交流调速系统之变频调速系统-ppt课件.ppt

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1、 1第四章第四章 变频调速系统变频调速系统第一节第一节 转速开环的晶闸管变频调速系统结构转速开环的晶闸管变频调速系统结构第二节第二节 晶闸管变频调速系统中的主要控制环节晶闸管变频调速系统中的主要控制环节第三节第三节 转差频率控制的变频调速系统转差频率控制的变频调速系统第四节第四节 PMMPMM变频调速系统中的功率接口变频调速系统中的功率接口第五节第五节 PMMPMM变频调速系统变频调速系统 2一转速开环的电压型变频调速系统结构一转速开环的电压型变频调速系统结构二转速开环的电流型变频调速系统结构二转速开环的电流型变频调速系统结构转速开环的晶闸管变频调转速开环的晶闸管变频调速系统结构速系统结构第一

2、节第一节 3一转速开环的电压型变频调速系统结构一转速开环的电压型变频调速系统结构 4 变频调速系统中电动机对变频器的要求：变频调速系统中电动机对变频器的要求： （1）在额定频率以内，对电动机进恒转矩调速。要）在额定频率以内，对电动机进恒转矩调速。要求在变频调速的过程中，变频系统提供的求在变频调速的过程中，变频系统提供的U1、f1实现协实现协调控制，即在调控制，即在U1/f1=常数的基础上加以合理的低频段电常数的基础上加以合理的低频段电压补偿，保证压补偿，保证E1/f1=常数。常数。 （2）在基频以上，对电动机进行近似恒功率调速。）在基频以上，对电动机进行近似恒功率调速。即保持额定供电电压，只调

3、节供电频率。即保持额定供电电压，只调节供电频率。 变频调速系统整体结构：变频调速系统整体结构： 该控制系统分上、下两路该控制系统分上、下两路 上路：改变整流器的直流电压，实现电压可控。上路：改变整流器的直流电压，实现电压可控。 下路：改变逆变桥的输出频率，实现频率可调。下路：改变逆变桥的输出频率，实现频率可调。 5变频调速系统中各控制环节的作用：变频调速系统中各控制环节的作用： （1）给定积分器：接受用户的突加（减）给）给定积分器：接受用户的突加（减）给定信号，变突加给定信号为前沿缓升（降）的给定定信号，变突加给定信号为前沿缓升（降）的给定信号，减缓起动冲击。又被称为软起动器，实现的信号，减缓

4、起动冲击。又被称为软起动器，实现的输入输出关系如下图：输入输出关系如下图： 6 （2）绝对值运算器：只反映给定的大小，不反）绝对值运算器：只反映给定的大小，不反映正负，输入输出关系为：映正负，输入输出关系为：uo=luil。正反转由逻辑开。正反转由逻辑开关负责。关负责。 （3）压频转换：将电压形式的速度给定信号转）压频转换：将电压形式的速度给定信号转换为成比例的频率脉冲。又称为压控振荡器，该环节换为成比例的频率脉冲。又称为压控振荡器，该环节输出频率是变频器输出频率的输出频率是变频器输出频率的6倍。倍。 （4）环行分配器：又称为）环行分配器：又称为6分频器，将压频转换分频器，将压频转换器提供的振

5、荡脉冲，分频为器提供的振荡脉冲，分频为6路输出，各路保持足够路输出，各路保持足够的宽度，准备依次触发逆变器的的宽度，准备依次触发逆变器的6只晶闸管。只晶闸管。 （5）脉冲输出级：首先，可以依据逻辑开关的）脉冲输出级：首先，可以依据逻辑开关的正反转要求改变触发相序，控制正反转；其次，将环正反转要求改变触发相序，控制正反转；其次，将环行分配器提供的行分配器提供的6路信号进行功率放大并将宽脉冲调路信号进行功率放大并将宽脉冲调制成适合晶闸管触发的脉冲列。制成适合晶闸管触发的脉冲列。 7 8 （6）函数发生器：实现电压频率协调控制的环节。在基频）函数发生器：实现电压频率协调控制的环节。在基频范围内，将速

