第5章 5.5转速开环、电压频率协调控制的变频调速系统
同步电机的变频调速系统
图2-3由交-交变压变频器供电的大型低速同步电动机调速系统
2.4
为了获得高动态性能，同步电动机变压变频调速系统也可以采用矢量控制，其基本原理和异步电动机矢量控制相似，也是通过坐标变换，把同步电动机等效成直流电动机，再模仿直流电动机的控制方法进行控制。但由于同步电动机的转子结构与异步电动机不同，其矢量坐标变换也有自己的特色。
（1）在电动机轴端装有一台转子位置检测器BQ（见图8-7），由它发出的信号控制变压变频装置的逆变器U I换流，从而改变同步电动机的供电频率，保证转子转速与供电频率同步。调速时则由外部信号或脉宽调制（PWM）控制UI的输入直流电压。
（2）从电动机本身看，它是一台同步电动机，但是如果把它和逆变器UI、转子位置检测器BQ合起来看，就象是一台直流电动机。直流电动机电枢里面的电流本来就是交变的，只是经过换向器和电刷才在外部电路表现为直流，这时，换向器相当于机械式的逆变器，电刷相当于磁极位置检测器。这里，则采用电力电子逆变器和转子位置检测器替代机械式换向器和电刷。
（3）同步电动机和异步电动机的定子都有同样的交流绕组，一般都是三相的，而转子绕组则不同，同步电动机转子除直流励磁绕组（或永久磁钢）外，还可能有自身短路的阻尼绕组。
（4）异步电动机的气隙是均匀的，而同步电动机则有隐极与凸极之分，隐极式电机气隙均匀，凸极式则不均匀，两轴的电感系数不等，造成数学模型上的复杂性。但凸极效应能产生平均转矩，单靠凸极效应运行的同步电动机称作磁阻式同步电动机。
在同步电动机中，除转子直流励磁外，定子磁动势还产生电枢反应，直流励磁与电枢反应合成起来产生气隙磁通，合成磁通在定子中感应的电动势与外加电压基本平衡。
《变频调速系统》课件
03
变频调速系统的控制策略
转矩控制
01
转矩控制是通过控制电机的输出转矩来满足系统的转矩需求。
02
在转矩控制中，电机的转速和转矩是独立控制的，可以根据负
载的需求精确地调整转矩。
转矩控制广泛应用于需要精确转矩控制的场合，如电梯、起重
03
机等。
速度控制
1
速度控制是通过控制电机的输出转速来满足系统 的速度需求。
群控管理
在多台电梯并存的场合，变频调速系统可以实现群控管理 ，根据乘客需求和电梯运行状态，智能调度和控制多台电 梯的运行，提高电梯的使用效率。
05
变频调速系统的维护与保养
日常维护与保养
01
02
03
每日检查
检查变频器是否有异常声 音、异常气味、过热等现 象。
清洁保养
定期清洁变频器的外壳和 散热风扇，保持其良好的 散热性能。
电力能源
用于风力发电、水力发 电等可再生能源设备的
控制和调节。
交通运输
应用于地铁、动车、船 舶和飞机等交通工具的
驱动和控制。
空调和制冷
变频空调和制冷设备能 够实现节能降耗，提高
舒适度。
变频调速系统的优缺点
节能降耗
根据实际需求调节电机速度，减少能源浪费。
精确控制
可以实现高精度的速度和位置控制。
变频调速系统的优缺点
定期检查与保养
定期检查
每季度或半年对变频器进行一次全面检查，包括 所有接线、元件、散热系统等。
保养内容
根据检查结果，对变频器进行必要的保养，如更 换元件、清洗散热系统等。
注意事项
在保养过程中，应遵循安全操作规程，确保人员 和设备安全。
06
变频调速基本原理及控制原理
变频调速基本原理及控制原理1.基本原理：目前使用较多的是“交—直—交”变频，原理如图1所示，将50Hz 交流整流为直流电Ud，再由三相逆变器将直流逆变为频率可调的三相交流供给鼠笼电机实现变频调速。
