(10)--第4章 变频器过程控制系统及仪表.ppt

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1、4.3.1变频调速原理变频调速原理4.3.2交直交主电路交直交主电路4.3.3VVVF4.3.4变频后的机械特性，与自然特性对比变频后的机械特性，与自然特性对比4.3.5V/F控制控制4.3.6矢量控制矢量控制4.3.7转矩控制转矩控制4.3.8半导体器件半导体器件4.3变频器变频器4.3.1变频调速原理变频调速原理变频器的功用是将频率固定的交流电变频器的功用是将频率固定的交流电（三相或单相）变换成频率连续可调（多数（三相或单相）变换成频率连续可调（多数为为0400Hz）的三相交流电源。）的三相交流电源。RSTUVWMVVVF50Hz，3相相0400Hz，3相相pf60n0=可知，当频率可知，

2、当频率f连续可调时，电动机连续可调时，电动机的同步转速也连续可调，故转子转速也的同步转速也连续可调，故转子转速也连续可调。连续可调。变频器的分类变频器的分类 按变换环节分按变换环节分没有中间环节，变没有中间环节，变化效率高；但连续化效率高；但连续可调频率范围窄可调频率范围窄（0fN/2）；主要）；主要应用于容量较大的应用于容量较大的低速拖动场合。低速拖动场合。固定频率交流电固定频率交流电整流成直流电整流成直流电逆逆变为频率连续可调变为频率连续可调的交流电；频率的的交流电；频率的调节范围和改善变调节范围和改善变频后的电动机特性频后的电动机特性方面有优势。方面有优势。按电压的调按电压的调制方式分制

3、方式分变频器输出电压大变频器输出电压大小通过改变直流电小通过改变直流电压的大小进行调制。压的大小进行调制。中小容量变频器中中小容量变频器中几乎没用。几乎没用。变频器输出电压的变频器输出电压的大小通过改变输出大小通过改变输出脉冲的占空比来进脉冲的占空比来进行调制。目前普遍行调制。目前普遍应用的是占空比按应用的是占空比按正弦规律安排的正正弦规律安排的正弦波脉冲调制弦波脉冲调制（SPWM）方式。）方式。按直流环节按直流环节的储能方式分的储能方式分直流环节的储能元直流环节的储能元件是电感线圈件是电感线圈LF。直流环节的储能元直流环节的储能元件是电容器件是电容器CF。RSTUVWLFRSTUVWCF4.

4、3.2交直交主电路交直交主电路1、整流二极管或模块：将三相交流电整流成直流，、整流二极管或模块：将三相交流电整流成直流，向逆变桥提供逆变电压。向逆变桥提供逆变电压。参数选取：参数选取：（1）当电源线电压）当电源线电压380伏时，最大反向电压取伏时，最大反向电压取1000V（2）最大整流电流）最大整流电流Ivdm=2IN，其中，其中IN为变频器为变频器额定电流额定电流2、滤波电路滤波电路（1）滤波电容）滤波电容CF1和和CF2串联（受耐压限制而采串联（受耐压限制而采取的措施）取的措施）（2）RC1，RC2为均压电阻为均压电阻3、限流电路：、限流电路：（1）限流电阻）限流电阻RS：消弱刚接入电源瞬

5、间的冲击电：消弱刚接入电源瞬间的冲击电流，可内置或外接流，可内置或外接（2）短路开关）短路开关RS：长期接入会影响：长期接入会影响Ud和变频器输出电和变频器输出电压大小，当压大小，当Ud增大到一定距离时令短路开关增大到一定距离时令短路开关SL接通，接通，SL大多由晶闸管构成，在容量较小的变频器中也常有大多由晶闸管构成，在容量较小的变频器中也常有用继电器触点构成。用继电器触点构成。4、三相逆变桥电路：将直流逆变成频率可调的三相三相逆变桥电路：将直流逆变成频率可调的三相交流电交流电V1V6为逆变管（现大多数由为逆变管（现大多数由IGBT构成），其开关频构成），其开关频率，通断情况受控制电路中的率，

6、通断情况受控制电路中的SPWM调制信号控制。调制信号控制。当前常用的逆变管有：当前常用的逆变管有：IGBT（绝缘栅双极（绝缘栅双极型晶闸管），型晶闸管），GTR（电力晶闸管），（电力晶闸管），GTO（门极可关断晶（门极可关断晶闸管），闸管），MOSFET（电力（电力MOS场效应管）场效应管），VT（普通晶闸管）。（普通晶闸管）。VD7VD12：为续流二极管（又称反馈二极管）：为续流二极管（又称反馈二极管）逆变原理逆变原理单相逆变桥单相逆变桥工作过程工作过程 图中，图中，V1、V2、V3、V4为开关器件，组成单相逆变桥，为开关器件，组成单相逆变桥，接至直流电源接至直流电源P()与与N()之间，电