6、度（频率）给定信号正比例转换为电压信号，并范围内，将速度（频率）给定信号正比例转换为电压信号，并再此基础上实现低频段电压信号提升，保证再此基础上实现低频段电压信号提升，保证E1/f1=常数。在基常数。在基频之上，只允许频率上升，限制电压幅度不超出在额定电压。频之上，只允许频率上升，限制电压幅度不超出在额定电压。 （7）逻辑开关：逻辑开）逻辑开关：逻辑开关的作用是根据给定信号为关的作用是根据给定信号为正、负或零，来控制逆变晶正、负或零，来控制逆变晶闸管的触发相序，从而控制闸管的触发相序，从而控制电动机的正转、反转或停车。电动机的正转、反转或停车。 *上路中的其它环节与可上路中的其它环节与可控直流

7、调压调速系统类似。控直流调压调速系统类似。 9 二转速开环的电流型变频调速系统结构二转速开环的电流型变频调速系统结构 10一给定积分器一给定积分器二绝对值运算器二绝对值运算器三三. .电压频率转换器电压频率转换器四四. .环行分配器环行分配器五五. .脉冲输出级脉冲输出级六六. .函数发生器函数发生器七七. .逻辑开关逻辑开关晶闸管变频调速系统中的晶闸管变频调速系统中的主要控制环节（电路设计）主要控制环节（电路设计）第二节第二节 11一给定积分器一给定积分器调调节节给给定定调节起动时间调节起动时间同名端输入同名端输入高倍比例器高倍比例器异名端输入异名端输入 积分器积分器1:11:1负反馈负反馈

8、双向双向限幅限幅 12 * 本系统中给定积分器输入输出级性相反，在后本系统中给定积分器输入输出级性相反，在后面环节设计中，需要考虑这个问题。面环节设计中，需要考虑这个问题。给定积分器的实际输入输出关系如下： 13二绝对值运算器二绝对值运算器1:11:1负反馈负反馈正输入正输入 直接输出至后级直接输出至后级负输入负输入 反号输出反号输出 14三三. .电压频率转换器电压频率转换器调零调零调调U/FU/F比比U/FU/F转换转换专用专用集成电路集成电路直流输入直流输入脉冲输出脉冲输出 15四四. .环行分配器环行分配器脉冲输入脉冲输入六分频输出六分频输出或非门或非门6D6D触发器触发器 16五五.

9、 .脉冲输出级脉冲输出级6 6路脉冲输出路脉冲输出来自来自6 6分频器分频器正负相序切换正负相序切换二极管阵二极管阵宽脉冲调成脉冲列宽脉冲调成脉冲列功率放大功率放大隔离输出隔离输出 17六六. .函数发生器函数发生器负反馈运算放大器负反馈运算放大器 异名输入异名输入调节整体放大倍数调节整体放大倍数调节电压调节电压补偿量补偿量调节电压限幅调节电压限幅* * VD1 VD1使得两段直线斜率不同，使得两段直线斜率不同，2-32-3段为正常工作段。段为正常工作段。 18七七. .逻辑开关逻辑开关当输入为正且大于最小值当输入为正且大于最小值正最小值正最小值负最小值负最小值比较器比较器比较器比较器当输入为

10、负且小于最小值当输入为负且小于最小值K1K1为负（为负（0 0）封锁正序封锁正序K2K2为负（为负（0 0）封锁负序封锁负序* * 正、负绝对值均较小时，正、负序均封锁，电机停转。正、负绝对值均较小时，正、负序均封锁，电机停转。 19一转差频率控制的基本思想一转差频率控制的基本思想二主磁通恒定对定子电流的控制要求二主磁通恒定对定子电流的控制要求三三. .转差频率控制的转差频率控制的 转速闭环变频调速系统转速闭环变频调速系统转差频率控制的变频转差频率控制的变频调速系统调速系统第三节第三节 20一转差频率控制的基本思想一转差频率控制的基本思想 转速开环变频调速系统虽然可以实现无级变速，但改变的转速

