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交流调速原理及应用
交流调速原理及应用
第一单元 交流调速的原理
——异步电机变压变频调速系统（VVVF系统）

异步电机的变压变频调速系统一般简称为变频调速系统.由于在调速时转差功率不随转速而变化，调速范围宽，无论是高速还是低速时效率都较高，在采取一定的技术措施后能实现高动态性能,可与直流调速系统媲美,因此现在应用面很广.

第一节 变压变频调速的基本控制方式
定子每相电动势

只要控制好 Eg 和 f1 ，便可达到控制磁通Fm 的目的，对此,需要考虑基频(额定频率）以下和基频以上两种情况。
1、基频以下调速
要保持 Fm 不变，当频率 f1 从额定值 f1N 向下调节时，必须同时降低 Eg ，使

即采用恒值电动势频率比的控制方式。
然而，绕组中的感应电动势是难以直接控制的，当电动势值较高时，可以忽略定子绕组的漏磁阻抗压降，而认为定子相电压 Us ≈ Eg，则得

O
Us
f 1
图1 恒压频比控制——U/f曲线
UsN
f 1N
a —无补偿
b —带定子压降补偿
这是恒压频比的控制方式。
但是，在低频时 Us 和 Eg 都较小,定子阻抗压降所占的份量就比较显著,不再能忽略。这时，需要人为地把电压 Us 抬高一些，以便近似地补偿定子压降。
带定子压降补偿的恒压频比控制特性示于图1中的 b 线，无补偿的控制特性则为a 线。
2、基频以上调速
在基频以上调速时,频率应该从 f1N 向上升高,但定子电压Us 却不可能超过额定电压UsN ，最多只能保持Us = UsN ，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。
把基频以下和基频以上两种情况的控制特性画在一起，如图2所示。
f1N
图2 异步电机变压变频调速的控制特性
恒转矩调速
Us
UsN
ΦmN
Φm
恒功率调速
Φm
Us
f1
O
如果电机在不同转速时所带的负载都能使电流达到额定值，即都能在允许温升下长期运行,则转矩基本上随磁通变化，按照电力拖动原理，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”。

第二节 异步电动机电压－频率协调控制时的机械特性

1、 恒压恒频正弦波供电时异步电动机的机械特性
当定子电压Us和电源角频率w1恒定时，异步电机在恒压恒频正弦波供电时的机械特性方程式Te= f (s)如下：

当s很小时，转矩近似与s成正比，机械特性Te= f (s）是一段直线。当s接近于1时，转矩近似与s成反比,机械特性Te= f （s）是一段双曲线。当s为以上两段的中间数值时,机械特性从直线段逐渐过渡到双曲线段，如图3所示.
sm
n
n0
s
Te
1
0
0
Te
Temax
Temax
图3 恒压恒频时异步电机的机械特性

2、 基频以下电压—频率协调控制时的机械特性
对于同一组转矩Te和转速n（或转差率s）的要求，电压Us和频率w1可以有多种配合。在Us和w1的不同配合下机械特性也是不一样的，因此可以有不同方式的电压－频率协调控制.各种控制方式的机械特性如图4所示。
0
s
1
0
Te
图4 不同电压－频率协调控制方式时的机械特性
恒 Er /w1 控制
恒 Eg /w1 控制
恒 Us /w1 控制
a
b
c

第三节 变压变频调速系统中的脉宽调制(PWM）技术
1、 正弦波脉宽调制（SPWM）技术
以正弦波作为逆变器输出的期望波形,以频率比期望波高得多的等腰三角波作为载波(Carrier wave)，并用频率和期望波相同的正弦波作为调制波（Modulation wave），当调制波与载波相交时，由它们的交点确定逆变器开关器件的通断时刻，从而获得在正弦调制波的半个周期内呈两边窄中间宽的一系列等幅不等宽的矩形波。
图5 SPWM原理
按照波形面积相等的原则，每一个矩形波的面积与相应位置的正弦波面积相等，因而这个序列的矩形波与期望的正弦波等效。这种调制方法称作正弦波脉宽调制（Sinusoidal pulse width modulation，简称SPWM），这种序列的矩形波称作SPWM波.如图5所示.

