S值的要求不同例：普通卧式车床：S0.3，高精度车床：S0.001（3）调速平滑性K（a）定义：电动机在一定转矩下相邻两级转速之比，即：K=ni/ni-1=ni+1/ni（b）K值越小(k1时)，相邻两档转速差越小，调速平滑性越好； (k1时) K值越大，调速平滑性越好。无极调速时K=1。5.1变频调速的主要技术指标 二、主要技术指标62、动态性能指标（1）最大超调量（a）定义：在阶跃信号作用下系统转速输出超出稳态的最大偏移量nmax-n(s)与稳态转速输出量n(s)之比的百分值，即：=nmax-n(s)/ n(s) 100%（b）反映了系统
5、稳定性，取值越小动态响应越平稳（2）过渡过程时间ts（a）定义：指系统阶跃响应进入稳态值得5%范围，并不再超出该范围所需的时间（b）反映了系统响应的快速性5.1变频调速的主要技术指标 二、主要技术指标75.2 开环控制一、基本原理及特点1、开环控制通常采用恒压频比（U/f）调速方式进行控制，在变频调速过程中使变频器输出变压变频的交流电源并保持电动机气隙磁通量为额定值不变，从而在较宽的调速范围内保持电动机的转矩、效率、功率因数近似不变2、采用恒U/f方式的开环控制特点是控制电路简单，多用于通用变频器，性价比高，可配接通用标准异步电动机，但未采用速度反馈测量电动机实际转速，转速控制精度较差，在低频
6、低转速时易产生转矩不足情况，在以节能为目的和对速度精度要求不太高的各种场合得到广泛应用8二、开环控制的实现 1、电压型转速开环控制变频调速系统结构5.2开环控制91、电压型转速开环控制变频调速系统结构（1）主电路包括不可控整流电路、直流降压斩波电路、电压型逆变电路（2）控制电路采用开环速度控制，包括：（a）给定积分器（b）电压调节器（c）振荡器（d）斩波调压基极控制电路（e）环形分配器（f）逆变基极控制电路（g）过电压检测电路、过电流检测电路5.2开环控制 二、开环控制的实现102、系统工作过程（1）速度给定信号经给定积分器1将阶跃信号变为随时间变化的指令，以限制起动和制动电流（2）该指令一方
7、面经斩波调压基极控制电路4控制降压斩波电路，使之输出与逆变电路输出频率成正比的电压，以保 证调速时的恒U/f运行5.2开环控制 二、开环控制的实现112、系统工作过程（3）该指令另一方面将U/f经振荡器3变成相应脉冲，并经环 形分配器5进行分频，通过逆变基极控制电路6将驱动信号加到逆变电路开关器件控制端（4）过电压检测电路、过电流检测电路用于实现对系统的过压、过流保护，如果发生过压、过流，通过逆变基极控 制电路6停止输出驱动信号5.2开环控制 二、开环控制的实现125.3 闭环控制一、转差频率控制 1、基本概念（1）转差频率是指施加于电动机定子绕组的交流电压频率f1（也即旋转磁场的转角频率）与
8、电动机转子转速换算成电气转角频率 fr之间的差值，称为转差频率（2）转差频率控制是在恒U/f方式基础上保持电动机气隙磁通量不变的前提下，通过速度反馈，加上与转矩、电流有直接关系的转差频 率闭环控制环节，通过控制转差频率f2=f1-fr来控制异步电动机转矩和电流132、控制原理 （1）由电机学可知，异步电动机转矩公式为：式中：M：转矩， ：磁通，f2：转差频率，f2=sf1r2/、L2/：分别为转子折算电阻及漏感 （2）由转矩公式可知，当保持一定，电动机转矩只取决于 f2，通过检测出电动机转速并与设定转速比较，经速度调 节器输出转差频率，并与测量转速对应频率叠加作为变频 器的给定输出频率，从而用
9、转差频率构成闭环负反馈控制 系统，控制转差频率即可控制转矩和电流，从而实现恒转 矩调速 （3）通过设置临界转差频率限制，可控制转矩不致超过最大 转矩而陷于不稳定，在整个调速范围实现恒最大M方式5.3闭环控制 一、转差频率控制143、转差频率控制的实现（1）电压型转差频率控制系统（a）系统结构如图：（b）工作过程 测速发电机检测转子转速并换算为频率fr作为反馈量与转速给定值fg比较得转差频率f2，经PI调节器、限幅器后与fr相加，可得变频器的给定输出频率f1，即要加在电动机定子的电源频率。限幅器用于控制转矩不会超过最大值5.3闭环控制 一、转差频率控制153、转差频率控制的实现（1）电压型转差频