2.控制原理：变频调速装置主电路(见图2)由空气开关QF1，交流接触器KM1和变频器VF组成，由安装在配电柜面板上的转换开关SA，复位开关SB；或安装在现场防爆操作柱上启动按钮SB和停止按钮SB2控制VF的运行：(1)启动VF时必须先合上QF1和QF2，使SA置于启动位置，KM1便带动电触点闭合，来电显示灯HL2亮；此时按下SB，也可以按下现场SB1使KA1带电触点闭合，VF投入运行同时运行指示灯HL3亮。
(2)需要停止VF时，按下SB2使KA1失电，VF停止运行，此时HL3灭；置SA于停止位置，KM1断开同时HL1亮表示停机。
(3)如果在运行过程中VF有故障FLA、FLC端口将短接，KA2带电，KM 带电其触点断开，同时故障指示灯HL3亮并报警。
由于工艺条件复杂，实际运行过程中有多方面不确定因素，为安全其见，每台变频器均加有一旁路接触器 KM2；如果KM1或VF发生故障时保证电机仍能变频运行。
变频调速实行闭环负反馈自动控制即由仪表装置供给变频器1V和CC 端口4～20MA电信号，靠信号大小改变来控制VF频率高低变化达到调节电动机转速和输出功率的目的，使泵流量和实际工艺需求最佳匹配，实现仪表电气联合自动控制体系。
二、实际运用分析1.变频调速实行工艺过程控制，由于生产流程和工艺条件的复杂性；不通过实践有些问题不被人们认识，只有通过实践才能找出解决这此问题方法和途径。
在闭环控制回路中，变频器作用类似风开式调节阀，对于实用风关式调节阀控制回路需在变频器上设定最低下降频率，当仪表装置故障时变频器输出最低频率，保证电机运转，维持工艺流程最低安全量，不至于生产中断。
变频器下限频率设定必须通过实际测试，不能随意变动。
变频调速系统的构成及原理
变频调速系统的构成及原理
变频调速系统主要由变频器、电机和控制系统三大部分构成。
其中，变频器是变频调速系统的核心部件，它将电源输入的交流电转换为可调频率、可调幅值的交流电输出给电机，实现电机的调速控制。
其工作原理如下：
1. 变频器部分：变频器将电网提供的固定频率、固定幅值的交流电输入，通过整流、滤波等电路将交流电转换为直流电，然后再通过逆变电路将直流电转换为可调频率、可调幅值的交流电送给电机。
2. 电机部分：电机接收变频器输出的可调频率、可调幅值的交流电，并根据输入的频率和幅值进行相应的转速调节。
通常使用的电机为三相异步电机，也称为感应电机。
电机通过转子与旋转磁场之间的相互作用，实现机械能的转换。
3. 控制系统部分：控制系统主要由微处理器、传感器、编码器、人机界面等组成。
它实时监测电机的转速、输出负载等参数，并根据需求通过变频器调节输出频率和幅值，以实现对电机转速的精确控制。
控制系统可以根据预设的转速曲线、负载变化等参数进行相应调整，实现高效、稳定的调速控制。
通过以上的构成和原理，变频调速系统可以根据实际需求进行灵活的调速控制，实现节能降耗、控制精度高、工作稳定等优点，广泛应用于机械、电力、石化、
交通等领域。
变频调速系统技术原理及应用
变频调速系统技术原理及应用随着科技的不断发展，变频调速系统技术在工业领域中的应用越来越广泛。
变频调速系统是一种能够实现机械设备调速的技术，通过改变电源给电机供电的频率，实现电机的转速调节。
本文将介绍变频调速系统的技术原理以及在工业中的应用。
首先，电力电子器件是变频调速系统的核心组成部分。
变频调速系统通常采用交流到直流再到交流的方式，将电源提供的交流电转换为直流电，并通过逆变器将直流电转换为交流电。
这样就可以通过改变逆变器输出的交流电的频率来实现电机的调速。
其次，电机也是变频调速系统的重要组成部分。
电机是将电能转换成机械能的装置，根据工作方式的不同，可以分为直流电机和交流电机。
在变频调速系统中，通常采用交流电机，其中三相异步电机是应用最为广泛的一种。
通过改变电源供电的频率，可以改变电机的转速。
