项目三 任务1 变频器的控制模式课件.pptx

主编：蒋伟 吕洪善(第 2 版）中国铁道出版社有限公司项目三项目三 变频器的基本功能变频器的基本功能项目三 任务1 变频器的控制模式 项目描述 异步电动机主要有机械特性的硬度、低频时带负载能力、启动转矩、调速范围异步电动机主要有机械特性的硬度、低频时带负载能力、启动转矩、调速范围和动态响应能力等五个技术指标。现在很多变频器使用矢量控制的方式，这是一种高和动态响应能力等五个技术指标。现在很多变频器使用矢量控制的方式，这是一种高性能的调频控制方式，可以使异步电动机的调速性能更加优良。另外，在变频调速系性能的调频控制方式，可以使异步电动机的调速性能更加优良。另外，在变频调速系统中，以变频器为核心可以组成单向点动及连续运行，多段速度的控制，以及变频与统中，以变频器为核心可以组成单向点动及连续运行，多段速度的控制，以及变频与工频自动切换的控制等多种基本控制电路。工频自动切换的控制等多种基本控制电路。 项目目标 1 1、知识目标、知识目标（1）理解变频器的恒压频比控制及实现恒压频比控制的方法。（2）了解变频器矢量控制的基本思想，掌握矢量控制要求。（3）掌握变频器的多段速度控制方式。（4）掌握变频器的变频与工频自动切换电路。2 2、技能目标、技能目标（1）掌握变频器u/f控制功能的选择。（2）掌握选择u/f控制曲线时常用的操作方法。（3）掌握变频器的多段速度运行操作过程。（4）熟练地掌握变频器的变频与工频切换电路的安装与调试。项目三 变频器的基本功能任务1 1 变频器的控制模式项目三 任务1 变频器的控制模式 任务1 变频器的控制模式某厂两台料浆泵配用90kW电机，额定电流为164A。选用三菱某型号变频器，额定电流176A。在系统启动过程中频率约在12Hz时电动机堵转，随后变频器过流跳闸，启动失败数次。试分析其控制方式及故障的原因。 一、任务描述 二、任务分析 控制方式是决定变频器使用性能的关键所在，只要按负载的特性， 满足使用要求就可，以便做到量才使用、经济实惠。表3.1中各控制方式的参数供选用时参考。 三、知识导航变频器的控制方式是指变频器在对异步电动机进行变频调速时，改善异步电动机的机械性能和调速性能的方式。电动机的特性主要有机械特性的硬度、低频时带负载能力、启动转矩、调速范围和动态响应能力等五个技术指标。目前变频器采用的控制方式可分为：u/f控制、转差频率控制（SF）、矢量控制（VC）和直接转矩控制等方式。 三、知识导航一、变频变压控制（一、变频变压控制（u/fu/f）u/f控制即压频比控制。u/f控制方式是指在变频调速过程中为了保持主磁通的恒定，而使u/f=常数的控制方式，这是变频器的基本控制方式。此方式控制成本低，多用于精度要求不高的通用变频器。1.1.u/fu/f控制原理控制原理在进行电机调速时，通常是希望保持电机中每极磁通量为额定值，并保持不变。如果磁通太弱就等于没有充分利用电机的铁心，是一种浪费；如果过分增大磁通，又会使铁心饱和，过大的励磁电流使绕组过热损坏电机。 u/f控制是使变频器的输出在改变频率的同时也改变电压，通常是使u/f为常数，这样可使电动机磁通保持一定，在较宽的调速范围内，电动机的转矩、效率、功率因数不下降。 三、知识导航 2.2.恒恒u/fu/f控制方式的机械特性控制方式的机械特性 1). 调频比和调压比调频时，通常都是相对于其额定频率fN来进行调节的，那么调频频率fX就可以用3-1式表示： fx=kffN (3-1)式中 kf频率调节比(也叫调频比)。 根据变频也要变压的原则，在变压时也存在着调压比，电压Ux可用3-2式表示： ux=kuUn (3-2)式中 ku调压比； Un电动机的额定电压。 三、知识导航2). 变频后电动机的机械特性 三相异步电动机的机械特性曲线如图3.1所示，其特征如下： 从fN向下调频时，nox下移， 变频时的临界转矩TKX逐渐减小。fx在fN附近下调时：kf=ku1，TKX减小很少，可近似认为TKXTKN，fx 调的很低时：kf=ku0，TKX减小很快。