变频调速技术及电机设计(3)

动机的\转速检测回路\，根据运算回路的结果生成相应的PWM脉冲并进行隔离和放大的\生成及驱动回路\，以及变频器和电动机的\保护回路\。

1)运算回路 将外部的转速、转矩等指令同检测回路的电流、电压信号进行比较运算，决定变频器的输出电压、频率。

2)电压／电流检测回路 检测主回路电压、电流等，检测方法示于表2-1 表2-1 检测方式

项 目 方 式 电流 检测 电压 检测 特 点 电流互感器 只能检侧交流 分流器 交直流两用，需要隔离放大器 霍尔传感器 交直流两用，有温度漂移 电压互感器 只能检测交流 电阻分压 交直流两用，需要隔离放大器 3)驱动回路 为驱动主回路功率开关器件的回路。它与控制回路隔离，使主回路功率器件导通、关断。

4)速度检测回路 在异步电动机轴上装上转速检测器检测转速信号并送人运算回路，根据指令和运算可使电动机按指令转速运转。

5）保护回路 检测主回路的电压、电流等，当发生过载或过电压等异常时，停止变频器工作或抑制电压、电流值，以防止变频器和异步电动机损坏。

（2）模拟控制与数字控制 由于LSI技术的发展，数字控制的应用增加了。使用常规或微机控制，具有可靠、高性能、多功能等优点。表2-3为模拟控制与数字控制的比较，有表可以看出，数字控制在调整、稳定性、精度等方面均优于模拟控制。 表2-3 模拟控制与数字控制的比较 项 目 模 拟 控 制 易受温度变动、日长月久稳定性、精度 产生的变化和器件离散性的影响 调整 器件数量 分辨率(电压、 频率、速度) 有时需要再调整，调整点多且繁杂，可微调 多 数 字 控 制 不易受温度变动、日长月久产生的变化和器件离散性的影响 基本上不需要再调整，调整点少 少(门极固化电路、微机化) 能连续变化，可进行微小由微处理机比特数决定，可高可低，对于需控制，但稳定性较差 要微细控制的场合用比特数多的微处理机 第 11 页 共 59 页

运算速度 抗干扰性

3.保护回路

并联运算，高速 为离散系统，决定于离散时间和处理时间 易受干扰的影响，用滤波如果抑制在数字IC变化水平以下，则不易 器难以除去 受影响 变频器控制回路中的保护回路，可分为变频器保护和异步电动机保护两种，表2-4为保护功能种类。

（1）变频器保护 1)瞬时过电流保护 由于变频器负载短路等，流过变频器件的电流达到异常值（超过允许值）时，立即停止变频器工作，切断电流。 表2-4 保护功能种类 保护对象 保护功能 保护对象 保护功能 1．瞬时过电流(短路) 异步电动机保护 1．过载保护 保护 2．过载保护 3．再生过电压保护 变频器保护 4．瞬时停电保护 1．过电流失速保护 2．再生过电压失速保护 2．超频(超速)保护 5．对地过电流(短路) 其他保护 保护 6．冷却风机异常(过热)保护 2)过载保护 变频器输出电流超过额定值，且连续流通超过规定时间，为了防止变频器内元器件、电线等损坏，必须停止运行。通常采用热继电器或者电子热保护(使用电子回路)，这种保护具有反时限特性。过负载是由于负载的飞轮力矩过大或因负载超过变频器容量而产生的。

3)再生过电压保护 采用变频器使电动机快速减速时，由于再生功率引起直流电路电压升高，有时超过允许值。可以采取减缓电动机减速率或停止变频器运行的办法，防止产生过电压。

4)瞬时停电保护 对于毫秒以内的瞬时停电，控制回路仍工作正常。但瞬时停电如果达数十毫秒以上时，通常不仅控制回路误动作，主回路也不能供电，此时应在检测停电后使变频器停止运行。