10、率控制系统（b）工作过程 要实现转差频率 控制，还必须保持 磁通不变，即U1/f1 为恒值，频率f1经函数发生器产生 与f1成比例变化的 定子电压U1， U1和f1同时加到逆变驱动电路，通过变频器输 出VVVF交流电源驱动电动机。利用PI调节规律可使电动机以最大恒转矩输出转速保持在给定转速上，获得较高的 调速精度5.3闭环控制 一、转差频率控制163、转差频率控制的实现（2）电流型转差频率控制系统（a）基本原理 由电机学可知，电动机转矩公式又可写成以下形式：式中：KM：常数，：主磁通， (U1e)/(f1e)：转差角频率，=s1，相当于f2L：定子及转子折算后的总电感，r2/：转子电阻折算值
11、由上式可知，当保持磁通一定，则电动机转矩与有确定的关系，当限制转差角频率为某一数值时即可限制电动机在某一转矩极值下起动、制动及调速等状态下运行5.3闭环控制 一、转差频率控制173、转差频率控制的实现（2）电流型转差频率控制系统（b）系统结构如图，该系统包括电流内环回路和速度外环回路5.3闭环控制 一、转差频率控制183、转差频率控制的实现（2）电流型转差频率控制系统（c）工作过程 利用转差调节器来调节给定角频率2*与电动机转子实际频率2之差并保持在给定值上，使系统具有良好的动态特性5.3闭环控制 一、转差频率控制193、转差频率控制的实现（2）电流型转差频率控制系统（c）工作过程 为保持磁通
12、不变，也即励磁电流不变，则由异步电动机等效电路确定的定子电流与励磁电流之间的关系，在电流环前面设有一个电流指令运算器（函数发生器）， 可根据不同值调节定子电流大小5.3闭环控制 一、转差频率控制203、转差频率控制的实现（2）电流型转差频率控制系统（c）工作过程 极性鉴别器用作正反转控制用 易于实现正反转及再生制动，具有良好的动态性能，适合于要求快速和高精度的传动系统5.3闭环控制 一、转差频率控制214、转差频率控制的特点 （1）在转差频率控制中设置了速度测量装置构成闭环反馈 ，与采用开环控制的恒U/f方式相比，系统加减速特性和 限制过电流能力提高，改善了系统的动静态性能 （2）由于需要在电
13、动机上安装速度传感器，只能用于单电 动机运转，即一台变频器只能控制一台电动机，且需要根 据电动机的特性调节转差，通常多用于厂家指定的专用电 动机，通用性较差 （3）电动机参数及反馈量不易得到精确数值，会影响调速 效果 （4）由于采用这种控制方式的变频器控制性能不如矢量控 制变频器，而且二者在硬件电路复杂程度上相差不大，目 前采用转差频率控制方式变频器已基本上被矢量控制变频 器所取代5.3闭环控制 一、转差频率控制22二、矢量控制 1、概述 （1）矢量控制技术自20世纪60年代提出以来，直到近十多年才得到普遍重视，技术日益成熟，并已成功的应用到变 频调速控制系统，取得了很好的调速性能，大多数通用
14、变 频器均采用了矢量控制技术 （2）矢量控制是通过控制变频器输出电流的大小、频率及相位，维持电动机内部的磁通为设定值，产生所需转矩， 从而控制转速。它是从直流电动机的调速方法得到启示， 利用现代计算机技术解决了大量计算问题，通过模拟直流 电动机的调速方法从而使得矢量控制方式得到实施，它使 变频器可以根据负载情况实时改变输出频率和电压，因此 其有效转矩总可以满足负载需求，从而成为高性能的异步 电动机控制方式5.3闭环控制232、直流电动机和异步电动机调速特征（1）直流电动机调速特征（a）直流电动机包括励磁绕组和电枢绕组两套绕组，两套绕组在电路上相互独立（b）励磁绕组通入励磁电流IF时产生主磁场，其主磁通为M，电枢绕组流过电枢电流IA产生电枢磁场，其磁通为A，两磁场在空间上互差/2电角度（c）直流电动机电磁转矩公式为：M=CMM IA5.3闭环控制