2、 电压空间矢量PWM（SVPWM）控制技术(磁链跟踪控制技术)
经典的SPWM控制主要着眼于使变压变频器的输出电压尽量接近正弦波，并未顾及输出电流的波形。交流电动机需要输入三相正弦电流的最终目的是在电动机空间形成圆形旋转磁场，从而产生恒定的电磁转矩。如果对准这一目标,把逆变器和交流电动机视为一体，按照跟踪圆形旋转磁场来控制逆变器的工作，其效果应该更好。这种控制方法称作磁链跟踪控制。磁链的轨迹是交替使用不同的电压空间矢量得到的,所以又称电压空间矢量PWM （SVPWM, Space Vector PWM)控制。图6给出定子磁链矢量端点的运动轨迹.

图6 六拍逆变器供电时电动机电压空间矢量与磁链矢量的关系

第四节 基于动态模型按转子磁链定向的矢量控制系统
异步电机的动态数学模型是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统，通过坐标变换，可以使之降阶并化简，但并没有改变其非线性、多变量的本质。需要高动态性能的异步电机调速系统必须在其动态模型的基础上进行分析和设计，但要完成这一任务并非易事.经过多年的潜心研究和实践，有几种控制方案已经获得了成功的应用，目前应用最广的就是按转子磁链定向的矢量控制系统。
图7给出异步电动机的坐标变换结构图。从整体上看，输入为A，B,C三相电压,输出为转速w，是一台异步电机.从内部看，经过3/2变换和同步旋转变换，变成一台由im 和 it 输入，由 w 输出的直流电机.

3/2
VR
等效直流
电动机模型
A
B
C
w
j
iA
iB
iC
it
im
ia
ib
异步电动机
图7 异步电动机的坐标变换结构图
3/2——三相/两相变换; VR——同步旋转变换;
j ——M轴与a轴（A轴）的夹角

既然异步电机经过坐标变换可以等效成直流电机，那么，模仿直流电机的控制策略，得到直流电机的控制量，经过相应的坐标反变换,就能够控制异步电机了。
w
控制器
VR-1
2/3
电流控制变频器
3/2
VR
等效直流电动机模型
+
i*m
i*t
j
w1
i*a
i*b
i*A
i*B
i*C
iA
iB
iC
ia
iβ
im
it
~
反馈信号
异步电动机
给定信号
j
图8 矢量控制系统原理结构图
由于进行坐标变换的是电流（代表磁动势）的空间矢量，所以这样通过坐标变换实现的控制系统就叫作矢量控制系统（Vector Control System）,控制系统的原理结构如图8所示。

第二单元 交流调速技术应用
第一节 西门子6SE70高性能变频器的应用
一、现场总线测控系统的构造
该装置的控制柜内部包括交流变频调速、全数字直流调速和PLC三大部分，是整个电控系统的主体。我们主要学习,交流变频调速部分。
对于高性能通用变频器,它主要有三种：第一种是有速度传感器的矢量控制变频器；第二种是无速度传感器的矢量控制变频器；第三种是无速度传感器的直接转矩控制变频器。这三种变频器中，第一种的控制精度高且性能好，但变频器系统价格昂贵;第二种和第三种控制精度和性能一般，但变频器系统简单，价格便宜。西门子6SE70变频器属于第一种。另外，高性能通用变频器为了满足不同的工程需要，有几种硬件结构：独立试变频器、公共直流母线式变频器和带能量回馈单元的变频器。西门子6SE70属于前一种.
出于对系统安全性、可靠性的考虑，装置出厂时被定义为：交流变频调速子系统为速度闭环矢量控制，运行时需与PLC配合进行部分开关联锁,通过操作台的“6SE70合闸”和“6SE70分闸”按钮对主回路的交流接触器进行操作，通过操作台的“6SE70启动"和“6SE70停止"按钮控制变频器的起停,通过操作台的“6SE70模入”旋钮控制变频器的速度给定，操作台设有“6SE70主回路已合”及“6SE70系统运行"指示灯显示,控制柜的柜门上方设有“交流电机电流"和“交流电机转速"模拟表显示，操作台设有“系统急停”和“故障复位”按钮。
合闸操作:①合断路器Q0，此为系统总隔离开关；②确保熔断器FU1、FU4、FU5、FU6、FU9通路；③合断路器Q1，为PLC部分和开关电源供电；④确保熔断器1FU1、1FU2、1FU3、FU10通路；⑤合断路器Q3,为6SE70变频器的主回路供电；⑥合断路器Q4，为交流变频电机的风机供电，并确认风机工作正常；⑦按下操作台的“6SE70合闸"按钮合主回路接触器，此时红色“6SE70主回路已合”指示灯应点亮.
转电机操作:①通过操作台的“6SE70模入"旋钮控制变频器的速度给定；②按下操作台的“6SE70启动”按钮使变频器运行,此时绿色“6SE70系统运行”指示灯应点亮，电机开始按一定的斜坡旋转升速至给定速度并稳定运行；③通过控制柜柜门上方的“交流电机电流"和“交流电机转速"模拟表观察电机电流和电机转速的变化情况,也可通过变频器的PMU面板或PC上的DriveMonitor软件观察到各种详细的运行信息(详见SIMOVERT MASTERDRIVES 矢量控制使用大全)；④按下操作台的“6SE70停止"按钮使变频器停机，电机开始按一定的斜坡降速直至停止,此时绿色“6SE70系统运行”指示灯应熄灭.
出现意外或故障时的操作：①当交流传动发生意外时，应停止正在运行的变频器，正确的停车规程是：使用“6SE70停止”按钮（带斜坡,仅停变频器）或“系统急停”按钮（零斜坡，全部传动停车）使电机停止运转，待电机静止后，根据需要可断开全部断路器；②变频器内部集成有多种故障检测与保护，在大多数情况下，当交流传动发生故障时，变频器可以检测到故障并立刻作出响应，变频器封锁脉冲并自由停车，在PMU面板上显示故障号，此时请根据故障号处理相应的问题,待问题解除后,应使用“故障复位”按钮确认，PMU面板上显示的故障号应消失，否则系统不能运行。
二、6SE70变频器的原理框图

