交流变频调速技术课件

交流变频调速技术交流变频调速技术 交流变频调速技术 第3章 变频调速原理 3-1变频调速的基本原理 一.变频调速系统的控制方式 1.在基频以下调速 两个依据：由转速公式的n n0=60f/2p 可知，调f(频率）可以调速；由实现直流调速的机械特性要求平行的直线，即转差率S恒定且很小；结论：变频调速是理想的交流调速方式。如何保持电磁转矩？（硬特性要求）：由旋转磁场在定子绕组产生的电动势：E1=4.44KN1f1N1m 可知，E1和两个变量f1、m 有关。要保持m 不变，即E1/f1（压频比）=常量 改变f有两种结果：若ffN 则m Tem;若ffN 则 m 磁路饱和，If 励磁绕组过热；因此m=N（额定磁通）第3章 变频调速原理 3-1变频调速的基本原理 一.变频以上这种控制属于硬特性的恒转矩控制。以上这种控制属于硬特性的恒转矩控制。而E1怎么能控制呢？由基尔霍夫电压定律可知：U1E1+U(忽略损耗时）UI1XL=I12f1L 对 U1E1+U两边同除f1 得：U/f1E1/f1+I12L 因为U1/f1与E1/f1仅差一个常量，所以控制U1/f1即可控制了E1/f1 1 n0 nk TS T K K N0 S n T 0 nk1 TS1 变频调速（类似直流）的机械特性 唯一与直流电机区别的是，转子功率产生于定子旋转磁场的感生，（直流机是外供电源给电枢）因此低转速段频率下降太多使转矩下降快，“低转软特性”由于 U/f1不能保证 E1/f1=常量，采取“低频补偿”即随 U/f1 控制U1/f1也增加，特性如图红粗体。2.在基频以上调速 如果要把f1 1调到基频以上，显然不能保持E1/f1=常量了，因为U1不可能大于额定电压。其结果U1=UN N,m m 出现新的U0,弱磁升速的恒功率控制，特性要软了。n 2-n0 1-n0 n0 0 Tem n 直流电动机弱磁升速的机械特性 以上这种控制属于硬特性的恒转矩控制。而E1怎么能控制呢？由n二二.PWM控制技术控制技术 1.交-直-交逆变原理 怎样得到三相电压和频率可调的交流电？这里只讲交-直-交 整流-逆变 目前普遍应用PWM间接变频电路，先以单相电路分析：z1 u w T1 T3 T4 T6 负载 a b o T1 T3 T2 T4 Ed/2 Ed/2 D1 D2 D3 D4 v T5 T2 Ed+逆变 整流 A B C 单相逆变器电路（O为理论中心点）三相交-直-交逆变器电路 D1 D3 D5 D4 D6 D2 T1、T4 导通 T2、T3 导通 T1、T4 导通 2 t t t t z2 z3+Ed Ed 0 再看三相，每一时刻一对逆变开关管导通，只要3个逆变输出差T/6,形成新频率下三相交流电。三相逆变交流波形（彼此相差T/6)n二.PWM控制技术 1.交-直-交逆变原理 怎样得到三2.2.用PWM脉冲调制近似模拟正弦波 变频方波交流电应该恢复成正弦交流电！（对电机和电网来说畸变的波形是不利的）实际上在一个方波内可以充分利用逆变管的开关频率，调制成不同脉宽（占空比）的脉冲波，脉冲间隔有规律的循环控制，使“积分”面积近似成正弦波，开关频率越高，脉冲波次数越密，输出波形越接近正弦波。ud t 0 ud 如何实现个导电器件按正弦规律的快速开关？SPWM型脉冲调制是在开关元件的控制端加上两种信号三角波和正弦波，如图，我们成为三角波载波正弦波，当正弦波值大于三角波时，控制开关元件导通，输出矩形脉冲，反之三角波值高于正弦波时，控制开关元件截止，改变正弦调制波的幅值，可以控制改变输出电压脉冲的宽窄，从而改变输出电压的平均值的大小，而改变正弦调制波的频率，可以改变输出电压的频率。