7、压为之间，电压为UD;ZL为负载。为负载。逆变电路的工作情况如下逆变电路的工作情况如下:(1)前半周期前半周期令令V1、V2导通导通;V3、V4截止。则负载截止。则负载ZL中的电流从中的电流从a流向流向b，ZL上得到的电压是上得到的电压是a“”、b“”，设这时的电压为，设这时的电压为“”。(2)后半周期后半周期令令V1、V2截止截止;V3、V4导通。则负载导通。则负载ZL中的电流从中的电流从b流向流向a，ZL上得到的电压是上得到的电压是a“”、b“”，这时的电压为，这时的电压为“”。上述两种状态如能不断地反复交替进行，则负载上述两种状态如能不断地反复交替进行，则负载ZL上所得到上所得到的便是交

8、变电压了。这就是由直流电变为交流电的的便是交变电压了。这就是由直流电变为交流电的“逆变逆变”过过程。程。三相逆变桥三相逆变桥 其工作过程与单相逆变桥相同，只要注意三相其工作过程与单相逆变桥相同，只要注意三相的相位之间互差三分之一周期的相位之间互差三分之一周期(T/3)就可以了。就可以了。逆变器件的要求逆变器件的要求(1)能承受足够大的电压和电流能承受足够大的电压和电流电压电压：我国三相低压电网的线电压均为我国三相低压电网的线电压均为380V，经三相全波整流后的平均电压为经三相全波整流后的平均电压为513V，而峰值电，而峰值电压则为压则为537V。考虑到在过渡过程中，由于电感及。考虑到在过渡过程

9、中，由于电感及负载动能反馈能量的效应，开关器件的耐压应在负载动能反馈能量的效应，开关器件的耐压应在1000V以上。以上。电流：以中型的电流：以中型的150kW的电动机为例，其额定的电动机为例，其额定电流为电流为250A，而电流的峰值为，而电流的峰值为353A。考虑到电动。考虑到电动机和变频器都应该具有一定的过载能力，该变频机和变频器都应该具有一定的过载能力，该变频器开关器件允许承受的电流应大于器开关器件允许承受的电流应大于700A。上述条件对于有触点开关器件来说，是早已做上述条件对于有触点开关器件来说，是早已做到了的。到了的。(2)允许频繁地接通和关断允许频繁地接通和关断如上述，逆变过程就是若

10、干个开关器件长时间地反如上述，逆变过程就是若干个开关器件长时间地反复交替导通和关断的过程，这是有触点开关器件所无复交替导通和关断的过程，这是有触点开关器件所无法承受的。必须依赖于无触点开关器件，而无触点开法承受的。必须依赖于无触点开关器件，而无触点开关器件要能承受足够大的电压和电流，却并非易事。关器件要能承受足够大的电压和电流，却并非易事。可以说，正是这个要求，阻碍了变频器的出现长达近可以说，正是这个要求，阻碍了变频器的出现长达近百年之久。百年之久。(3)接通和关断的控制必须十分方便接通和关断的控制必须十分方便最基本的控制如最基本的控制如:频率的上升和下降、改变频率的同频率的上升和下降、改变频

11、率的同时还要改变电压等等。时还要改变电压等等。4.3.3VVVF输入频率变化时，输输入频率变化时，输入功率入功率P1基本不变基本不变 由于在等速运行时，电动机的电磁转矩由于在等速运行时，电动机的电磁转矩TM总是和负载转矩相平衡的。所以，在负载转矩总是和负载转矩相平衡的。所以，在负载转矩不变的情况下，不变的情况下，TM也不变。而输出轴上的转速也不变。而输出轴上的转速nX必将随必将随fX下降而下降，由下式知，输出功率下降而下降，由下式知，输出功率P2也随也随fX的下降而下降。的下降而下降。当输入功率当输入功率P1不变而输出功率不变而输出功率P2减小时，传递减小时，传递能量的电磁功率能量的电磁功率P

12、M必增大。这意味着磁通必增大。这意味着磁通也必增也必增大，并导致磁路饱和。大，并导致磁路饱和。而电磁功率而电磁功率PM：定子绕组的反电动势是定子绕组切割旋转磁定子绕组的反电动势是定子绕组切割旋转磁场的结果，其有效值计算如下场的结果，其有效值计算如下:N1定子每相绕组的匝数定子每相绕组的匝数;1定子每对磁极下基波磁通，定子每对磁极下基波磁通，Wb;KE绕组的电势系数。绕组的电势系数。如果能保持如果能保持E1与与f1的比值为常数，则磁通的比值为常数，则磁通即为常数了。即为常数了。但是我们无法直接控制但是我们无法直接控制E1，所以就用，所以就用U1来近似。来近似。所以，变频的同时也必须变压，目的是为

13、所以，变频的同时也必须变压，目的是为了保持磁通基本不变。了保持磁通基本不变。设当频率下降为设当频率下降为fX时，电压下降为时，电压下降为UX，则，则：称为频率调节比，或简称调频比。称为频率调节比，或简称调频比。电压调节比，或简称调压比。电压调节比，或简称调压比。fN和和UN分别是频率和电压的额定值。分别是频率和电压的额定值。当当kUkF时，电压与频率成正比，其时，电压与频率成正比，其UXf(fX)曲曲线将通过原点，如图所示，称为基本线将通过原点，如图所示，称为基本U/f线。线。要实现变频又变压，可以考虑的方法有要实现变频又变压，可以考虑的方法有：(1)PAM（脉幅调制脉幅调制）在频率下降的同时