三、配电系统接线图（见29、30、31页)
四、变频器外围接线图（见31页）
五、6SE70变频器的基本操作说明

六、实验内容
（一） 简单应用（开环U/F控制）
1、 U/F结构图

2、 操作结构示意图

3、 参数设置步骤
A、参数恢复工厂设置过程：

B、应用参数设置步骤

（二）、实验二 闭环矢量控制设置：
1、 闭环控制框图

2、 参数设置过程

第二节 松下VF-7F变频器的应用
一、 VF-7F变频器的构造及控制板功能和外围端子说明

另外，外围还有18个端子，用与外控操作及监视选择等多种扩展功能

二、 参数说明
功能参数表:

参数号码
参数名称
状态值或代码
出厂设定数据
★P01
第一加速时间(秒)
0·0。1~999
05。0
★P02
第一减速时间(秒)
0·0.1～999
05。0
P03
频率范围(V/F方式)
50·60·FF
60
P04
V/F曲线
0·1
0
★P05
DC提升水平（%）
0~40
05
P06
过载功能
0·1·2·3
2
P07
过载电流(A)
0。1～100
2。1
P08
自控/外控
0～6
0
P09
自控/外控
0~4
0
P10
反向锁定
0·1
0
P11
停止方式选择
0·1
0
P12
停止频率(赫兹)
0。5~60
00.5
P13
DC制动时间(秒)
0·0.1～120
000
P14
DC制动水平
0～100
0
P15
最大频率(赫兹）
50～400
60.0
P16
基本频率（赫兹)
45～400
60.0
P17
加速频率保持
0·1
1
P18
减速频率保持
0·1
1
P19
复位功能选择
0·1·2
0
P20
开关1功能选择
0～6
0
P21
开关2功能选择
0～6
0
P22
开关3功能选择
0~7
0
P23
开关4功能选择
1~7
1
P24
外控停止方式
0·1
0
P25
输出TR功能选择
0～4
0
P26
输出RY功能选择
0~6
5
P27
检测频率（输出TR）（赫兹）
0·0。5～400
00。5
P28
检测频率(输出RY）（赫兹)
0·0.5~400
00。5
★P29
点动频率(赫兹)
0.5～400
10.0
★P30
点动加速时间(秒）
0·0。1~999
05。0
★P31
点动减速时间(秒）
0·0。1～999
05。0
★P32
预备频率2（赫兹)
0·0.5～400
20.00
★P33
预备频率3（赫兹）
0·0.5~400
30。00
★P34
预备频率4（赫兹)
0·0.5~400
40。00
★P35
预备频率5(赫兹）
0·0.5～400
15
★P36
预备频率6(赫兹）
0·0.5～400
25
★P37
预备频率7(赫兹）
0·0。5～400
35
★P38
预备频率8（赫兹)
0·0。5～400
45
★P39
加速时间2(秒）
0。1～999
05。0
★P40
减速时间2（秒）
0.1~999
05.0
★P41
加速时间3（秒）
0。1～999
05。0
★P42
减速时间3（秒)
0.1～999
05。0
★P43
加速时间4(秒)
0.1~999
05。0
★P44
减速时间4（秒)
0。1～999
05。0
P45
第二主频（赫兹)
45～400
60。0
★P46
第二DC提升水平（%）
0～40
05
P47
跨越频率1（赫兹)
0·0。5～400
000
P48
跨越频率2(赫兹）
0·0.5~400
000
P49
跨越频率3（赫兹)
0·0。5～400
000
P50
跨越频率带宽（赫兹)
0~10
0
P51
限流功能
0·0。1～9.9
00
P52
功率损耗启动方式
0·1·2·3
1
P53
RIDE-THROUGH重新启动
0·1·2
0
P54
等待时间（秒)
0·1～100
00.1
P55
下限频率钳位（赫兹）
0.5～400
00.5
P56
上限频率钳位(赫兹)
0·～400
400
P57
偏置/增益功能选择
0·1
0
★P58
偏置频率（赫兹)
-99~400
00.0
★P59
增益频率(赫兹)
0。05～400
60。0
★P60
0-5V输出电压补偿（％）
75~125
100
P61
监视选择
0。1
0
★P62
线速度系数
0.1～100
03.3
P63
最大输出电压（伏）
0。1~500
000
P64
OCS水平（%)
1～200
140
★P65
载波频率
0。8～15
0。8
P66
密码
0。1～999
000
P67
出厂数据设定
0·1
0
P68
故障显示1
最新故障

