变频调速开环vf控制系统参数的设置与应用

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1、课程设计三相异步电动机（15KW电机）变频调 速开环V/F控制系统参数的设置与应 用（616G5）学 校:XXXX大学院系: 机电工程学院专业: 电气工程及其自动化指导老师:XXX姓名:XXX学 号:0805107XX设计要求学生应熟悉各种电气设备，电动机，变频器，传感器，PID调节器等。 要求完成资料收集工作、提出设计方案并完成全部设计工作。在设计工作中， 对所提供的各部分图纸应符合制图标准，并要求所有电气工程符号应采用国家统 一标准。一 交流调速系统概述二 变频调速系统概述三 电机选择及参数四安川变频器（616g5）特点与优势五 三相异步电动机（5.5KW）变频调速开环V/F控制系统（61

2、6g5）参数设定六 结束语参考文献交流调速系统概述1.1 交流调速系统的特点对于可调速的电力拖动系统，工程上往往把它分为直流调速系统和交流调速 系统两类。这主要是根据采用什么电流制型式的电动机来进行电能与机械能的转 换而划分的，所谓交流调速系统，就是以交流电动机作为电能机械能的转换装 置，并对其进行控制以产生所需要的转速。纵观电力拖动的发展过程，交、直流两大调速系统一直并存于各个工业领域， 虽然由于各个时期科学技术的发展使得它们所处的地位有所不同，但它们始终是 随着工业技术的发展，特别是随着电力电子元器件的发展而在相互竞争。在过去 很长一段时期，由于直流电动机的优良调速性能，在可逆、可调速与高

3、精度、宽 调速范围的电力拖动技术领域中，几乎都是采用直流调速系统。然而由于直流电 动机其有机械式换向器这一致命的弱点，致使直流电动机制造成本高、价格昂贵、 维护麻烦、使用环境受到限制，其自身结构也约束了单台电机的转速，功率上限， 从而给直流传动的应用带来了一系列的限制。相对于直流电动机来说，交流电动 机特别是鼠笼式异步电动机具有结构简单，制造成本低，坚固耐用，运行可靠， 维护方便，惯性小，动态响应好，以及易于向高压、高速和大功率方向发展等优 点。因此，近几十年以来，不少国家都在致力于交流调速系统的研究，用没有换 向器的交流电动机实现调速来取代直流电动机，突破它的限制。随着电力电子器件，大规模集

4、成电路和计算机控制技术的迅速发展，以及现 代控制理论向交流电气传动领域的渗透，为交流调速系统的开发研究进一步创造 了有利的条件。诸如交流电动机的串级调速、各种类型的变频调速，特别是矢量 控制技术的应用，使得交流调速系统逐步具备了宽的调速范围、较高的稳速精度、 快速的动态响应以及在四象限作可逆运行等良好的技术性能。现在从数百瓦的伺 服系统到数百千瓦的特大功率高速传动系统，从一般要求的小范围调速传动到高 精度、快响应、大范围的调速传动，从单机传动到多机协调运转，已几乎都可采 用交流调速传动。交流调速传动的客观发展趋势已表明，它完全可以和直流传动 相媲美、相抗衡，并有取代的趋势。1.2 变流调速系统

5、的发展趋势近十几年来，随着现代控制理论、新型大功率电力电子器件、新型变频技术以 及微型计算机数字控制技术等在实际应用中相继取得了重大进展，使得交流调速 技术有了很大发展。今后的交流调速技术将在以下几个方面得到进一步的发展。（1）交流调速系统的高性能化交流电动机是个多变量、强耦合、非线性被控对象，仅用电压/频率（V/f） 恒定控制，不能满足对调速系统的要求。今后的产品将普遍采用矢量控制技术， 提高调速性能，达到和超过直流调速水平。矢量变换控制是一种新的控制理论和控制技术，它的想法是设法摸拟直流 电动机的控制特点来进行交流电动机的控制。调速的关键问题是转矩控制问题， 直流电动机调速性能好的根本原因