fx不同时，临界转差nkx变化不是很大，所以稳定工作区的机械特性基本是平行的，且机械特性较硬。 三、知识导航3).对额定频率fN以下变频调速特性的修正（1）TKX 减小的原因分析 （2）解决的办法适当提高调压比ku，使kukf，即提高UX的值，使得Ex的值增加。从而保证EX/fx常数。这样就能保证主磁通M基本不变。最终使电动机的临界转矩得到补偿。fxfN时，电动机近似具有恒功率的调速特性。 KxMxxxxfufTUEUUkkk)( 三、知识导航4).选择u/f控制曲线时常用的操作方法 （1）将拖动系统连接好，带以最重的负载。（2）根据所带的负载的性质，选择一个较小的u/f曲线，在低速时观察电动机的运行情况，如果此时电动机的带负载能力达不到要求，需将u/f曲线提高一档。依此类推，直到电动机在低速时的带负载能力达到拖动系统的要求。（3）如果负载经常变化，在（2）中选择的u/f曲线，还需要在轻载和空载状态下进行检验。方法是：将拖动系统带以最轻的负载或空载，在低速下运行，观察定子电流I1的大小，如果I1过大，或者变频器跳闸，说明原来选择的u/f曲线过大，补偿过分，需要适当调低u/f曲线。 三、知识导航二、转差频率控制（二、转差频率控制（SFSF控制）控制） 1.1.转差频率控制原理转差频率控制原理转差频率与转矩的关系为图3.3所示的特性，在电动机允许的过载转矩以下，大体可以认为产生的转矩与转差频率成比例。另外，电流随转差频率的增加而单调增加。所以，如果我们给出的转差频率不超过允许过载时的转差频率，那么就可以具有限制电流的功能。为了控制转差频率虽然需要检出电动机的速度。但系统的加减速特性和稳定性比开环的u/f控制获得了提高，过电流的限制效果也变好。 三、知识导航2.2.转差频率控制的系统构成转差频率控制的系统构成 图3.4为转差频率控制系统构成图。速度调节器通常采用PI控制。它的输入为速度设定信号2*和检测的电机实际速度2之间的误差信号。速度调节器的输出为转差频率设定信号s*。变频器的设定频率即电动机的定子电源频率1*为转差频率设定值s*与实际转子转速2的和。当电动机负载运行时，定子频率设定将会自动补偿由负载所产生的转差，保持电动机的速度为设定速度。速度调节器的限幅值决定了系统的最大转差频率。 三、知识导航三、矢量控制三、矢量控制 (VC (VC控制控制) ) 1.1.直流电动机与异步电动机调速上的差异直流电动机与异步电动机调速上的差异1)、直流电动机的调速特征直流电动机具有两套绕组，即励磁绕组和电枢绕组，它们的磁场在空间上互差/2电角度，两套绕组在电路上是互相独立的。 2)、异步电动机的调速特征异步电动机也有定子绕组和转子绕组，但只有定子绕组和外部电源相接，定子电流I1是从电源吸取电流，转子电流I2是通过电磁感应产生的感应电流。因此异步电动机的定子电流应包括两个分量，即励磁分量和负载分量。励磁分量用于建立磁场；负载分量用于平衡转子电流磁场。 三、知识导航二、转差频率控制（二、转差频率控制（SFSF控制）控制） 1.1.转差频率控制原理转差频率控制原理转差频率与转矩的关系为图3.3所示的特性，在电动机允许的过载转矩以下，大体可以认为产生的转矩与转差频率成比例。另外，电流随转差频率的增加而单调增加。所以，如果我们给出的转差频率不超过允许过载时的转差频率，那么就可以具有限制电流的功能。为了控制转差频率虽然需要检出电动机的速度。但系统的加减速特性和稳定性比开环的u/f控制获得了提高，过电流的限制效果也变好。 三、知识导航二、转差频率控制（二、转差频率控制（SFSF控制）控制） 2.2.转差频率控制的系统构成转差频率控制的系统构成 图3.4为转差频率控制系统构成图。速度调节器通常采用PI控制。它的输入为速度设定信号2*和检测的电机实际速度2之间的误差信号。速度调节器的输出为转差频率设定信号S*。变频器的设定频率即电动机的定子电源频率1*为转差频率设定值s*与实际转子转速2的和。