3.用SPWM载波调制实现控制 t 0 t 倒向后 ug 平均电压 2.用PWM脉冲调制近似模拟正弦波 变频方波交流电应该恢图示只是单相载波调制原理，对三项逆变应有对应于三对逆变开关元件应有互差120o相位的三相三角波、正弦波发生器，也应有倒向器，采用双极性调制时无须在每半周加一倒向信号了。按照PWM型脉冲调制方式可分类两种（以载波控制的三角波和正弦波的频率之比是否常量来分）（1）N=f/fs=常数 同步调制方式，即：半周内的脉冲数不变，若取N=3的倍数，正负半周的波形对称，能严格按120o的对称关系，但是当输出频率较低时，相邻脉冲间的间距增大，波形畸变严重，会出现脉冲转矩和电机噪声，这是同步的主要缺点。（2）异步式调制 即 N常数 三角波频率一定，改变正弦波的频率，这是调制后逆变器输出的矩形脉冲的正负半波和相位就不保持完全对称，虽然使低频时，脉冲数增加，但是三相不对称会使电动机工作不平稳。（3）分段调制 在不同的频率段，采用不同的载波比。从复现正弦波的 角度，载波频比越大越好，但是受到制约：N功率开关器件允许的最大开关频率/频段内最高的正弦参考信号频率 图示只是单相载波调制原理，对三项逆变应有对应于三对逆变开关元略，见教材P46图3-11通用变频器有五个部分组成：3-2 通用变频器简介通用变频器简介 略，见教材P46图3-11通用变频器有五个部分组成：3-3-2.V/f控制通用型变频器 一.普通型V/f通用变频器 一般普通型的转速开环控制，应用于标准的普通三相异步鼠笼式电动 机，优点：通用性强，中低压电源供电，中小电机普遍用，性价比高。特点：有MPU单片机控制，配以SPWM脉宽调制发生器控制系统，MPU通过接口电路控制SPWM脉宽调制发生器出发逆变输出，近似于正弦波，逆变桥采用GTR大功率晶体管，配相关保护电路。缺点：1.适应电动机转矩变化能力差。由于过多侧重E/f不变和输出正弦波，较少考虑不同电动机的特性，不能保持m不变，因为定子电阻压降随负载变化，当负载较重时压降大，V/fV/f值可能补偿不足，负载轻时可能产生磁路过饱和，这两种情况都会引起过流跳闸。当然 MPU可以调节电流，但基本是以调压的方法控制电流，所以定子电压不能根据负载转矩变化而改变电磁转矩。2.无法精确控制电动机的实际转速。开环的E/f控制不能解决转速控制的稳态误差。3.转速低时，特性软。电磁转矩带不动负载转矩。3-2.V/f控制通用型变频器 一.普通型V/f通用变频器如何克服通用变频器的缺点呢？开环如何克服通用变频器的缺点呢？开环 闭环闭环 二.具有恒磁通功能的 V/f通用变频器 采取了“磁链跟踪控制”实际是m的闭环控制，通过检测磁通，MPU计算转 矩与转速给定形成闭环调节PWM的控制。使得在低转速时，电磁转矩不降，达到硬特性目的，另外通过MPU加了转矩限定环节，使得不会出现过流跳 闸“无跳闸变频器”。三.转速闭环控制的转差频率控制系统 交流异步电动机稳定运行的电磁转矩：式中m定子相数；p 定子极对数；E1 感应电动势；fS 转差频率fS=sf；转子折算到定子侧的电阻；L1 转子折算到定子侧的等效电感；f2定子电压频率。由此公式可知，fS较小时，如果E1/f1为常数，转矩基本与fS成正比，只要对 转差频率fS控制就可控制输出转矩。只要知道额定转速，即知道fN,而fS=f1+fN，如果在转子上装有测速发电机，即可反馈实际转速n,与给定转速 比较，调节输出频率f1就可控制电动机输出转矩以适应负载转矩变化。