P69
故障显示2
倒数第一故障

P70
故障显示3
倒数第二故障

P71
故障显示4
倒数第三故障

注:带有一个★的参数可以在变频器运行时设定。

三、实验内容
实验一 设置频率范围
一、实验目的：
熟悉变频器的频率设置。
二、实验内容:
熟悉变频器的内控键盘的各个功能。
mode —— 功能选择
set —- 参数设置
▲ -- 加一；向上跳一个值
—— 减一；向下跳一个值
run —— 电机启动
stoP -— 电机停止
三、实验步骤:
1、按图一连线并通电。
2、初始化设成出厂值
(1)按方式键（mode)三次，此时屏幕上显示P01
(2) 按向上键，按一次加1，按住，连续加1；按向下()，按一次减1，按住，连续减1，让屏幕显示参数P67。
（3)按设定键（set键），此时屏幕0在闪烁；按向上键，让屏幕显示1.再按设定
键(set键）。
3、设定频率范围
(1)同2(1）
（2）同2（2) 让屏幕显示P03。
（3）按设置键(set键)，此时屏幕显示60在闪烁,按向下键()，让屏幕显示
50，按设置键（set键)，屏幕显示P04，再按功能键(mode)，显示"000".
4。输出频率
(1）按功能键(mode)屏幕显示f「，按设置键(set)，按▲·键即可设置输出
频率，按设置键（set)退出设置完毕。
（2）按运行键（run）电机运行,屏幕由”0”逐渐上升。
(3)按停止键(stoP)电机停止,屏幕由运行速度逐渐下降.

实验二 第一上升与下降时间设定
一、实验目的:
熟悉变频器的上升时间与下降时间。
二、实验内容：
合上空气开关，按下run，电机的电源频率开始由0逐渐上升到上限频率，用手表计算上升的时间与设置的时间是否相符。按下stoP键,频率由上限逐渐降到0，用手表计算下降时间（停止制动时间）与设置的时间是否相符。
三、实验步骤：
1、按图一连线并通电。
2、设置上升时间（加速时间):
（1）按功能键（mode）三次，此时屏幕上显示P01
(2）按设定键(set键），此时屏幕05.0在闪烁；按▲·键，让屏幕显示10.0再
按设定键（set键），按功能键(mode）即可。
3、设置下降时间(减速时间）：
(1）按功能键（mode)三次，此时屏幕上显示P01
（2)按▲·键，让屏幕显示参数P01。
（3)按设定键（set键)，此时屏幕05.0在闪烁;按▲·键，让屏幕显示10.0再
按设定键(set键)，按功能键(mode）即可.
4、设定频率范围
同实验一
5、输出频率
(1）按功能键（mode)屏幕显示f「，按设置键(set），按▲·键即可设置输出
频率,按设置键(set)退出设置完毕.
（2）按运行键(run)电机运行，屏幕由"0"逐渐上升，到稳定记录启动时间.
(3)按停止键(stoP)电机停止,屏幕由运行速度逐渐下降,到”0"记录停止时
间。
四、启动时间计算：