14、，使直流电压也随着下降。晶闸管的在频率下降的同时，使直流电压也随着下降。晶闸管的可控整流技术早已成熟，使整流后的直流电压与频率同步可控整流技术早已成熟，使整流后的直流电压与频率同步下降。图下降。图(b)是频率较高时的情形，这时，脉冲周期较短是频率较高时的情形，这时，脉冲周期较短(频率较高频率较高)，而脉冲幅值较大，而脉冲幅值较大;图图(c)是频率较低时的情形，是频率较低时的情形，这时，脉冲周期较长这时，脉冲周期较长(频率较低频率较低)，而脉冲幅值则较小。，而脉冲幅值则较小。(2)PWM（脉宽调制）（脉宽调制）将变频器输出波的每半个周期分割成许多个脉冲，通过将变频器输出波的每半个周期分割成许多个

15、脉冲，通过调节脉冲宽度和脉冲周期之间的调节脉冲宽度和脉冲周期之间的“占空比占空比”来调节平均电来调节平均电压，如图所示。压，如图所示。(3)SPWM(正弦脉宽调制正弦脉宽调制)脉冲宽度和占空比的大小按正弦规律分布，便脉冲宽度和占空比的大小按正弦规律分布，便是正弦脉宽调制是正弦脉宽调制(SPWM)，如图，如图(a)所示。当正弦所示。当正弦量较小时，脉冲的占空比也较小量较小时，脉冲的占空比也较小;反之，当正弦量反之，当正弦量为振幅值时，脉冲的占空比也较大。为振幅值时，脉冲的占空比也较大。SPWM的显著优点是的显著优点是:由于电动机的绕组具有电感性，由于电动机的绕组具有电感性，因此，尽管电压是由一系

16、列的脉冲构成的，但通入电因此，尽管电压是由一系列的脉冲构成的，但通入电动机的电流却十分逼近于正弦波，如图动机的电流却十分逼近于正弦波，如图(b)所示。所示。经过正弦脉宽调制后的脉冲系列中，各经过正弦脉宽调制后的脉冲系列中，各脉冲的上升沿与下降沿是由正弦波和三角脉冲的上升沿与下降沿是由正弦波和三角波的交点来决定的。这里，三角波是载波，波的交点来决定的。这里，三角波是载波，正弦波是调制波。所以，可以说，正弦波是调制波。所以，可以说，SPWM的脉冲系列，是调制波调制载波的结果。的脉冲系列，是调制波调制载波的结果。要具体地实施，必须实时地要具体地实施，必须实时地求出各相的正弦波与三角波的交点。它们求出

17、各相的正弦波与三角波的交点。它们的周期根据用户的需要而随时调整的周期根据用户的需要而随时调整;并且，并且，正弦波的振幅值也随周期而变。只有在微正弦波的振幅值也随周期而变。只有在微机技术高度发达的条件下，才有可能在极机技术高度发达的条件下，才有可能在极短的时间内实时地计算出正弦波与三角波短的时间内实时地计算出正弦波与三角波的所有交点。并使逆变管按各交点所规定的所有交点。并使逆变管按各交点所规定的时刻有序地导通和截止。的时刻有序地导通和截止。4.3.4变频后的机械特性，与自然特性对比变频后的机械特性，与自然特性对比 电动机的带负载能力主要体现在其机械特电动机的带负载能力主要体现在其机械特性上。所谓

18、性上。所谓机械特性机械特性，是在某一转速下，电动，是在某一转速下，电动机所能产生的电磁转矩的大小。机所能产生的电磁转矩的大小。电动机在没有人为地改变其参数时的机械特电动机在没有人为地改变其参数时的机械特性，称为性，称为自然机械特性自然机械特性。自然机械特性自然机械特性理想空载点理想空载点电动机输出轴上的转矩为电动机输出轴上的转矩为0，称为理想空载。，称为理想空载。在理想空载的情况下，电动机的转速可以达在理想空载的情况下，电动机的转速可以达到同步转速（旋转磁场的转速）到同步转速（旋转磁场的转速）n0，如图中之，如图中之N0点点所示。所以，理想空载点的坐标是所示。所以，理想空载点的坐标是:（0，n

19、0）。）。自然机械特性的主要特征可由三个点来描述自然机械特性的主要特征可由三个点来描述:起动点起动点电动机刚接通电源，但转速仍为时称为电动机刚接通电源，但转速仍为时称为起动点，这时的转矩称为起动转矩起动点，这时的转矩称为起动转矩TS，也叫堵，也叫堵转转矩，如图中之转转矩，如图中之S点所示。因此，起动点的点所示。因此，起动点的坐标是坐标是:（TS，0）起动转矩起动转矩TS的大小，说明了电动机带动负的大小，说明了电动机带动负载从静止状态逐渐起动起来的能力。通常，异载从静止状态逐渐起动起来的能力。通常，异步电动机的起动转矩应大于额定转矩的步电动机的起动转矩应大于额定转矩的1.5倍倍：TS1.5TMN