当电动机负载运行时，定子频率设定将会自动补偿由负载所产生的转差，保持电动机的速度为设定速度。速度调节器的限幅值决定了系统的最大转差频率。 三、知识导航三、矢量控制三、矢量控制 (VC (VC控制控制) ) 1.1.直流电动机与异步电动机调速上的差异直流电动机与异步电动机调速上的差异 (1)直流电动机的调速特征直流电动机具有两套绕组，即励磁绕组和电枢绕组，它们的磁场在空间上互差/2电角度，两套绕组在电路上是互相独立的。 (2)异步电动机的调速特征异步电动机也有定子绕组和转子绕组，但只有定子绕组和外部电源相接，定子电流I1是从电源吸取电流，转子电流I2是通过电磁感应产生的感应电流。因此异步电动机的定子电流应包括两个分量，即励磁分量和负载分量。励磁分量用于建立磁场；负载分量用于平衡转子电流磁场。 三、知识导航三、矢量控制三、矢量控制 (VC (VC控制控制) ) 2.2.矢量控制中的等效变换矢量控制中的等效变换 (1)坐标变换的概念 三、知识导航(2)3相2相变换(3s2s)三相静止坐标系A、B、C和两相静止坐标系和之间的变换，称为3s2s变换。变换原则是保持变换前的功率不变。设三相对称绕组(各相匝数相等、电阻相同、互差120空间角)通入三相对称电流iA、iB、iC，形成定子磁动势，用F3表示，如图3.6a所示。两相对称绕组(匝数相等、电阻相同、互差90空间角)内通入两相电流后产生定子旋转磁动势，用F2表示，如图3.6b所示。适当选择和改变两套绕组的匝数和电流，即可使F3和F2的幅值相等。若将两种绕组产生的磁动势置于同一图中比较，并使Fa与FA重合，如图3.6c所示。 三、知识导航(3)2相/2相旋转变换（2s/2r）2相/2相旋转变换又称为矢量旋转变换器，因为 和两相绕组在静止的直角坐标系上（2s），而M、T绕组则在旋转的直角坐标系上（2r），变换的运算功能由矢量旋转变换器来完成，图3.7为旋转变换矢量图。 三、知识导航3.3.直角坐标极坐标变换直角坐标极坐标变换 在矢量控制系统中，有时需将直角坐标变换为极坐标，用矢量幅值和相位夹角表示矢量。图3.7中矢量i1和M轴的夹角为1，若由已知的im、iy来求i1和1，则必须进行KP变换，其关系公式为 三、知识导航4.4.变频器矢量控制的基本思想变频器矢量控制的基本思想 (1)矢量控制的基本理念 在矢量变换控制系统的基本理念图3.8中，图中的给定信号和反馈信号经过类似于直流调速系统所用的控制器，产生励磁电流的给定信号i*M和转矩电流的给定信号i*T，经过直/交反旋转变换器变换得到i*和i*，再经过二相/三相变换器变换得到i*A、i*B和i*C。把这三个电流控制信号加到带电流控制的变频器上，就可以输出异步电动机调速所需的三相变频电流，实现了用模仿直流电动机的控制方法去控制异步电动机，使异步电动机达到了直流电动机的控制效果。 三、知识导航(2)矢量控制中的反馈 电流反馈用于反映负载的状态，使i*T能随负载而变化。速度反馈反映出拖动系统的实际转速和给定值之间的差异，从而以最快的速度进行校正，提高了系统的动态性能。速度反馈的信号可由脉冲编码器PG测得。现代的变频器又推广使用了无速度传感器矢量控制技术，它的速度反馈信号不是来自速度传感器，而是通过CPU对电动机的各种参数，如I1、r2等经过计算得到的一个转速的实在值，由这个计算出的转速实在值和给定值之间的差异来调整i*M和i*T，改变变频器的输出频率和电压。 三、知识导航5.5.使用矢量控制的要求使用矢量控制的要求选择矢量控制模式，对变频器和电动机有如下要求：1) 一台变频器只能带一台电动机。2) 电动机的极数要按说明书的要求，一般以4极电动机为最佳。3) 电动机容量与变频器的容量相当，最多差一个等级。4) 变频器与电动机间的连接线不能过长，一般应在30m以内。如果超过30m，需要在连接好电缆后，进行离线自动调整，以重新测定电动机的相关参数。动机的控制效果。 三、知识导航6.6.