闭环 控制方框图：?2222211)2()(4LfrrffEmpFss?2r如何克服通用变频器的缺点呢？开环 闭环 二.具有恒磁通控制 A/D转换 SPWM驱动 磁通检测 转矩限定 数据接口 转矩计算 人机对话显示、键盘 MPU 速度给定 控制端子 AC电源 整流 逆变 负载电机 磁通闭环控制结构框图 转差率控制 A/D转换 SPWM驱动 转速检测 转矩限定 数据接口 转矩计算 人机对话显示、键盘 MPU 速度给定 控制端子 AC电源 整流 逆变 负载电机 转速闭环fS控制结构框图 测速发电机 磁通控制 A/D转换 SPWM驱动 磁通检测 转矩限定 数据基本思路：仿照直流电动机的调速特点，使异步交流电动机的转速也能通过控制两个互相独立的直流磁场进行调节。一.基本控制原理和实现途径：控制原理方面用MPU进行复杂的矢量空间模拟和空间矩阵运算，把交流异步电动机的旋转磁场三个矢量，等效成两个独立的磁链旋转矢量，在这个坐标系里，把产生磁链的定子电流分解成励磁电流和转矩电流，定义励磁电流不变（相当于直流电动机的固定主磁场磁势不变），控制随负载变化的转矩电流；外部电路实现首先通过接入电动机后识别电动机的额定参数（静态参数），再通过电流反馈检测和转速反馈检测，得到随负载变化的磁通变化和转矩变化（动态参数）建立起模拟直流电动机的数学模型.3-4矢量控制系统通用变频器 C1 C2 U1 F1(、n)定子电压输入 m（I1f)n（、I2、Tem)磁链强度 转速电、磁转矩 转速（频率）给定 U1 I2（n)电压输入 m n、(I2、Tem)旋转磁链 硬机械特性 电磁转矩 转速给定 2/3 矢量坐标转换 矩阵运算、解耦、电流分量控制、交流异步电动机多变量强耦合模型结构 模拟成直流电动机的矢量控制 基本思路：仿照直流电动机的调速特点，使异步交流电动机的转速也三相交流异步电动机旋转磁场 A1 A2 B2 B1 C1 C2 1 2 1 C2 2 M T 两相交流异步电动机旋转磁场 直流电动机内等效旋转磁场 把交流旋转磁场等效为直流旋转磁势（两相）三相交流异步电动机旋转磁场 A1 A2 B2 B1 C1 C交流变频调速技术课件交流变频调速技术课件因为因为变换前后总功率不变变换前后总功率不变，下下 边转换的数学模型中匝数比应为：边转换的数学模型中匝数比应为：因为变换前后总功率不变，下 边转换的数学模型中匝数比应为1.三相两相坐标系的变换矩阵（3/2等效变换）把匝数比代入数学模型表达式得矩阵：用C3/2表示三相坐标系变换到两相坐标 系的变换矩阵：若三相绕组是Y型接法，不含零线，则：iA+iB+iC=0 或者说 iC=-iA-iB 矩阵：1.三相两相坐标系的变换矩阵（3/2等效变换）把匝数比代2.两相静止两相静止两相旋转坐标变换（两相旋转坐标变换（2S/2r变换）把两相静止坐标和两相旋转 坐标MT合在一起，如图所示 两相交流电流i、i两相直流电流 iM、iT产生以同样转速1旋转的磁 动势F1,匝数相同可以消去，即FS1 可以用I1来表示。M-T轴和磁动势F1 以1旋转，分量iM、iT长短不变，相当于M、T绕组的直流磁动势。2.两相静止两相旋转坐标变换（2S/2r变换）把两式中转换矩阵C2r/2s 对上边关系的矩阵左乘逆矩阵，可得：最后可得变换矩阵：式中转换矩阵C2r/2s 对上边关系的矩阵左乘逆矩阵，可得：三三.根据三相异步交流电动机数学模型推出的变换矩阵根据三相异步交流电动机数学模型推出的变换矩阵 （推导过程 略）1.定子电压方程 折算到转子侧 三.