6、就在于它的转矩控制容易，而交流电动机的转 矩则难于控制。为使交流电动机得到和直流电动机一样的控制性能，必须通过电 机统一理论和坐标变换理论，把交流电动机的定子电流分解成磁场定向坐标的磁 场电流分量和与之相垂直的坐标转矩电流分量，把固定坐标系变换为旋转坐标系 解耦后，交流量的控制变为直流量的控制便等同于直流电动机。即如果在调速过 程中始终维持定子电流的磁场电流分量不变，而控制转矩电流分量，它就相当于 直流电机中维持励磁不变，而通过控制电枢电流来控制电机的转矩一样，能使系 统具有较好的动态特性。矢量控制方法的提出使交流传动系统的动态特性得到了显著的改善，这无 疑是交流传动控制理论上一个质的飞跃。但

7、是经典的矢量控制方法比较复杂，它 要进行坐标变换，且需精确测算出转子磁链的大小和方向，比较麻烦，且其精度 受转子参数变化的影响很大。近年来又出现了一种对交流电动机实现直接转矩控 制的新方法，它避开了矢量控制中的两次坐标变换及求矢量的模与相角的复杂计 算工作量，而直接在定子坐标系上计算电动机的转矩与磁通，通过转矩的砰砰控 制，使转矩响应时间控制在一拍以内，且无超调，控制性能比矢量控制还好。此 法虽尚未形成商品化的产品，但却是很有发展前景的一种新的控制原理。交流电 动机调速控制理论，从 V/f 恒定控制法到矢量控制法是一个飞跃，从矢量控制法 到直接转矩控制法将是第二个飞跃。（2）全控型大功率新型电

8、力器件 交流电动机调速技术的发展是和电力电子技术的发展分不开的， 50 年代世 界上出现了电力半导体器件的晶闸管，为交流电动机调速技术的发展开辟了道 路。但是作为第一代电力半导体器件的晶闸管没有自关断能力，需要利用电源或 负载的外界条件来实现换相，因此用晶闸管来实现的交直交变频装置的核心 的逆变器，必须配以大功率的强迫换相线路才能实现可靠的逆变。所以，人们一 直在致力于研制出一种大功率，正反间均可用较小的功率进行导通与关断控制的 全控型器件，以便用较简单的手段即可实现复杂的逆变工作。经过 10 年左右的 研制，场效应晶体管（MOSFET）,巨型晶体管（GTR）及门极关断（GTO） 晶闸管等全控

9、型器件问世，并在实际应用中取得了理想效果。从半控型器件向全 控型器件的过渡标志着变频装置进入了可以与直流调速装置在性能 /价格比上相 比美，这是交流调速技术产生飞跃的又一个重要的突破。目前，全控型电力电子器件正沿着大电流、高电压、快通断、低损耗、易 触发、好保护、小体积、集成化等方向继续发展，又出现了绝缘门极双极晶体管 （IGBT）和绝缘栅门极关断（IGTO）晶体管等，即具有电压型控制、输入阻抗 大、驱动功率小、控制电路简单、开关损耗小、通断速度快、工作频率高、器件 容量大及热稳定性好的特点，又具有通态电压低、耐压高和承受电流大等优点。 这类器件是 90 年代变频装置的主流。电力电子器件发展的

10、更进一步的目标将是 把控制、触发、保护等功能再集成化进来，从而形成电力电子与微电子技术相结 合的产物，构成最新一代的功率集成器件（PIC）。它将为最新一代高可靠、小 型化、电机与电控装置可能合而为一的未来型交流电动机调速系统提供新的发展 基础。（ 3 ）脉宽调制技术在交流电动机的调速过程中，通常要求调频和调压同时进行，早期调压多 用相控技术，用相控方式生成的变频电压电源含有大量的谐波分量，功率因数低， 动态响应慢，线路复杂，无法满足高性能调速系统的要求。近年在广泛采用自关 断元器件的情况下，逆变器普遍采用了脉宽调制技术，成功地解决了电源侧功率 因数低的问题，同时也减少了谐波分量对电网的影响。为

11、了限制开关损耗，脉宽 调制的频率通常选在 3001000Hz 左右，但这个频率正好在人耳的敏感区，所 以电机运行时的噪声是一个新问题。为解决这个问题现在有几种不同的发展趋 势。一种是采用新型的谐振式逆变器，可以把开关频率提高到 20KHz 以上的超 声区，从而清除噪声；另一种是在现有的元器件基础上，优选调制策略，降低脉 宽调制的频率至人耳不敏感区，从而降低噪声。总之，研究开关损耗小，功率因 数高，谐波分量小，噪声低，运转平稳的逆变器是今后发展的方向。脉宽调制技 术的发展与应用使变频装置性能优化，可以适用于各类交流电动机，为交流调速 的普及创造了条件。（ 4 ）数字技术的应用随着计算机技术突飞猛