矢量控制系统的优点和应用范围矢量控制系统的优点和应用范围 异步电动机矢量控制变频调速系统的开发，使异步电动机的调速可获得和直流电动机相媲美的高精度和快速响应性能。异步电动机的机械结构又比直流电动机简单、坚固，且转子无电刷、集电环等电气接触点，故应用前景十分广阔。现将其优点和应用范围综述如下。( (1 1) )矢量控制系统的优点矢量控制系统的优点1）动态的高速响应直流电动机受整流的限制，过高的di/dt是不容许的。异步电动机只受逆变器容量的限制，强迫电流的倍数可取得很高，故速度响应快，一般可达到毫秒级，在快速性方面已超过直流电动机。2）低频转矩增大一般通用变频器（VVVF控制）在低频时的转矩常低于额定转矩，故在5Hz以下不能带满负载工作。而矢量控制变频器由于能保持磁通恒定，转矩与iT呈线性关系，故在极低频时也能使电动机的转矩高于额定转矩。 三、知识导航3）控制灵活直流电动机常根据不同的负载对象，选用他励、串励、复励等形式，它们各有不同的控制特点和机械特性。而在异步电动机矢量控制系统中，可使同一台电动机输出不同的特性。在系统内用不同的函数发生器作为磁通调节器，即可获得他励或串励直流电动机的机械特性。(2)矢量控制系统的应用范围 1）要求高速响应的工作机械如工业机器人驱动系统在速度响应上至少需要l00rad/s，而矢量控制驱动系统能达到的速度响应最高值可达l000rad/s，故能保证机器人驱动系统快速、精确地工作。2）适应恶劣的工作环境如造纸机、印染机均要求在高湿、高温并有腐蚀性气体的环境中工作，异步电动机比直流电动机更为适应。 三、知识导航3）高精度的电力拖动如钢板和线材卷取机属于恒张力控制，对电力拖动的动、静态精确度有很高的要求，能做到高速（弱磁）、低速（点动）、停车时强迫制动。异步电动机应用矢量控制后，静差度0.02%，有可能完全代替直流调速系统。4）四象限运转如高速电梯的拖动，过去均用直流拖动，现在也逐步用异步电动机矢量控制变频调速系统代替。 三、知识导航四、直接转矩控制方式四、直接转矩控制方式 直接转矩控制方式是继矢量控制方式之后发展起来的另一种高性能的交流变频调速控制方式。直接转矩控制方式与矢量控制方式的不同之处，是它不是通过控制电流、磁链等间接控制转矩，而是把转矩直接作为被控制量来控制。1、直接转矩控制原理直接转矩控制交流调速系统原理如图3.9所示。 三、知识导航2 2、直接转矩控制的优点、直接转矩控制的优点直接转矩控制技术采用空间矢量的分析方法，直接在定子坐标系下计算与控制交流电动机的转矩，采用定子磁场定向，借助于离散的两点式调节（Band-Band控制）产生PWM信号，直接对逆变器的开关状态进行最佳控制，以获得转矩的高动态性能。因此它不需要将交流电动机化成等效直流电动机，也省去了矢量旋转变换中的许多复杂计算，它不需要模仿直流电动机的控制，也不需要解耦而简化交流电动机的数学模型，没有通常的PWM信号发生器。直接转矩控制方式的思路新颖、控制手段直接和控制结构简单，而且该控制系统的转矩响应迅速，限制在一拍以内，无超调，是一种具有高静态、动态性能的交流调速方法。 四、任务实施 检查该变频器的检查该变频器的“转矩提升转矩提升”参数，补偿低频时的电压降，改善低速区域的电机参数，补偿低频时的电压降，改善低速区域的电机转矩低下。可以根据负载的情况调节低频时的电机转矩，提高启动时的电机转矩。由转矩低下。可以根据负载的情况调节低频时的电机转矩，提高启动时的电机转矩。由于该系统工艺流程影响，出口存有初始压力，致使料浆泵启动力矩增大，造成电动机于该系统工艺流程影响，出口存有初始压力，致使料浆泵启动力矩增大，造成电动机启动失败，选择启动失败，选择“矢量控制矢量控制”模式后，电动机启动正常。模式后，电动机启动正常。 五、思考与练习1. RUN键旋转方向选择相关参数？键旋转方向选择相关参数？2. 三菱变频器三菱变频器M旋钮频率设定模式与电位器模式的区别是什旋钮频率设定模式与电位器模式的区别是什么？么？ 3. 三菱变频器初始状态频率变化量幅度是多少？三菱变频器初始状态频率变化量幅度是多少？