t —- 为实际上升时间
f -- 为输出频率
F -— 为设定频率范围(参数P03)
T -— 为设定上升时间(参数P01）
计算t的值是否与所测的值相符.
五、启动时间计算：

t -- 为实际下降时间
f -- 为输出频率
F -— 为设定频率范围（参数P03）
T -— 为设定上升时间(参数P02)
计算t的值是否与所测的值相符.

实验三 自控改为外控
一、实验目的
熟悉面板控制改为端子控制的外围接线
熟悉外控的功能
二、实验内容
当P08为“1”，按sb3接通（具有自锁功能），按下sb1电机运行，按下sb2，电动机反转。在运行时，断开屏幕显示“lu”（电压偏低），直到电机停止，合上电源，屏幕显示“oP”，按控制板上的stoP（内控）不能复位。按sw3复位。把P03设置为“4",过程同上述，按控制板上的stoP（内控)复位，按sb3不能复位。

三、实验过程
1、按图接线
2、设置P08为“1”
3、按下SB3，按下SB1电机正转，按下SB2电机反转。
4、在电机运转稳定后，sb3为具有自锁功能按钮，断
开电源，约一分钟后，接上电源.
5、按sb3 变频器复位,按控制板的stoP键不复位.
6、设置P08为“4”,重复上述过程。
四、练习
1、做自控改为外控的实验，记录当P08为2、3时，各个按钮的作用。

实验四 多级速运行频率设置

一、实验目的
了解调速的设置。
二、实验内容

SW1 ，SW2 ，SW3的开关有八种状态有八种频率 ，改变一种状态 ，就有一种对应的一种频率。
三、实验步骤
1、按图接线；
2、将P20、P21、P22设置为”0”为多级速;
3、将P19设置为”0" ，即为多步速率操作功能;
4、设置八种频率
频率1→用控制板控制电路端线（电位器）设定频率
频率2(参数P32）→10Hz
频率3(参数P33）→20Hz
频率4（参数P34)→30Hz
频率5（参数P35)→35Hz
频率6(参数P36）→40Hz
频率7(参数P37）→45Hz
频率8（参数P38)→50Hz
5、启动电机 ，P08=0 ,在控制板上启动；P08=1 ,在控制电路启动 ，电动机运转；
6、拨动开关 ，记录各频率。
四、数据记录
SW1
SW2
SW3
设置值
频率
0
0
0
给定频率

1
0
0
P32

0
1
0
P33

1
1
0
P34

0
0
1
P35

1
0
1
P36

0
1
1
P37

1
1
1
P38

实验五 跨越频率和带宽的设定
一、 实验目的
了解跨越频率和跨越带宽的设定及意义
二、实验内容，
观察验证参数P47-P50的功能
三、 实验步骤
1、 将频率控制设定为外部控制,即P09设定为1,由电位器控制；
2、 设定三个跨越频率和相应的带宽值；
P47=10 P48=25 P49=40 P50=10
3、 按参数要求接线;
4、 用外部控制电动机的启动和停止，即设定P08的值;
5、 自行设定频率范围；
6、 启动变频器,旋动电位器,观察显示器的变化情况，直到最大;
7、 从最大开始逐步减小，观察显示器的变化.
8、 记录相关的实验现象.
实验六 停止方式的选择
一、 实验目的
掌握不同的停止方式，根据实际运行条件能选择并设定相关的参数
二、实验步骤
1、 试验惯性停止,观察现象.
P11=1
2、 试验减速停止,观察现象，要求采用直流制动的方法；
相关参数的设定：P11=0 P12=30 P13=4 P14=20
3、 自行设定频率范围及输出频率值
4、 要求设定为外部控制变频器的启动和停止,即设定相关的P08的值;
5、 接线运行,观察输出显示；
6、 按下停止按扭，观察直流制动现象。

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