變頻器原理與應(yīng)用 第3版 教案 第7章 變頻器的控制方式

PAGE《變頻器原理及應(yīng)用（第3版）》電子教案PAGE第2頁共4頁中等職業(yè)教育課程改革國家規(guī)劃新教材《電子技術(shù)基礎(chǔ)》電子教案 PAGE1章節(jié)課題第7章變頻器的控制方式7.1U／f控制7.2轉(zhuǎn)差頻率控制（SF控制）課時(shí)2教學(xué)目的1.掌握變頻器常用的控制方式。2.掌握變頻器的U／f控制方式。3.了解轉(zhuǎn)差頻率控制方式。重點(diǎn)難點(diǎn)重點(diǎn)難點(diǎn)：變頻器的U／f控制方式。教學(xué)方法聯(lián)系工程實(shí)際講授變頻器常用的控制方式，使學(xué)生掌握變頻器的U／f控制方式，了解轉(zhuǎn)差頻率控制方式。。教具作業(yè)習(xí)題7-1；習(xí)題7-2；習(xí)題7-6課后小結(jié)變頻器的控制方式有：U／f控制、轉(zhuǎn)差頻率控制、矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制等。U／f控制是使變頻器的輸出在改變頻率的同時(shí)也改變電壓，通常是使U／f為常數(shù)，這樣可使電動(dòng)機(jī)磁通保持一定，在較寬的調(diào)速范圍內(nèi)，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩、效率、功率因數(shù)不下降。低頻時(shí)，可通過提高U/f比使輸出轉(zhuǎn)矩得到補(bǔ)償?shù)?，這種方法被稱作轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償。轉(zhuǎn)差頻率控制就是檢測出電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，構(gòu)成速度閉環(huán)，速度調(diào)節(jié)器的輸出為轉(zhuǎn)差頻率，通過控制轉(zhuǎn)差頻率來控制轉(zhuǎn)矩和電流，使速度的靜態(tài)誤差變小。教學(xué)內(nèi)容7.1U／f控制7.2轉(zhuǎn)差頻率控制（SF控制）知識(shí)目標(biāo)：1.掌握變頻器的U／f控制原理。2.了解轉(zhuǎn)差頻率控制原理。技能目標(biāo)：學(xué)會(huì)根據(jù)負(fù)載類型選擇變頻器的U／f控制曲線。教學(xué)內(nèi)容7.1U／f控制7.1.1U／f控制原理U／f控制是使變頻器的輸出在改變頻率的同時(shí)也改變電壓，通常是使U／f為常數(shù)，這樣可使電動(dòng)機(jī)磁通保持一定，在較寬的調(diào)速范圍內(nèi)，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩、效率、功率因數(shù)不下降。7.1.2恒U／f控制方式的機(jī)械特性觀察各條機(jī)械特性，它們的特征如下：1）從fN向下調(diào)頻時(shí)，n0x下移，TKx逐漸減小。2）fx在fN附近下調(diào)時(shí)：kf=ku→1，TKx減小很少，可近似認(rèn)為TKx≈TKN，fx調(diào)的很低時(shí)：kf=ku→0，TKx減小很快。3）不同fx時(shí)，臨界轉(zhuǎn)差ΔnKx變化不是很大，所以穩(wěn)定工作區(qū)的機(jī)械特性基本是平行的，且機(jī)械特性較硬。7.1.3對(duì)額定頻率fN以下變頻調(diào)速特性的修正在低頻時(shí)，TKx的大幅減小，嚴(yán)重影響到電動(dòng)機(jī)在低速時(shí)的帶負(fù)載能力，造成低頻時(shí)TKx教學(xué)內(nèi)容針對(duì)kf=ku下降時(shí)Ex在Ux的比重減小，從而造成ΦM和電磁轉(zhuǎn)矩TKx的下降的情況，可適當(dāng)提高調(diào)壓比ku，使ku＞kf，即提高Ux的值，使得Ex的值增加。從而保證Ex/fx＝常數(shù)。因此這種方法被稱作電壓補(bǔ)償，也有些資料稱為轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償。7.1.4U／f控制的功能低頻時(shí)U／f比決不可盲目取大。但在負(fù)載變化較大的拖動(dòng)系統(tǒng)，會(huì)不可避免的出現(xiàn)上述情況。例如：起重機(jī)械起吊的重物有時(shí)重，有時(shí)輕；電梯里的乘客有時(shí)多、有時(shí)少等等。