最后，运动控制系统是变频调速系统的关键组成部分。
运动控制系统通过对电机的控制，实现对机械设备的调速。
运动控制系统通常包括传感器、控制器和执行机构三个部分。
传感器用于感知电机的实时状态，控制器根据传感器的反馈信号，计算控制策略，并通过执行机构控制电机的转速。
变频调速系统在工业中有着广泛的应用。
首先，在机械加工领域，变频调速系统可以精确控制机床的进给速度，提高工件加工的精度和效率。
其次，在风机和水泵等风力和水力传动系统中，变频调速系统可以根据实际需要调整电机的转速，提高系统的稳定性和节能效果。
此外，在电梯和输送带等输送设备中，变频调速系统可以平稳控制设备的起停和运行速度，提高设备的使用寿命和安全性。
总体而言，变频调速系统技术是一种有效的实现机械设备调速的技术。
通过改变电源给电机供电的频率，可以实现对电机的转速调节。
变频调速系统在工业中有着广泛的应用，可以提高设备的性能和效率，降低能源消耗，同时也提高了工作环境的安全性。
随着科技的不断进步，相信变频调速系统技术将进一步得到发展和应用。
(完整word版)《交流调速系统》课后习题答案
《交流调速系统》课后习题答案第 5 章 闭环控制的异步电动机变压调速系统5-1 异步电动机从定子传入转子的电磁功率m P 中，有一部分是与转差成正比的转差功率s P ，根据对s P 处理方式的不同，可把交流调速系统分成哪几类？并举例说明。
答：从能量转换的角度上看，转差功率是否增大，是消耗掉还是得到回收，是评价调速系统 效率高低的标志。
从这点出发，可以把异步电机的调速系统分成三类 。
1）转差功率消耗型调速系统：这种类型的全部转差功率都转换成热能消耗在转子回路中，降电压调速、转差离合器调速、转子串电阻调速都属于这一类。
在三类异步电机调速系统中，这类系统的效率最低，而且越到低速时效率越低，它是以增加转差功率的消耗来换取转速的降低的（恒转矩负载时）。
可是这类系统结构简单，设备成本最低，所以还有一定的应用价值。
2）转差功率馈送型调速系统：在这类系统中，除转子铜损外，大部分转差功率在转子侧通 过变流装置馈出或馈入，转速越低，能馈送的功率越多，绕线电机串级调速或双馈电机调速属于这一类。
无论是馈出还是馈入的转差功率，扣除变流装置本身的损耗后，最终都转化成 有用的功率，因此这类系统的效率较高，但要增加一些设备。
3）转差功率不变型调速系统：在这类系统中，转差功率只有转子铜损，而且无论转速高低，转差功率基本不变，因此效率更高，变极对数调速、变压变频调速属于此类。
其中变极对数 调速是有级的，应用场合有限。
只有变压变频调速应用最广，可以构成高动态性能的交流调速系统，取代直流调速；但在定子电路中须配备与电动机容量相当的变压变频器，相比之下，设备成本最高。
5-2 有一台三相四极异步电动机，其额定容量为5.5kW ，频率为50Hz ，在某一情况下运行，自定子方面输入的功率为6.32kW ，定子铜损耗为341W ，转子铜损耗为237.5W ，铁心损耗为167.5W ，机械损耗为45W ，附加损耗为29W ，试绘出该电动机的功率流程图，注明各项功率或损耗的值，并计算在这一运行情况下该电动机的效率、转差率和转速。
变频调速系统控制
§5.1变频调速的主要技术指标
二、主要技术指标
评价系统调速性能的技术指标可分为静态指标和动态指标
1、静态性能指标
（1）调速范围D （a）定义：指电动机在额定负载运行时最高转速nmax与最低 转速nmin之比，即D= nmax / nmin （b）不同的生产机械对调速范围要求不同