20、临界点临界点异步电动机的机械特性有一个拐点，如图中异步电动机的机械特性有一个拐点，如图中之之K点。在这一点，电动机所能产生的电磁转矩点。在这一点，电动机所能产生的电磁转矩最大，称为临界转矩，用最大，称为临界转矩，用TK表示，表示，K点称为临界点称为临界点。与此对应的转速称为临界转速点。与此对应的转速称为临界转速nK，相应地，相应地，有临界转差有临界转差nK和临界转差率和临界转差率sK。所以，临界点。所以，临界点的坐标是的坐标是:（TK，nK）临界转矩与额定转矩之比就是异步电动机的临界转矩与额定转矩之比就是异步电动机的过载能力。通常，过载能力应大于过载能力。通常，过载能力应大于2：TK2.0TM

21、N电动机在人为地改变了某个参数后所得到的机电动机在人为地改变了某个参数后所得到的机械特性，称为人工机械特性。械特性，称为人工机械特性。a)临界转矩减小为临界转矩减小为TK;b)临界转速临界转速nK不变。不变。a)临界转矩临界转矩TK不变不变;b)临界转速下降为临界转速下降为nK。Ku=Kf f f2 2 f f3 3 f f4 4 (1)f(1)fx x不同时，在相不同时，在相同转矩时速度降同转矩时速度降 n nx x变化很小，工作区的变化很小，工作区的机械特性曲线大致是机械特性曲线大致是平行的，保持了较硬平行的，保持了较硬的机械特性。的机械特性。（2 2）随着）随着f fx x的下降，的下降

22、，临界转矩临界转矩T TKXKX逐渐减小，逐渐减小，电动机带负载能力也电动机带负载能力也随之下降。随之下降。Kf1时的机械特性时的机械特性n n0 0T Tf f1 1 f f2 2 f f3 3 f f4 4 f f4 4f f3 3f f2 2f f1 1（1 1）f fx x升高时，升高时，T TKXKX几几乎按乎按1/1/的规律减的规律减小。小。（2 2）临界转差）临界转差 n nKXKX 变化很小，但因临界变化很小，但因临界转矩减小很多，故机转矩减小很多，故机械特性的倾斜度加大，械特性的倾斜度加大，工作区的机械特性略工作区的机械特性略为变软。为变软。4.3.5V/F控制控制 异步电动

23、机在满足异步电动机在满足kUkF(U/fconst)条件下条件下的机械特性如图所示。图中，曲线的机械特性如图所示。图中，曲线是在额定频是在额定频率下的自然机械特性，临界转矩为率下的自然机械特性，临界转矩为TKN，允许长，允许长时间运行的转矩即为额定转矩时间运行的转矩即为额定转矩TMN;曲线曲线是频率是频率较低时的机械特性，临界转矩为较低时的机械特性，临界转矩为TKX，比额定频，比额定频率时的临界转矩率时的临界转矩TKN小了一些，允许长时间运行小了一些，允许长时间运行的转矩称为有效转矩的转矩称为有效转矩TMEX，也小于额定转矩，也小于额定转矩TMN。可见，频率越低，电动机的有效转矩越小，可见，频

24、率越低，电动机的有效转矩越小，带负载能力也越小。带负载能力也越小。从根本上说，这是用从根本上说，这是用U1X/fXconst近似地代近似地代替替E1X/fXconst的结果，的结果，图示（图示（a a）是在额定频率下运行时，反电动势）是在额定频率下运行时，反电动势EN和外加电压和外加电压UN之间的关系。假设运行电流等于额之间的关系。假设运行电流等于额定电流定电流IN，则定子绕组的阻抗压降为，则定子绕组的阻抗压降为UN。当频率下降为当频率下降为fX时，在时，在kUkF的前提下，外加电的前提下，外加电压下降为压下降为UX。如果负载转矩未变，则定子电流仍为。如果负载转矩未变，则定子电流仍为IN，定子

25、绕组的阻抗压降，定子绕组的阻抗压降UX基本未变基本未变:UXUN。显然，阻抗压降显然，阻抗压降UX在外加电压在外加电压UX中所占的比例中所占的比例增大了，而反电动势增大了，而反电动势EX在外加电压在外加电压UX中所占的比例中所占的比例则减小了。就是说，当则减小了。就是说，当UX/fXconst时，比值时，比值EX/fX实实际上是随际上是随fX的下降而减小的。从而，主磁通的下降而减小的。从而，主磁通1也随也随之减小，如图之减小，如图(b)所示。所以，电动机的临界转矩所示。所以，电动机的临界转矩TKX和有效转矩和有效转矩TEX也都随之减小。也都随之减小。为了使为了使EX/fXconst的条件得到满