負(fù)載變動(dòng)，則電流也必變動(dòng)，阻抗壓降也就變動(dòng)。而U／f比只能根據(jù)負(fù)載最重時(shí)的工況進(jìn)行設(shè)定，設(shè)定后是不能隨負(fù)載而變的。因此，在輕載時(shí)就出現(xiàn)了補(bǔ)償過分。針對(duì)U／f控制中的過分補(bǔ)償情況，一些高性能的變頻器都設(shè)置了自動(dòng)轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償功能。2.U／f控制功能的選擇為了方便用戶選擇U／f比，變頻器通常都是以U／f控制曲線的方式提供給用戶，讓用戶選擇的，如圖8-3所示。7.2轉(zhuǎn)差頻率控制（SF控制）轉(zhuǎn)差頻率控制就是檢測出電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，構(gòu)成速度閉環(huán)，速度調(diào)節(jié)器的輸出為轉(zhuǎn)差頻率，然后以電機(jī)速度對(duì)應(yīng)的頻率與轉(zhuǎn)差頻率之和作為變頻器的給定輸出頻率。由于通過控制轉(zhuǎn)差頻率來控制轉(zhuǎn)矩和電流，與U／f控制相比其加減速特性和限制過電流的能力得到提高。另外，它有速度調(diào)節(jié)器，利用速度反饋進(jìn)行速度閉環(huán)控制，速度的靜態(tài)誤差小，適用于自動(dòng)控制系統(tǒng)。教學(xué)內(nèi)容7.2.1轉(zhuǎn)差頻率控制原理如果保持電動(dòng)機(jī)的氣隙磁通一定，則電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩及電流由轉(zhuǎn)差角頻率決定，因此，若添加控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)差角頻率的功能，那么異步電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩就可以控制。轉(zhuǎn)差頻率是施加于電動(dòng)機(jī)的交流電壓頻率與電動(dòng)機(jī)速度(電氣角頻率)的差頻率，在電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子上安裝測速發(fā)電機(jī)(PG)等速度檢出器可以檢測電動(dòng)機(jī)的速度，檢測出的轉(zhuǎn)子速度加上轉(zhuǎn)差頻率(與產(chǎn)生所要求的轉(zhuǎn)矩相對(duì)應(yīng))就是逆變器的輸出頻率。7.2.2轉(zhuǎn)差頻率控制的系統(tǒng)構(gòu)成圖8-7為轉(zhuǎn)差頻率控制系統(tǒng)構(gòu)成圖。采用轉(zhuǎn)子速度閉環(huán)控制，速度調(diào)節(jié)器通常采用PI控制。它的輸入為速度設(shè)定信號(hào)ω2*和檢測的電機(jī)實(shí)際速度ω2之間的誤差信號(hào)。速度調(diào)節(jié)器的輸出為轉(zhuǎn)差頻率設(shè)定信號(hào)ωs*。變頻器的設(shè)定頻率即電動(dòng)機(jī)的定子電源頻率ω1*為轉(zhuǎn)差頻率設(shè)定值ωs*與實(shí)際轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速ω2之和。當(dāng)電動(dòng)機(jī)負(fù)載運(yùn)行時(shí)，定子頻率設(shè)定將會(huì)自動(dòng)補(bǔ)償由負(fù)載所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)差，保持電動(dòng)機(jī)的速度為設(shè)定速度。速度調(diào)節(jié)器的限幅值決定了系統(tǒng)的最大轉(zhuǎn)差頻率。章節(jié)課題7.3矢量控制（VC）7.4直接轉(zhuǎn)矩控制課時(shí)2教學(xué)目的1.掌握變頻器矢量控制方式。2.了解直接轉(zhuǎn)矩控制方式。重點(diǎn)難點(diǎn)重點(diǎn)難點(diǎn)：變頻器的矢量控制方式。教學(xué)方法聯(lián)系工程實(shí)際講授變頻器的矢量控制方式，使學(xué)生掌握變頻器的矢量控制方式原理，了解直接轉(zhuǎn)矩控制方式。。教具作業(yè)習(xí)題7-10；習(xí)題7-11課后小結(jié)矢量控制是通過控制變頻器輸出電流的大小、頻率及相位，用以維持電動(dòng)機(jī)內(nèi)部的磁通為設(shè)定值，產(chǎn)生所需的轉(zhuǎn)矩。