例：车床调速范围：20~120，钻床：2~12，铣床：20~30 （c）一般情况下电气调速范围要大于机械调速范围，对于一 般的变频器，其最低工作频率可达到0.5Hz，即在额定频率（ f1e=50Hz）以下调速时调速范围D= 50/0.5=100
，因此异步电动机无法象直流电动机那样能直接对Φ、I2 独立分开控制
§5.3闭环控制
二、矢量控制
2、直流电动机和异步电动机调速特征
（3）对异步电动机调速的思考
（a）直流电动机之所以具有良好的动、静态调速性能，是
因为具有一个能独立控制的、空间位置固定的励磁磁通，
和一个经电刷换向器引入的电枢电流。
（b）既然直流电动机的调速有那么多的优势，调速后电动
§5.1变频调速的主要技术指标
一、概述
4、在闭环控制中如果仅仅采用简单的速度负反馈控制，只能 保证一定的调速精度，不能控制转矩，无法保证良好的动态 调速性能，当系统急剧加减速时电动机容易滑入不稳定区， 造成电动机不稳定甚至停止工作。因此需要采用较复杂的闭 环反馈控制技术如转差频率控制、矢量控制及直接转矩控制 5、20世纪90年代以来随着大规模集成电路和计算机技术在变 频调速领域中应用，控制系统开始向全数字控制、智能控制 方向发展，进一步保证了系统的调速性能 6、为了衡量变频调速控制系统的控制质量，需要建立系统的 技术评价体系和指标，为评价系统的调速性能提供一个统一 的衡量标准
运动控制系统 第四版 第5章习题
5-5、按基频以下和以上，分析压频协调的控制方式，画出： （1）恒压恒频正弦波供电时异步电动机机械特性。 （2）基频以下，电压-频率协调控制的异步电动机机械特性。 （3）基频以上，恒压变频协调控制时异步电动机机械特性。 （4）电压-频率特性曲线U=f(f)。 （5，补）对异步电动机不同电压-频率协调控制时的机械特性进 行分析比较（从：特性硬度、电压补偿、临界转速等方面）。 解：
• 恒定子磁通、恒 气隙磁通控制， 临界转矩恒定； • 恒气隙磁通控制 的临界转矩更大.
1. 恒压恒频控制
2. 基频以下，电压频率协调控制
3. 基频以上，恒电变频控制
4、电压频率特性
（5）对异步电动机不同电压-频率协调控制时的机械特性，进行 分析比较如下：
（A）恒压频比控制：控制较简单； 机械特性基本是上下平移，特性硬度也较 ）恒压频比控制： 好；当转矩增大到最大值以后，若转速再降低，特性就折回来了；低速 时，最大电磁转矩降低，带负载能力降低。 （B）恒定子磁通控制：要对定子电阻压降进行补偿；调速时机械特性基本上 是上下平移，特性比恒压频比控制硬些，临界转矩大于恒压频比控制。 （C）恒气隙磁通控制：需要对定子漏阻抗压降进行补偿；调速时机械特性基 本上时上下平移，特性比恒定子磁通控制略硬；临界转矩大于恒定子磁 通控制。恒气隙磁通控制时低频电压补偿的标准。 （D）恒转子磁通控制：不但要补偿定子漏阻抗压降，还要补偿转子漏电抗压 降；机械特性为线性，和直流电动机类似；在动态中尽可能保持转子磁 通控制，是矢量控制所追求的目标。 （E）基频以上恒压变频控制：当频率提高时，同 ）基频以上恒压变频控制： 步转速随之提高，最大转矩减小，机械特性 上移，而形状基本不变。 （F）恒压频比控制、恒定子磁通控制、恒气隙磁 通控制，机械特性都是非线性的，都有最大 转矩限制；上述三种压频协调控制和恒转子 磁通控制方式，都属于恒转矩控制方式。基 频以上调速，属于恒功率调速方式。
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实例
二、 电压频率协调控制系统
1. 系统组成
KK
UURR
RRR00 0
RRR111
RRRb
UUII
~~
bb
MM
33~~
RRR222
VVTT
bb
显显示示
单单
设设定定
片片
机机
接接口口