26、足，以维的条件得到满足，以维持磁通持磁通1基本不变：频率下降时，在基本不变：频率下降时，在UX/fXconst的基础上增加的基础上增加u，适当提高，适当提高UX/fX的比值，的比值，以补偿阻抗压降以补偿阻抗压降U在在UX中所占比例增大的影响。中所占比例增大的影响。这种方法称为转矩补偿或电压补偿，也叫转矩这种方法称为转矩补偿或电压补偿，也叫转矩提升。因为是通过改变提升。因为是通过改变U/f比来实现的，故通常比来实现的，故通常称为称为V/F控制法控制法。当频率为当频率为fX时，对应的电压增加为时，对应的电压增加为UXUXu，使，使UX/fXUN/fN。如补偿得恰到好处的话，。如补偿得恰到好处的话，

27、则反电动势与频率之比与额定状态基本相同，如则反电动势与频率之比与额定状态基本相同，如图图(b)所示，从而使磁通所示，从而使磁通X大体上与额定磁通相大体上与额定磁通相等等:XN。如图如图(a)所示，曲线所示，曲线是是kUkF时的时的U/f线，当线，当频率为频率为fX时，对应的电压为时，对应的电压为UX;曲线曲线是补偿后的是补偿后的U/f线。线。变频器的变频器的U/f线线 由于不同负载在低频运行时，负载轴上的由于不同负载在低频运行时，负载轴上的阻转矩也各不相同。阻转矩也各不相同。不同负载的阻转矩不同负载的阻转矩(a)二次方律负载二次方律负载阻转矩与转速的二次方成正比，如图中的阻转矩与转速的二次方成

28、正比，如图中的曲线曲线所示。低速时的阻转矩比额定转矩小得所示。低速时的阻转矩比额定转矩小得多多;(b)恒转矩负载恒转矩负载在不同的转速下在不同的转速下,负载的阻转矩基本不变负载的阻转矩基本不变,如如图中之曲线图中之曲线所示。低速时的阻转矩与额定转所示。低速时的阻转矩与额定转速时是基本相同的速时是基本相同的;(c)恒功率负载恒功率负载在不同的转速下，负载功率保持恒定，其在不同的转速下，负载功率保持恒定，其机械特性呈双曲线状，如图中之曲线机械特性呈双曲线状，如图中之曲线所示。所示。低速时的阻转矩比额定转速时还要大得多。低速时的阻转矩比额定转速时还要大得多。各种变频器提供的各种变频器提供的U/f线类

29、型很不相同，但线类型很不相同，但归纳起来，大致有以下几种归纳起来，大致有以下几种:（1）直线型直线型所提供的所提供的U/f线都是直线，如图线都是直线，如图(a)所示。有所示。有的变频器对所有的的变频器对所有的U/f线进行了编号，用户只需线进行了编号，用户只需根据需要选择一个编号即可根据需要选择一个编号即可；也有的变频器则选也有的变频器则选择起始电压与额定电压之比的百分数择起始电压与额定电压之比的百分数(UC%)。（2）折线型折线型由于在频率较高部分，实际上常不需要补偿。由于在频率较高部分，实际上常不需要补偿。因此，用户可预置需要补偿的转折频率因此，用户可预置需要补偿的转折频率ft，同时预，同时

30、预置一个起始电压即可，如图置一个起始电压即可，如图(b)所示。所示。（3）任意折线型任意折线型用户可预置用户可预置24个转折点，从而可使所需个转折点，从而可使所需U/f线为任意折线型，如图线为任意折线型，如图(c)所示。所示。（4）自动自动U/f线线各种变频器都设置了自动各种变频器都设置了自动U/f功能，变频器可功能，变频器可以根据定子电流的大小自动调整以根据定子电流的大小自动调整U/f比。这种方式比。这种方式对于一些在运行过程中阻转矩经常变动的负载来对于一些在运行过程中阻转矩经常变动的负载来说，是较好的选择说，是较好的选择;但对于阻转矩比较稳定的负载但对于阻转矩比较稳定的负载来说，如选择自动

31、来说，如选择自动U/f功能时，由于变频器处于不功能时，由于变频器处于不断的检测和调整状态，反显得不够稳定。断的检测和调整状态，反显得不够稳定。V/F控制法中，当转矩补偿线选定之后，控制法中，当转矩补偿线选定之后，电动机输入电压电动机输入电压U1X的大小只和工作频率的大小只和工作频率fX有关，有关，而和负载轻重无关。而和负载轻重无关。但许多负载在同一转速下，负载转矩是常但许多负载在同一转速下，负载转矩是常常变动的。例如塑料挤出机在工作过程中，负常变动的。例如塑料挤出机在工作过程中，负载的阻转矩是随塑料的加料情况、熔融状态以载的阻转矩是随塑料的加料情况、熔融状态以及塑料本身的性能等而经常变动的。及