是一種高性能的異步電動(dòng)機(jī)控制方式。直接轉(zhuǎn)矩控制是直接分析交流電動(dòng)機(jī)的模型，控制電動(dòng)機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩。教學(xué)內(nèi)容7.3矢量控制（VC）7.4直接轉(zhuǎn)矩控制知識(shí)目標(biāo)：1.掌握變頻器的矢量控制原理。2.了解直接轉(zhuǎn)矩控制原理。技能目標(biāo)：弄清楚使用矢量控制的要求。教學(xué)內(nèi)容7.3矢量控制(VC)矢量控制是通過控制變頻器輸出電流的大小、頻率及相位，用以維持電動(dòng)機(jī)內(nèi)部的磁通為設(shè)定值，產(chǎn)生所需的轉(zhuǎn)矩。7.3.1直流電動(dòng)機(jī)與異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速上的差異1．直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速特征直流電動(dòng)機(jī)具有兩套繞組，即勵(lì)磁繞組和電樞繞組，它們的磁場在空間上互差π/2電角度，兩套繞組在電路上是互相獨(dú)立的。2．異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速特征異步電動(dòng)機(jī)雖然也有兩套繞組，即定子繞組和轉(zhuǎn)子繞組，但只有定子繞組和外部電源相接，定子電流I1是從電源吸取電流，轉(zhuǎn)子電流I2是通過電磁感應(yīng)產(chǎn)生的感應(yīng)電流。因此異步電動(dòng)機(jī)的定子電流應(yīng)包括兩個(gè)分量，即勵(lì)磁分量和負(fù)載分量。勵(lì)磁分量用于建立磁場；負(fù)載分量用于平衡轉(zhuǎn)子電流磁場。既然直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速性能優(yōu)良，那么能否將異步電動(dòng)機(jī)的定子電流分解成勵(lì)磁電流和負(fù)載電流，并分別進(jìn)行控制，而它們所形成的磁場在空間上也能互差π/2電角度？如果能實(shí)現(xiàn)上述設(shè)想異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速就可以和直流電動(dòng)機(jī)相差無幾了。教學(xué)內(nèi)容7.3.2矢量控制中的等效變換異步電動(dòng)機(jī)的定子電流，實(shí)際上就是電源電流，我們知道，將三相對(duì)稱電流通入異步電動(dòng)機(jī)的定子繞組中，就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場，這個(gè)磁場就是我們所說的主磁場ΦM。設(shè)想一下，如果將直流電流通入某種形式的繞組中，也能產(chǎn)生和上述旋轉(zhuǎn)磁場一樣的ΦM，就可以通過控制直流電流實(shí)現(xiàn)先前所說的調(diào)速設(shè)想。7.3.3.直角坐標(biāo)／極坐標(biāo)變換在矢量控制系統(tǒng)中，有時(shí)需將直角坐標(biāo)變換為極坐標(biāo)，用矢量幅值和相位夾角表示矢量。7.3.4變頻器矢量控制的基本思想7.3.5使用矢量控制的要求1．矢量控制的給定；2．矢量控制的要求；3．使用矢量控制的注意事項(xiàng)7.3.6矢量控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)和應(yīng)用范圍優(yōu)點(diǎn)：1）動(dòng)態(tài)的高速響應(yīng)；2）低頻轉(zhuǎn)矩增大；3）控制靈活。應(yīng)用范圍：1）要求高速響應(yīng)的工作機(jī)械；2）適應(yīng)惡劣的工作環(huán)境；3）高精度的電力拖動(dòng)；4）四象限運(yùn)轉(zhuǎn)。教學(xué)內(nèi)容7.4直接轉(zhuǎn)矩控制7.4.1直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)圖8-13所示為按定子磁場控制的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的原理框圖，采用在轉(zhuǎn)速環(huán)內(nèi)設(shè)置轉(zhuǎn)矩內(nèi)環(huán)的方法，以