5)对地过电流保护 由于意外原因造成变频器负载侧接地时，为了保护变频器，要有对地过电流保护功能。为了确保人身安全，还需要装设漏电继电器。

6)冷却风机异常 有冷却风机的装置，当风机异常时排风受阻，装置内温度将上升，因此采用风机热继电器或在元件散热器上装设温度传感器监视温度，发现异常后

第 12 页 共 59 页

停止变频器运行。在温度上升很小对运行无妨碍的场合，可以省略。 (2)异步电动机的保护

1)过载保护 过载检测装置与变频器保护共用，特别是低速运行过热时，通过异步电动机内埋人温度检测器，或者利用装在变频器内的电子热保护来检测过热。起停动作频繁时，应考虑减轻电机负载或增加电机及变频器容量等。

2)超频(超速)保护 变频器的输出频率或者异步电动机的速度超过规定值时，停止变频器运行。 (3)其他保护

1)过电流失速保护 急加速时，如果异步电动机跟踪迟缓，则过电流保护回路将动作。若使变频器输出频率暂时保持不变或使之下降，短时间里以抑制电流的增大。当异步电动机加速之后，负载电流开始减小，变频器的输出频率又升高，使电机继续加速，从而避免发生过流保护，造成停机，称此为过电流失速保护。对于恒速运行中的过电流，有时也要进行同样的控制。

2)再生过电压失速保护 减速时产生的再生能量会使主回路直流电压上升，为了防止再生过电压，保护回路动作。在直流电压下降之前要进行控制，抑制频率下降，防止因过电压引起保护而停机，称此为再生过电压失速保护。

2.3 变频器的控制方式

2.3.1U/f控制

按照一定的电压和频率关系对变频器的频率和电压进行控制，称为U/f控制方式。基频以下可以实现恒转矩调速，基频以上则可以实现恒功率调速。

U/f方式又称为VVVF控制方式，逆变器中开关元件用SPWM方式进行控制。逆变器的控制脉冲发生器同时受控于频率指令和电压指令，而它们之间的关系是由U/f曲线发生器决定的，这样经SPWM控制之后，变频器的输出频率f和输出电压U之间的关系，就是U/f曲线发生器所确定的关系。因此可见，转速的改变是靠改变频率的设定值来实现的。电动机的实际转速要根据负载的大小，即转差率的大小来决定。负载变好时，在设定值不变条件下，转子速度将随负载转矩而变化。故常用于速度精度要求不十分严格或负载变动较小的场合。

U/f控制是转速开环控制，无需速度传感器，控制电路简单，负载可以是通用标准异步电动机，所以通用性强，经济性好，是目前通用变频器产品中使用较多的一种控制方式。

2.3.2转差率控制

在没有任何附加措施的情况下，当处于U/f控制方式下运行时，如果负载变化，转速也会随之变化，转速的变化量与转差率成正比，U/f控制的静态调速精度显然较差。为提高调速精度，采用转差率控制方式。根据速度传感器的检测，可以求出转差角频率，再把它与速度设定值相叠加，以该叠加值作为逆变器的频率设定值，就实现了转差补偿。这种实现转差补偿的闭环控制方式，称为转差频率控制方式。与U/f控制方式相比，由于转差补偿的作用，其调速精度大为提高。但其使用速度传感器求取转差角频率，要针对具体电动机的机械特性调整控制参数，因而这种控制方式的通用性较差。

2.3.3转差矢量控制

上述的U/f控制方式和转差频率控制方式的控制思想，都建立在异步电动机的静态数学模型上，因此动态性能指标不高。对于轧钢、造纸设备等动态性能要求较高的场合，可以采用矢量控制变频器。采用矢量控制方式的目的，主要是为了提高变频调速的动态性能。根据交流电动机的动态数学模型，利用坐标变换的手段，将交流电动

第 13 页 共 59 页

机的定子电流分解成磁场分量和转矩分量，并分别加以控制，即模仿自然解耦的直流电动机的控制方式，对电动机的磁场和转矩分别进行控制，以获得类似直流调速系统的动态性能。

在矢量控制方式中，磁场电流和转矩电流可以根据可测定的电动机定子电压和电流的实际值用计算方法求得。磁场电流和转矩电流再与相应的设定值相比较，并根据需要进行必要的校正。