11、开环变频调速系统虽然可以实现无级变速，但改变的是同步转速，调速精度比较低，要提高调速精度需要进行转是同步转速，调速精度比较低，要提高调速精度需要进行转速闭环控制。速闭环控制。 转速闭环控制的难点在于交流电动机的电磁转矩与多个转速闭环控制的难点在于交流电动机的电磁转矩与多个参变量有关，表达式比较复杂，动态性能不易准确控制。参变量有关，表达式比较复杂，动态性能不易准确控制。 转差频率控制是在闭环运算中力图维持磁通恒定，实现转差频率控制是在闭环运算中力图维持磁通恒定，实现电磁转矩线性可控的一种模拟式闭环控制方法。电磁转矩线性可控的一种模拟式闭环控制方法。 电磁转矩的近似推导过程如下：电磁转矩的近似推

12、导过程如下： 因为：因为： 21式中，式中，Cm为电机常数为电机常数另外另外 22 基于上述推导，获得转差频率控制的基本思想：基于上述推导，获得转差频率控制的基本思想： 只要在控制过程中，保证：只要在控制过程中，保证：就能实现电磁转矩与转差频率成比例的近似线性控制。就能实现电磁转矩与转差频率成比例的近似线性控制。 23 二主磁通恒定对定子电流的控制要求二主磁通恒定对定子电流的控制要求 控制过程中如何保证主磁通恒定呢？控制过程中如何保证主磁通恒定呢？ 由交流电动机的一相等效电路，近似推导可以得到：由交流电动机的一相等效电路，近似推导可以得到： 要保持主磁通恒定，电动机的定子电流与转差角频率在要保

13、持主磁通恒定，电动机的定子电流与转差角频率在控制过程中必须保持如下配合关系：控制过程中必须保持如下配合关系： 配合曲线见右图：配合曲线见右图： 24三三. .转差频率控制的转速闭环变频调速系统转差频率控制的转速闭环变频调速系统转子转子实际实际速度速度希望希望转子转子速度速度希望希望转差转差希望希望电流电流希望希望f1f1 25转差频率控制的闭环变频调速系统性能不理想的原因：转差频率控制的闭环变频调速系统性能不理想的原因： 解决方法：解决方法： 变不精确的静态模型为矩阵化的动态数学模型，变性能差的模拟控变不精确的静态模型为矩阵化的动态数学模型，变性能差的模拟控制方式为高性能的数字控制方式，如采用

14、制方式为高性能的数字控制方式，如采用矢量变换控制矢量变换控制方法。方法。 26一大功率晶体管的基极驱动电路一大功率晶体管的基极驱动电路二二PWMPWM大规模单片集成电路大规模单片集成电路PMMPMM变频调速系统中的变频调速系统中的 功率接口功率接口第四节第四节 27一大功率晶体管的基极驱动电路一大功率晶体管的基极驱动电路 大功率晶体管大功率晶体管GTR为电流控制型，由基极电流控制集电极和发射为电流控制型，由基极电流控制集电极和发射极大电流的通断，基极电流不足会影响主电路的导通状态，而基极电极大电流的通断，基极电流不足会影响主电路的导通状态，而基极电流太大又会导致流太大又会导致GTR过于饱和，难

15、于关断，因此需要设计合适的驱动过于饱和，难于关断，因此需要设计合适的驱动电路参数。电路参数。 1.1.分立元件驱动电路分立元件驱动电路a) a) 双电源驱动双电源驱动 (+E1(+E1、-E2)-E2)电路电路 PWM=1，控制GTR导通的电路情况 *VD1限制限制GTR过过于饱和，于饱和，VD2补偿补偿VD1的压降。的压降。 *电容电容C上有充电，上有充电，供关断时使用。供关断时使用。 28 PWM=0，控制GTR关断的电路情况 * *开通时过饱和驱动并自动限制开通时过饱和驱动并自动限制 饱和程度饱和程度. .* *关断时提供负电压关断时提供负电压. .* *开关速度快开关速度快. . 29

16、 b) b) 单电源驱动电路单电源驱动电路 * 导通和关断原理与导通和关断原理与a）图类似，但由于没有）图类似，但由于没有E2，关断时，关断时只有只有C的储能提供关断负压，关断可靠性较差。的储能提供关断负压，关断可靠性较差。 30 c) c) 单电源驱动电路的改进电路单电源驱动电路的改进电路 PWM=1，控制GTR导通的电路情况* *电容电容C C始终保持充电电压始终保持充电电压2.82.8V V 当关断时可用作负电源当关断时可用作负电源. .* *VT4VT4与与GTRGTR构成复合管构成复合管. . 31 PWM=0，控制GTR关断的电路情况 * 该电路具有持续的该电路具有持续的C充电电压