根据三相异步交流电动机数学模型推出的变换矩阵（推导过程M-T坐标下的转换方程 磁链方程 定子电压方程 转子电压方程 3S/2r转换矩阵（2）3/2转换矩阵（1）M-T坐标下的转换方程 磁链方程 定子电压方程 转子电压方程三相交流异步电动机 3-2.3S/2转换矩阵 3S/2r转换矩阵（3）3S/2r转换矩阵（4）特例1=0时静止两相坐标-下的电压方程矩阵 静止两相坐标-下的磁链方程矩阵 三相交流异步电动机3-2.3S/2转换矩阵 3S/2r转换四.矢量控制双闭环变频调速系统的实现 转速、磁链闭环控制的矢量控制交流电动机变频调速系统原理结构：在一些动态响应能力要求不高的场合，可以不要速度反馈，采取“自学习”方式以电动机额定数据来模拟数学模型“开环”矢量控制。四.矢量控制双闭环变频调速系统的实现 转速、磁链闭环控制的矢3-5直接转矩控制直接转矩控制 一.技术由来、基本原理简介：1985年德国鲁尔大学的DePenbrock 教授首次提出了直接矩阵控制变频技术。该技术用空间矢量分析方法，直接在定子坐标下分析交流电动机的数学模型，控制电动机的磁链和转矩，不需要将交流电动机等效为直流电动机，省去了复杂的矢量变换，也不需要模仿直流电动机的控制，同时也就不需要为解耦而简化交流电动机的数学模型，特别是引入了现代控制理论，借助于离散的两点式调节，即”鲁棒”效应，作用于磁链轨迹状态方程矩阵，精确到一拍以内的开关频率控制逆变器，配以转矩检测与给定转矩闭环，直接对逆变器的开关状态进行最佳控制。其控制思想新颖，控制结构简单，控制手段直接，信号处理的物理概念明确。是最新发展起来的变频控制技术。二.PWM逆变器输出电压的矢量表示相差T/6的三个桥臂六个开关状态形成的六个空间电压矢量分成六个扇区，每个矢量的幅度都E/2，其端点构成一个正六边形。三.磁通轨迹控制：1.六边形电压轨迹控制；2.圆形磁链轨迹控制 (略)3.U1、m、I1、Tem矢量矩阵推导（略）3-5直接转矩控制 一.技术由来、基本原理简介：四四.直接转矩矩阵控制系统的实际结构直接转矩矩阵控制系统的实际结构 结构功能如下：开关信号 选择单元 转矩 调节器 开关频率检测 转速检测 转速调节器 磁通调节器 电压检测 频率调节器 坐标变换器 给定转矩 给定转速 AC电源 整流 逆变 负载电机 直接矩阵控制系统构成框图 电流检测 交流异步电动机数模 实际转速 模型转矩 模型磁通 给定磁通 给定频率 检测频率 T n 四.直接转矩矩阵控制系统的实际结构 结构功能如下：开关信号 高压变频器一般供电电源为几KV,负载电流几千安，为了减少开关损耗 和每个开关承受的电压、电流，采用几串（电压）几并（电流）方式。3-6高压变频器主电路结构及其控制特点高压变频器主电路结构及其控制特点 E+两并两串二极管钳位三电平逆变器主电路 Z1 Z2 Z3 每相电压有E/2;0;-E/2;外加线电压E;-E是三电平（或五电平）逆变器，电平的增加使输出更接近正弦波。虚线圈内相当于一个开关管，一个桥臂，单元件额定可选V/2;I/2。高压变频器一般供电电源为几KV,负载电流几千安，为了减 电气传动在哪个行业都有，生产机械依赖于电气传动，根据发展电气 传动考虑因素：高性能，低价格，节能，操作方便。交流变频调速具有 的调速、启动、制动性能；高效率；高功率因数；高效节能；技术领先 适用广泛等优势被国内外公认为最有发展前途的调控方式。变频调速技术发展过程：（20世纪50年代今）（详见教材P63表3-4 略）目前国内主要产品状况：3-7我国变频技术发展状况 电气传动在哪个行业都有，生产机械依赖于电气传动，根3-83-8变频技术的发展方向 3-8变频技术的发展方向