第三章 变频调速异步电动机的谐波性能分析

当交流电动机在非正弦电源下运行时，定子电压可以分解为基波分量和一系列谐波分量。如果忽略磁饱和的影响，电动机可以当作一个线性元件采用叠加原理来分析。也就是可以对基波电压和各次谐波电压进行分别分析，即可把谐波响应曲线相加得出非正弦电压下总的响应曲线。这样电动机的电流或转矩等于电源波形中各电压分量的电流或转矩之和。为了分析方便，把电动机的电流或转矩用标么值来表示。

(一)谐波等值电路

正弦电压下异步电动机一相的等值电路图如图3—1a所示。在此电路图中，忽略了铁损和磁路饱和影响。

图3-1 异步电动机的等值电路图

a) 基波频率等值电路 b) k次谐波等值电路

相对于基波旋转磁场的转子转差率以s1表示，则 s1?n1?n (3—1) n1式中 n1——旋转磁场的同步转速； n——转子实际转速。

相电流的k次谐波产生转速为kn1的正向旋转或反向旋转的时间谐波磁动势。正向旋转谐波磁场的转子转差率为

sk?而反向旋转磁场的转差率为 sk?kn1?n kn1kn1?n kn1第 14 页 共 59 页

因此通常的表达式应为 sk?kn1?n (3—2) kn1式中——“一’’号为正序谐波，“+”号为负序谐波。

把式(3-1)的n代入式(3-2)，谐波转差率sk可以用s1表示，则得 sk?(k?1)?s1 (3—3) k图3—1a所示的基波等值电路可改成适应于k次谐波电压和电流的等值电路，如图3—1b所示。谐波转差率sk代替了基波转差率s1，所有的电抗增大了k倍。定子和转子电阻也由于谐波频率下的集肤效应而增大。严格地说，转子的漏抗也因集肤效应而有所改变，这在精确计算时必须加以考虑。

由式(3—12)可知，电动机正常运行时，sk的变化很小。如果电动机的转速由同步转速下降到0，基波转差率s1由0增加到1，但5次谐波的转差率s5，仅从0.8增加到1，s7的相应变化为0.857～1，对更高次谐波sk更接近1。图3—1b所示的谐波等值电路，略去电阻后可简化为图3—2a。由于电感随频率的增加而成线性增长，而转子电阻因集肤效应随频率的增加较少，因而作上述简化是可行的。由于sk接近于1，在谐波频率下电路电阻与电抗相比也可以忽略不计。通常，并联的励磁电抗远远大于转子的漏抗，所以可将并联支路省略，变成图3—2b的形式。因此，电动机的谐波电流阻抗近似为k(X1+X2)，这里的X1和X2分别为电源基波频率下定子和转子的漏抗。

图3-2 用于谐波电流近似计算的等值电路

零序定子电流谐波的时间相位相同，因而不产生空间基波旋转磁势。然而，零序电流却可以在气隙中建立脉动的空间谐波磁势，而每一个脉动波又可分解为一个正向的和一个反向的行波。这些磁通波在旋转的转子中感应出不同的谐波电流，因此零序定子电流的存在也会影响电动机的转矩。由于零序电流只有在电源和负载间有中性线的情况下才存在，否则零序电流没有回路。对于静止变流器供电的变频调速电动机，一般都没有零序电压，因此不存在零序谐波的影响。

对于图3—1a中的基波等值电路仅适用于多相异步电动机，但谐波等值电路对于磁阻电动机或同步电动机也是适用的，因为这些电动机对时间谐波磁势是异步运行的。

第 15 页 共 59 页

百度搜索“77cn”或“免费范文网”即可找到本站免费阅读全部范文。收藏本站方便下次阅读，免费范文网，提供经典小说综合文库变频调速技术及电机设计(3)在线全文阅读。