32、塑料本身的性能等而经常变动的。V/F控制法的缺点控制法的缺点 用户在决定用户在决定U/f线时，只能根据负载最重线时，只能根据负载最重时的状况时的状况(I1I1N)进行选择。当负载较轻时，进行选择。当负载较轻时，电压的补偿量将处于电压的补偿量将处于“过补偿过补偿”状态。这是状态。这是因为因为：负载较轻时，电流负载较轻时，电流I1下降，定子绕组的下降，定子绕组的阻抗压降阻抗压降U也减小。结果，比值也减小。结果，比值E1X/fX将偏大，将偏大，使磁路饱和。使磁路饱和。上述分析表明，当变动负载采用上述分析表明，当变动负载采用V/F控制控制法时，电动机磁路的饱和程度将随着负载的法时，电动机磁路的饱和程度

33、将随着负载的变化而变化，这无疑是个瑕点，使它仍难以变化而变化，这无疑是个瑕点，使它仍难以和直流电动机相媲美。和直流电动机相媲美。4.3.6矢量控制矢量控制直流电动机的特点直流电动机的特点(a)磁场特点磁场特点它的主磁场和电枢磁场在空间是互相垂直它的主磁场和电枢磁场在空间是互相垂直的，如图的，如图(a)所示所示；(b)电路特点电路特点它的励磁电路和电枢电路是互相独立的，如它的励磁电路和电枢电路是互相独立的，如图图(b)所示。所示。在调节转速时，只调节其中一个电路的参数。在调节转速时，只调节其中一个电路的参数。仿照直流电动机的控制特点，对于调节频仿照直流电动机的控制特点，对于调节频率的给定信号，分

34、解成和直流电动机具有相同率的给定信号，分解成和直流电动机具有相同特点的磁场电流信号特点的磁场电流信号i*M和转矩电流信号和转矩电流信号i*T，并且假想地看作是两个旋转着的直流磁场的，并且假想地看作是两个旋转着的直流磁场的信号。当给定信号改变时，也和直流电动机一信号。当给定信号改变时，也和直流电动机一样，只改变其中一个信号，从而使异步电动机样，只改变其中一个信号，从而使异步电动机的调速控制具有和直流电动机类似的特点。的调速控制具有和直流电动机类似的特点。变频器的矢量控制基本构思变频器的矢量控制基本构思 对于控制电路分解出的控制信号对于控制电路分解出的控制信号i*M和和i*T，根，根据电动机的参数

35、进行一系列的等效变换，得到三相据电动机的参数进行一系列的等效变换，得到三相逆变桥的控制信号逆变桥的控制信号i*A、i*B和和i*C，对三相逆变桥，对三相逆变桥进行控制，如图所示。从而得到与直流电动机类似进行控制，如图所示。从而得到与直流电动机类似的硬机械特性的硬机械特性,提高了低频时的带负载能力。提高了低频时的带负载能力。低频转矩大低频转矩大即使运行在即使运行在1Hz(或或0.5Hz)时时,也能产生足够大的也能产生足够大的转矩转矩,且不会产生在且不会产生在V/F控制方式中容易遇到的磁控制方式中容易遇到的磁路饱和现象。路饱和现象。机械特性好机械特性好在整个频率调节范围内，都具有较硬的机械特性，在

36、整个频率调节范围内，都具有较硬的机械特性，所有机械特性基本上都是平行的。所有机械特性基本上都是平行的。动态响应好动态响应好尤其是有转速反馈的矢量控制方式，其动态响应尤其是有转速反馈的矢量控制方式，其动态响应时间一般都能小于时间一般都能小于100ms。能进行四象限运行能进行四象限运行矢量控制的主要优点矢量控制的主要优点根据在实行矢量控制时，是否需要转速反馈的根据在实行矢量控制时，是否需要转速反馈的特点，而有无反馈和有反馈矢量控制之分。特点，而有无反馈和有反馈矢量控制之分。无反馈矢量控制无反馈矢量控制是根据测量到的电流、电压和是根据测量到的电流、电压和磁通等数据，间接地计算出当前的转速，并进行必磁

37、通等数据，间接地计算出当前的转速，并进行必要的修正，从而在不同频率下运行时，得到较硬机要的修正，从而在不同频率下运行时，得到较硬机械特性的控制模式。由于计算量较大，故动态响应械特性的控制模式。由于计算量较大，故动态响应能力稍差。能力稍差。有反馈矢量控制有反馈矢量控制则必须在电动机输出轴上增加则必须在电动机输出轴上增加转速反馈环节，如图中的虚线所示。由于转速大小转速反馈环节，如图中的虚线所示。由于转速大小直接由速度传感器测量得到，既准确、又迅速。与直接由速度传感器测量得到，既准确、又迅速。与无反馈矢量控制模式相比，具有机械特性更硬、频无反馈矢量控制模式相比，具有机械特性更硬、频率调节范围更大、动

38、态响应能力强等优点。率调节范围更大、动态响应能力强等优点。无反馈矢量控制模式与无反馈矢量控制模式与有反馈矢量控制模式有反馈矢量控制模式 由于矢量控制必须根据电动机的参数进行一由于矢量控制必须根据电动机的参数进行一系列的演算，因此，其使用范围必将受到一些限系列的演算，因此，其使用范围必将受到一些限制。制。(a)电动机的容量电动机的容量电动机的容量应尽可能与变频器说明书中标明的电动机的容量应尽可能与变频器说明书中标明的“配用电动机容量配用电动机容量”相符，最多低一个档次。例相符，最多低一个档次。例如，变频器的如，变频器的“配用电动机容量配用电动机容量”为为45kW，电动，电动机的下一档容量为机的下