17、充电电压,具有较高的关断可靠性具有较高的关断可靠性. *电路设计电路设计VT4VT4需要较高耐压需要较高耐压. 322.2.集成模块化驱动电路集成模块化驱动电路a) GTRa) GTR的集成驱动电路的集成驱动电路M57215M57215 M57215BLM57215BL的内部结构的内部结构 M57215BLM57215BL的外围接线的外围接线 正电源正电源 负电源负电源其他型号集成驱动电路其他型号集成驱动电路: : MPD1204 MPD1204、UAA4003UAA4003、M57904M57904、EX359EX359等等 33b) IGBTb) IGBT的集成驱动电路的集成驱动电路EXB

18、841EXB841 EXB841EXB841的内部原理图的内部原理图 限制饱和程度限制饱和程度 过电流保护过电流保护 * 该芯片信号延迟时间低于该芯片信号延迟时间低于1us，开关频率可达开关频率可达40-50kHz *快速光耦隔离快速光耦隔离 *内部多种保护内部多种保护 其它IGBT驱动集成电路：EXB840、EXB850、IR2110、MPD1205、EXB851等。 34 EXB841EXB841的应用电路的应用电路 限制饱和程度限制饱和程度 过电流保护过电流保护 35二二PWMPWM大规模单片集成电路大规模单片集成电路 1.1.HEF4752HEF4752 所产生所产生SPMWSPMW波

19、形开关速度较低，可用于波形开关速度较低，可用于GTRGTR通用通用逆变器或三相晶闸管逆变器的控制。逆变器或三相晶闸管逆变器的控制。HEF4752HEF4752的引脚排列的引脚排列 36HEF4752HEF4752的引脚名称和分组功能说明的引脚名称和分组功能说明 （1 1）逆变器输出驱动）逆变器输出驱动* * ORM1ORM1提供提供GTR1GTR1的基极驱动信号的基极驱动信号* * ORM2 ORM2提供提供GTR4GTR4的基极驱动信号的基极驱动信号* * OYM1OYM1提供提供GTR3GTR3的基极驱动信号的基极驱动信号* * OYM2OYM2提供提供GTR4GTR4的基极驱动信号的基极

20、驱动信号* * OBM1OBM1提供提供GTR5GTR5的基极驱动信号的基极驱动信号* * OBM2OBM2提供提供GTR2GTR2的基极驱动信号的基极驱动信号* * ORCORC、OYCOYC、OBCOBC只用于带有辅助关断晶闸管的逆变只用于带有辅助关断晶闸管的逆变器中，通用变频器不使用这些引脚。器中，通用变频器不使用这些引脚。 37* * 驱动驱动GTRGTR逆变器时，置逆变器时，置I I为低电平。为低电平。* * 置置K K为低电平时，上下为低电平时，上下GTRGTR的互锁时间的互锁时间=8/=8/f fOCTOCT，反之，互锁时间加倍。，反之，互锁时间加倍。* *置置CWCW为低电平时

21、，为低电平时，SPWMSPWM输出负相序。输出负相序。* * 从从FCTFCT输入的脉冲，其频率决定逆变器频率输入的脉冲，其频率决定逆变器频率* * 从从VCTVCT输入的脉冲，其频率决定逆变器电压。输入的脉冲，其频率决定逆变器电压。* * 从从RCTRCT输入的脉冲，其频率决定载波频率输入的脉冲，其频率决定载波频率* * 从从OCTOCT输入的脉冲，其频率决定互锁时间。输入的脉冲，其频率决定互锁时间。* * 该芯片自动保持载波与输出频率成正比该芯片自动保持载波与输出频率成正比的同步调制关系的同步调制关系 38 2. 2. SLE4520 SLE4520 大规模数字式大规模数字式SPWMSPW