12、进的发展， 16 位乃至 32 位微处理机的应用越来越 普及，且由于微处理机的运算速度提高、价格下降等新因素的出现，在电气传动 中控制系统硬件由模拟技术转向数字技术，全部采用数字控制，充分发挥微机控 制的综合优点。数字调速技术不仅使传动系统获得高精度、高可靠性、还为新的 控制理论与方法提供了物质基础。微型计算机在性能、速度、价格、体积等方面 的不断发展与交流电动机调速理论的现实化提供了最重要的保证。从发展趋势看，交流数字调速有以下两个发展方向：一是采用专用的硬件、 大规模集成电路（IC）；专用硬件可以降低设备的投资，提高装置的可靠性。研 制交流调速系统专用的 IC 芯片，可使控制系统硬件小型化

13、、简单化。二是采用 通用计算机硬件、软件模块化，可编程化，通用硬件可编程序控制，应用范围广， 但价高造。从国际上采用数字调速的情况来看，前者一般多用于中小容量的标准 系列产品，后者多用于大型工程大容量的传动系统。二 变频调速系统2.1变频控制起动变频调速技术是随交流电机无级调速的需要而诞生的。 20 世纪 60 年代后半 期开始，电力电子器件从SCR（晶闸管）、GTO（门极可关断晶闸管）、BJT（双极型功 率晶体管）、MOSFET（金属氧化物半导体场效应管）、SIT（静电感应晶体管）、 SITH（静电感应晶闸管）、MCT（MOS控制晶体管）、MCT（MOS控制晶闸管）发展 到今天的IGBT（绝

14、缘栅双极型晶体管）、HVIGBT（耐高压绝缘栅双极型晶闸管）, 器件更新促使电力变换技术的不断发展。从 20 世纪 70 年代开始,脉宽调制变压 变频（PWM-VVVF）调速研究引起了人们的高度重视，到20世纪80年代作为变频 技术核心的 PWM 模式优化问题吸引着人们的浓厚兴趣,并得出诸多优化模式,其 中以鞍形波 PWM 模式效果最佳。自上世纪 80 年代后半期始，美、日、德、英等 发达国家的VVVF变频器开始投入市场并得到广泛应用。2. 2 变频调速四种控制方案的分析根据作业方式的不同和电机种类、变频器型式的不同 ，就有各种变频调速控制方 案。这里仅讨论交-直-交（AC-DC-AC）变频器

15、。 开环控制的通用变频器三相异步电机变频调速系统。控制框图如图1所示。图 1 开环异步电机变频调速（VVVF-通用变频器M-异步电机）该控制方案结构简单，可靠性高。由于是开环控制方式，其调速精度和动态响 应特性不十分理想，尤其在低速区域电压调整比较困难，不可能得到较大调速范围 和较高调速精度。异步电机存在转差率，转速随负荷力矩变化而变异，故采用这种 V/F 控制的通用变频器异步电机开环变频调速方法，仅适用于要求不高的场合（例 如风机、水泵等）。 无速度传感器的矢量控制变频器异步电机变频调速系统。控制框图如图2所 示。对比图 1 和图 2 控制框图，两者的差别仅在使用的变频器不同。使用无速度 传

16、感器矢量控制的变频器，可以分别对异步电机的磁通和转矩电流进行检测、控 制，自动改变电压和频率，使指令值和检测实际值达到一致，从而实现矢量控制。虽 说是开环控制系统，但却大大提升了静态精度和动态品质，转速精度偏差在 0. 5% 左右、转速响应较快。图2矢量控制变频器的异步电机变频调速（VVVF-矢量变频器）对作业要求不十分高的情形，采用矢量变频器无传感器开环异步电机变频调 速是非常合适的,可实现控制方式简单、可靠性高的效果。 带速度传感器矢量控制变频器的异步电机闭环变频调速系统。控制框图如图3 所示。 |vvvfPkW-(m=Qpg役d 丿乂 Mv图3异步电机闭环控制变频调速;PG-速度脉冲发生器）矢量控制异步电机闭环变频调速是一种理想的控制方式。它具有许多优点: a）从零转速进行速度控制，即甚低速亦能运行，因此调速范围很宽广，