39、一档容量为37kW。则该变频器只能在配接。则该变频器只能在配接45kW或或37kW的电动机时，矢量控制功能是有效的电动机时，矢量控制功能是有效的。的。应用矢量控制的注意点应用矢量控制的注意点(b)电动机的磁极数电动机的磁极数以以2p=4(4极电动机极电动机)为最佳，要注意说明书中为最佳，要注意说明书中对磁极数的规定。对磁极数的规定。(c)电动机的型号电动机的型号以生产变频器的同一家公司生产的标准电动机以生产变频器的同一家公司生产的标准电动机或变频调速专用电动机为最佳，一般的通用电或变频调速专用电动机为最佳，一般的通用电动机也都可用。但特殊电动机动机也都可用。但特殊电动机(如高转差电动如高转差电

40、动机等机等)则不能用。则不能用。(d)电动机的台数电动机的台数矢量控制只适用于一台变频器控制一台电动机矢量控制只适用于一台变频器控制一台电动机的场合。的场合。当采用有反馈矢量控制模式时，变频器存当采用有反馈矢量控制模式时，变频器存在着一个转速反馈的闭环系统，并且为此专门在着一个转速反馈的闭环系统，并且为此专门配置了配置了PID调节系统，以利于在调节转速的过程调节系统，以利于在调节转速的过程中，或者拖动系统发生扰动中，或者拖动系统发生扰动(负载突然加重或减负载突然加重或减轻轻)时，能够使控制系统既反映迅速，又运行稳时，能够使控制系统既反映迅速，又运行稳定。定。速度控制的速度控制的PID功能功能4

41、.3.7转矩控制转矩控制转速控制的特点转速控制的特点(a)变频器输出频率的大小变频器输出频率的大小(从而电动机转速的高低从而电动机转速的高低)随给定信号的大小而变随给定信号的大小而变;(b)电动机的转矩大小是不能控制的电动机的转矩大小是不能控制的,它总是和负它总是和负载的阻转矩处于平衡状态。因此载的阻转矩处于平衡状态。因此,是随负载的轻重是随负载的轻重而随时变化的而随时变化的;(c)电动机转矩的限值是受发热和过载能力电动机转矩的限值是受发热和过载能力(取决于取决于临界转矩临界转矩)制约的。制约的。迄今为止，我们所讨论的变频调速，都是以迄今为止，我们所讨论的变频调速，都是以控制电动机的转速为目的

42、的。控制电动机的转速为目的的。转矩控制的特点转矩控制的特点转矩控制是矢量控制模式下的一种特殊控制方转矩控制是矢量控制模式下的一种特殊控制方式。其主要特点是式。其主要特点是:(a)给定信号并不用于控制变频器输出频率的大给定信号并不用于控制变频器输出频率的大小小,而是用于控制电动机所产生的电磁转矩的大而是用于控制电动机所产生的电磁转矩的大小，如小，如：当给定信号为当给定信号为10V时，电动机的电磁转时，电动机的电磁转矩为最大值矩为最大值Tmax；当给定信号为当给定信号为5V时，电动机时，电动机的电磁转矩为的电磁转矩为Tmax/2。(b)电动机的转速大小取决于电磁转矩和负载转电动机的转速大小取决于电

43、磁转矩和负载转矩比较的结果，只能决定拖动系统是加速还是减矩比较的结果，只能决定拖动系统是加速还是减速，其输出频率不能调节，很难使拖动系统在某速，其输出频率不能调节，很难使拖动系统在某一转速下等速运行。一转速下等速运行。如果给定的电动机转矩不变如果给定的电动机转矩不变(等于等于TMX)，而，而负载转矩变化，系统的运行如图负载转矩变化，系统的运行如图(a)中之曲线中之曲线所示所示。如果负载转矩不变，而给定的电动机转矩变化如果负载转矩不变，而给定的电动机转矩变化(等于等于TL)，则系统的运行如图，则系统的运行如图(b)中之曲线中之曲线所示所示:当电动机转矩小于负载转矩时，转速为当电动机转矩小于负载转

44、矩时，转速为0;当电动机转矩大于负载转矩时，拖动系统开始加速，当电动机转矩大于负载转矩时，拖动系统开始加速，加速度随动态转矩加速度随动态转矩(TJ=TM-TL)的增加而增加。的增加而增加。当负载转矩当负载转矩TL小于小于TMX时，拖动系统将加速，时，拖动系统将加速，并且一直加速至变频器预置的上限频率，拖动系并且一直加速至变频器预置的上限频率，拖动系统将按上限转速统将按上限转速H运行运行;当负载转矩当负载转矩TL超过超过TMX时时,拖动系统将减速拖动系统将减速;当负载转矩当负载转矩TL又小于又小于TMX时时,拖动系统又加速到上拖动系统又加速到上限转速限转速nH。转矩控制和转速控制的切换转矩控制和