22、M集成电路，可以与集成电路，可以与微型计算机直接接口，产生高速微型计算机直接接口，产生高速SPMWSPMW波形，用于波形，用于IGBTIGBT逆变器的逆变器的控制。控制。SLE4520SLE4520的部分引脚功能说明的部分引脚功能说明 39 40SLE4520SLE4520集成电路的内部结构集成电路的内部结构 41SLE4520SLE4520集成电路的工作原理集成电路的工作原理 42SLE4520SLE4520的内部寄存器地址的内部寄存器地址 12M12M晶振时的分频取值与对应参数晶振时的分频取值与对应参数 死区寄存器取值与死区时间对应关系死区寄存器取值与死区时间对应关系 43PMMPMM变频

23、调速系统变频调速系统第五节第五节一模拟控制的一模拟控制的PWMPWM变频调速系统变频调速系统二单片机控制的二单片机控制的PWMPWM变频调速系统变频调速系统 44一模拟控制的一模拟控制的PWMPWM变频调速系统变频调速系统( (一一) )直流参考信号的直流参考信号的PWMPWM变频器变频器 45 上述上述参考信号为直流的参考信号为直流的PWMPWM变频器中变频器中频率控制通道频率控制通道： 给定积分器给定积分器反号器反号器U/FU/F转换器转换器六分频器，高电平有效六分频器，高电平有效电压控制通道：电压控制通道： 给定积分器给定积分器函数发生器函数发生器集成脉宽调制器，高电平有效。集成脉宽调制

24、器，高电平有效。 两路信号经六个与非门综合成为基极驱动信号。两路信号经六个与非门综合成为基极驱动信号。过流过压保护信号过流过压保护信号（高电平有效）同时输入每个与非门进行故障封锁。（高电平有效）同时输入每个与非门进行故障封锁。 去基极驱动电路去基极驱动电路M57215M57215的信号为低电平有效。的信号为低电平有效。*黑线为不加黑线为不加PWM信号时的交流输出波形。信号时的交流输出波形。*红线为加入红线为加入PWM信号的交流输出波形。信号的交流输出波形。经隔离变压器后实测输出波形。经隔离变压器后实测输出波形。 46( (二二)SPWM)SPWM模拟控制变频调速系统模拟控制变频调速系统 803

25、88038单片函数发生器的单片函数发生器的 外围接线外围接线 * * 电路适用范围：中小容量变频调速电路适用范围：中小容量变频调速 47二单片机控制的二单片机控制的PWMPWM变频调速系统变频调速系统( (一一) ) 单片机控制的单片机控制的PWMPWM变频器结构变频器结构* * 结构结构a a）中单片机既完成电压频率运算，又完成）中单片机既完成电压频率运算，又完成PWMPWM波形合成波形合成转速开环转速开环a a 48* * 该结构该结构b b）中单片机只完成电压频率运算，由）中单片机只完成电压频率运算，由SPWMSPWM专用大规模集成电路专用大规模集成电路 产生脉宽调制波形。产生脉宽调制波

26、形。接异步电动机接异步电动机 转速开环转速开环b b 49转速闭环转速闭环a a 50转速闭环转速闭环b b 51( (二二) ) 单片机控制的单片机控制的PWMPWM变频调速系统实例变频调速系统实例 控制系统使用控制系统使用1616位的位的MCS-8098MCS-8098单片机来完成电压频率运算、故障保护及显示单片机来完成电压频率运算、故障保护及显示处理，使用处理，使用HEF4752HEF4752专用大规模专用大规模SPWMSPWM集成电路完成控制波形合成，并扩展了外部集成电路完成控制波形合成，并扩展了外部程序存储器程序存储器Intel2764Intel2764、可编程接口芯片、可编程接口芯

27、片Intel8255Intel8255、通用键盘、通用键盘/ /显示器芯片显示器芯片Intel8279Intel8279进行内存扩展或功能连接。控制电路中的可编程乘法器进行内存扩展或功能连接。控制电路中的可编程乘法器CD4527CD4527用来提用来提供供HEF4752HEF4752所需的各种控制脉冲。所需的各种控制脉冲。主电路图主电路图 52控制电路图控制电路图 53 HEF4752控制脉冲，由控制脉冲，由8255的的PA、PB、PC口数据设置口数据设置和分频器的时钟输入共同决定，算式为：和分频器的时钟输入共同决定，算式为： 该变频控制系统的单片机主程序框图如下：该变频控制系统的单片机主程序框图如下： 54