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1、第二章 电力电子变频器及PWM控制原理,山东大学 崔纳新,第二章,交-交变频器交-直-交变频器PWM控制基础PWM控制技术三相SPWM专用集成电路单片机和DSP用于PWM信号生成转速开环的U/f控制变频调速系统 转速闭环转差频率控制的变频调速系统,2. 7 转速开环的U/f控制变频调速系统,异步电机的动态数学模型复杂，好在不少机械负载，例如风机和水泵，并不需要很高的动态性能，只要在一定范围内能实现高效率的调速就行，因此可以只用电机的稳态模型来设计其控制系统。 常用的通用变频器控制系统就是采用转速开环恒压频比带低频电压补偿的控制方案。,2. 7 转速开环的U/f控制变频调速系统,概述 现代通用变
2、频器大都是采用二极管整流和由全控开关器件 IGBT 或功率模块IPM 组成的PWM逆变器，构成交-直-交电压源型变压变频器，已经占领了全世界0.5600kW 中、小容量变频调速装置的绝大部分市场。,2. 7 转速开环的U/f控制变频调速系统,所谓“通用”，包含着两方面的含义：（1）可以和通用的笼型异步电机配套使用；（2）具有多种可供选择的功能，适用于各种不同性质的负载。系统介绍 下图绘出了一种典型的数字控制通用变频器-异步电动机调速系统原理图。,1. 系统组成,泵升限制电路,进线电抗器,1. 系统组成,泵升限制电路由于二极管整流器不能为异步电机的再生制动提供反向电流的通路，所以除特殊情况外，通
3、用变频器一般都用电阻吸收制动能量。减速制动时，异步电机进入发电状态，首先通过逆变器的续流二极管向电容C充电，当中间直流回路的电压（通称泵升电压）升高到一定的限制值时，通过泵升限制电路使开关器件导通，将电机释放的动能消耗在制动电阻上。,1. 系统组成,进线电抗器 二极管整流器虽然是全波整流装置，但由于其输出端有滤波电容存在，因此输入电流呈脉冲波形。,这样的电流波形具有较大的谐波分量，使电源受到污染。 为了抑制谐波电流，对于容量较大的PWM变频器，都应在输入端设有进线电抗器，有时也可以在整流器和电容器之间串接直流电抗器。,控制系统构成,2. 7 转速开环的U/f控制变频调速系统,PWM信号产生可以
4、由微机本身的软件产生，由PWM端口输出，也可采用专用的PWM生成电路芯片。检测与保护电路各种故障的保护由电压、电流、温度等检测信号经信号处理电路进行分压、光电隔离、滤波、放大等综合处理，再进入A/D转换器，输入给CPU作为控制算法的依据，或者作为开关电平产生保护信号和显示信号。,信号设定需要设定的控制信息主要有：U/f 特性、工作频率、频率升高时间、频率下降时间等，还可以有一系列特殊功能的设定。由于通用变频器-异步电动机系统是转速或频率开环、恒压频比控制系统，低频时，或负载的性质和大小不同时，都得靠改变 U / f 函数发生器的特性来补偿，在通用产品中称作“电压补偿”或“转矩补偿”。,2. 7
5、 转速开环的U/f控制变频调速系统,实现补偿的方法有两种：一种是在微机中存储多条不同斜率和折线段的U / f 函数，由用户根据需要选择最佳特性；另一种办法是采用霍耳电流传感器检测定子电流或直流回路电流，按电流大小自动补偿定子电压。但无论如何都存在过补偿或欠补偿的可能，这是开环控制系统的不足之处。,2. 7 转速开环的U/f控制变频调速系统,工作频率设定,升降速时间设定,电压补偿设定,PWM产生,2. 7 转速开环的U/f控制变频调速系统,开环U/f控制变频器发展的特点是通用化、系列化和规模化生产。新一代的U/f控制变频器已经实现了转矩控制功能，具有无跳闸能力。由这种变频器驱动的通用异步电动机已
6、经具备了挖土机特性，像直流电动机一样，可以人为地设定其极限输出转矩。,第二章 电力电子变频器及PWM控制原理,交-交变频器交-直-交变频器PWM控制基础PWM控制技术三相SPWM专用集成电路单片机和DSP用于PWM信号生成转速开环的U/f控制变频调速系统 转速闭环转差频率控制的变频调速系统,2.8 转速闭环转差频率控制的变频调速系统,转速开环变频调速系统可以满足平滑调速的基本要求,静、动态性能都有限,提高静、动态性能,转速反馈闭环控制,怎样提高系统的动态性能呢？,问题的提出,电力传动的基本控制规律,任何电力拖动自动控制系统都服从于基本运动方程式 提高调速系统动态性能主要依靠控制转速的变化率 d