45、转速控制的切换 由于转矩控制时不能控制转速的大小，所以，由于转矩控制时不能控制转速的大小，所以，在某些转速控制系统中，转矩控制主要用于起动在某些转速控制系统中，转矩控制主要用于起动或停止的过渡过程中。当拖动系统已经起动后，或停止的过渡过程中。当拖动系统已经起动后，仍应切换成转速控制方式，以便控制转速。仍应切换成转速控制方式，以便控制转速。(a)t1时段时段变频器发出运行指令时，如未得到切换信号，变频器发出运行指令时，如未得到切换信号，则为转速控制模式。变频器按转速指令决定其输则为转速控制模式。变频器按转速指令决定其输出频率的大小。同时，可以预置转矩上限出频率的大小。同时，可以预置转矩上限;转矩

46、控制转矩控制(b)t2时段时段变频器得到切换至转矩控制的信号变频器得到切换至转矩控制的信号(通常从外通常从外接输入电路输入接输入电路输入)，转为转矩控制模式。变频器按，转为转矩控制模式。变频器按转矩指令决定其电磁转矩的大小。同时，必须预转矩指令决定其电磁转矩的大小。同时，必须预置转速上限置转速上限;(c)t3时段时段变频器得到切换至转速控制的信号变频器得到切换至转速控制的信号,回到转速回到转速控制模式控制模式;(d)t4时段时段变频器的运行指令结束，将在转速控制模式变频器的运行指令结束，将在转速控制模式下按预置的减速时间减速并停止。下按预置的减速时间减速并停止。如果变频器的运行指令在转矩控制下

47、结束，如果变频器的运行指令在转矩控制下结束，变频器将自动转为转速控制模式，并按预置的减变频器将自动转为转速控制模式，并按预置的减速时间减速并停止。速时间减速并停止。转矩控制的应用转矩控制的应用用于牵引和起重装置的起动过程中，牵引装置用于牵引和起重装置的起动过程中，牵引装置主要有主要有：电气机车、电梯、起重装置等；电气机车、电梯、起重装置等；用于恒张力控制用于恒张力控制。4.3.8半导体器件半导体器件 半导体器件在初期阶段只能用于低压电路中，半导体器件在初期阶段只能用于低压电路中，当半导体器件能够承受高电压和大电流时，就形成当半导体器件能够承受高电压和大电流时，就形成了一门新的学科，即电力电子学

48、，也就广泛应用于了一门新的学科，即电力电子学，也就广泛应用于变频器和变频调速技术了。变频器和变频调速技术了。20世纪世纪60年代，大功率晶闸管年代，大功率晶闸管(SCR)首先亮相，变首先亮相，变频调速也因此而得到了实施。频调速也因此而得到了实施。晶闸管逆变电路晶闸管逆变电路 假设晶闸管假设晶闸管VR1已经处于导通状态，这时，已经处于导通状态，这时，A1点的电位与直流正端点的电位与直流正端(P端端)相同，而如果相同，而如果VR3和和VR5都处于截止状态的话，则都处于截止状态的话，则B1点和点和C1点都是点都是0电位。如要关断电位。如要关断VR1，必须令，必须令VR3或或VR5导通，导通，今假设今

49、假设VR3导通。在导通。在VR3导通的瞬间，导通的瞬间，B1点的电点的电位突然上升位突然上升513V，由于电容器，由于电容器C13两端的电压是两端的电压是不能跃变的，故不能跃变的，故A1点的电位也同时上升点的电位也同时上升513V，使，使VR1的阴极电位高于阳极电位，从而迫使的阴极电位高于阳极电位，从而迫使VR1截截止。止。由于晶闸管逆变桥是由同一侧的晶闸管相互由于晶闸管逆变桥是由同一侧的晶闸管相互关断的，所以，输出的电压波是矩形波，如图关断的，所以，输出的电压波是矩形波，如图(b)所示所示；而电流波则如图而电流波则如图(c)所示。所示。晶闸管变频器除了电压和电流波形不好外，还晶闸管变频器除了

50、电压和电流波形不好外，还因为用于相互关断的电容器要求电压较高、容量也因为用于相互关断的电容器要求电压较高、容量也较大，故价格昂贵。除此以外，在不同的负载电流较大，故价格昂贵。除此以外，在不同的负载电流下，晶闸管的关断条件也并不一致，这又影响了其下，晶闸管的关断条件也并不一致，这又影响了其工作的可靠性。工作的可靠性。所以，晶闸管虽然使变频调速成为了可能，实所以，晶闸管虽然使变频调速成为了可能，实现了近百年来人们对于变频调速的企盼。但由于缺现了近百年来人们对于变频调速的企盼。但由于缺点较多，故并未达到普及推广的阶段。点较多，故并未达到普及推广的阶段。20世纪世纪70年代，电力晶体管年代，电力晶体管