电电压压 泵泵升升 电电流流 温温度度 电电流流 检检测测 限限制制 检检测测 检检测测 检检测测
PPWWMM 发发生生器器
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， 使系统达到恒定，甚至恒定的功能，在通用产品中称作“电压补偿”或 “转矩补偿”。
驱驱动动 电电路路
2. 电路分析
主电路——由二极管整流器UR、PWM逆变器UI和中间直流电路三部分组成， 一般都是电压源型的，采用大电容C滤波，同时兼有无功功率交换的作用。 限流电阻：为了避免大电容C在通电瞬间产生过大的充电电流，在整流器和滤 波电容间的直流回路上串入限流电阻（或电抗），通上电源时，先限制充电 电流，再延时用开关K将短路，以免长期接入时影响变频器的正常工作，并产 生附加损耗。
南阳志联软件
5.5 转速开环、电压 频率协调控制的变频调速系统
一、 电压频率协调控制方式
▼基频以上调速
在基频以上调速时，频率从额定频率f1N向上升高，但定子电压Us 不可能超 过额定电压UsN，最多只能保持Us = UsN (额定电压)。
这将迫使磁通与频率成反比地降低，相当于直流电机弱磁升速的情况。
在基频以下，磁通恒定时转矩也恒定，属于“恒转矩调速”性质，而在基频 以上，转速升高时转矩降低，基本上属于“恒功率调速”。
把基频以下和基频以上两种情况的控制特性画在一起，如下图所示。
变压变频控制特性
Us Φm
UsN ΦmN
恒转矩调速
Us
恒功率调速 Φm
O
f1N
f1
异步电机变压变频调速的控制特性
小结: 所谓电压/频率协调控制，就是在调节交流电机供电电源频率的同时对供电电 压幅值也进行相应的控制。在不同的调速区域，具体的控制目的和结果又是 不一样的。通常在额定频率（基频）以下的转速调节，其控制目的是保证整 个调速范围内磁通Øm为额定值不变，属恒转矩调速；在基频以上的转速调节， 属恒功率调速。
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，通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。 为了便于散热，制动电阻器常作为附件单独装在变频器机箱外边。
综上所述，PWM变压变频器的基本控制作用如图6-39所示。近年来，许多企 业不断推出具有更多自动控制功能的变频器，使产品性能更加完善，质量不 断提高。
工作频 率设定
升降速 时间设定
电பைடு நூலகம்补偿设定
PWM产生
斜坡函数 f*
t
U / f 曲线 u
f
脉冲发生器 f
u
驱动 电路
PWM电压/频率协调控制变频器的基本控制原理
PWM信号产生——可以由微机本身的软件产生，由PWM端口输出，也可采 用专用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。
补偿方法
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。
给定积分——由于系统本身没有自动限制起制动电流的作用，因此频定设定 信号必须通过给定积分算法产生平缓升速或降速信号，升速和降速的积分时 间可根据负载需要由操作人员分别选择。
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，如下图所示。
三相二极管整流电路的输入电流波形
控制电路——现代PWM变频器的控制电路大都是以微处理器为核心的数字 电路，其功能主要是接受各种设定信息和指令，再根据它们的要求形成驱动 逆变器工作的PWM信号。微机芯片主要采用8位或16位的单片机，或用32位 的DSP，现在已有应用RISC的产品出现。