7、 / dt ，根据基本运动方程式，控制电磁转矩就能控制 d / dt ，因此，归根结底，调速系统的动态性能就是控制转矩的能力。,将,2.8 转速闭环转差频率控制的变频调速系统,1.3中介绍的恒 Es /1 控制（即恒 m 控制）时的电磁转矩公式为,代入上式，得,，是电机的结构常数。,2.8 转速闭环转差频率控制的变频调速系统,当电机稳态运行时，s 值很小，因而 s也很小，有1的百分之几，可以认为 s Llr Rr ，则转矩可近似表示为,令 s = s1 ，并定义为转差角频率。则,（2-41）,（2-42）式表明，在s 值很小的稳态运行范围内，如果能够保持气隙磁通m不变，异步电机的转矩就近似与转
8、差角频率s 成正比。这就是说，在异步电机中控制s ，就和直流电机中控制电流一样，能够达到间接控制转矩的目的。,（2-42）,一、转差频率控制的基本概念,控制转差频率就代表控制转矩，这就是转差频率控制的基本概念。,一、转差频率控制的基本概念,可以看出：在s 较小的稳态运行段上，转矩 Te基本上与s 成正比；当Te 达到其最大值Temax 时，s 达到smax值。,图2-54按恒m值控制的 Te=f (s ) 特性,当s 较大时，就得采用式（2-41）的精确转矩公式,把这个转矩特性（即机械特性） 画在左图。,一、转差频率控制的基本概念,对于式（2-41），取 dTe / ds = 0 可得,（2-
9、44）,（2-43）,在转差频率控制系统中，只要给s 限幅，使其限幅值为,就可以基本保持 Te与s 的正比关系，也就可以用转差频率控制来代表转矩控制。这是转差频率控制的基本规律之一。,二、转差频率控制实现的前提条件,上述规律是在保持m恒定的前提下才成立的，如何能保持m 恒定？,（6-65）,要实现恒 Es/1控制，须在Us/1 = 恒值的基础上再提高电压 Us 以补偿定子电流压降。,我们知道，按恒 Es/1 控制时可保持m恒定。,二、转差频率控制实现的前提条件,图2-53 不同定子电流时恒Es/控制所需的电压-频率特性,不同定子电流时恒 Es/1 控制所需的电压-频率特性 Us = f (1,
10、 Is),只要 Us 和1及 Is 的关系符合右图所示特性，就能保持 Eg/1 恒定，也就是保持 m 恒定。这是转差频率控制的基本规律之二。,2.8 转速闭环转差频率控制的变频调速系统,总结起来，转差频率控制的规律是：（1）在 s sm 的范围内，转矩 Te 基本上与 s 成正比，条件是气隙磁通不变。,O,定子电流增大,（2）在不同的定子电流值时，按右图的函数关系 Us = f (1 , Is) 控制定子电压和频率，就能保持气隙磁通m恒定。,系统组成,转差频率控制的转速闭环变频调速系统结构原理图,3. 转差频率控制的变频调速系统,控制原理,频率控制转速调节器ASR的输出信号是转差频率给定 s*
11、 ，与实测转速信号 相加，即得定子频率给定信号 1* ，即,（2-45）,FBS,逆变器,PWM,M3 ,ASR,控制原理,电压控制由 1和定子电流反馈信号 Is 从微机存储的 Us = f (1 , Is) 函数中查得定子电压给定信号 Us* ，用 Us* 和 1* 控制PWM电压型逆变器，即得异步电机调速所需的变压变频电源。,性能评价,转差角频率 s*与实测转速信号 相加后得到定子频率输入信号 1* 这一关系是转差频率控制系统突出的特点或优点。它表明，在调速过程中，实际频率1随着实际转速 同步地上升或下降，因此加、减速平滑而且稳定。,同时，由于在动态过程中转速调节器ASR饱和，系统能用对应于 sm 的限幅转矩Tem 进行控制，保证了在允许条件下的快速性。具有较好的静、动态性能，是一个比较优越的控制策略，结构也不算复杂。,性能评价（续）,Us = f (1 , Is) 函数关系中只抓住了定子电流的幅值，没有控制到电流的相位，而在动态中电流的相位也是影响转矩变化的因素。,本章主要内容,交-交变频器交-直-交变频器PWM控制基础PWM控制技术三相SPWM专用集成电路单片机和DSP用于PWM信号生成转速开环的U/f控制变频调速系统 转速闭环转差频率控制的变频调速系统,
