第6章交流拖动2

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1、交流拖动控制系统交流拖动控制系统现代电力电子技术第第 6 章章6.4.2 恒压恒频正弦波供电时异步电动机的恒压恒频正弦波供电时异步电动机的 机械特性机械特性 式（6-6）已给出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)。当定子电压 Us 和电源角频率 1 恒定时，可以改写成如下形式：（6-9）特性分析当s很小时，可忽略上式分母中含s各项，则（6-10）也就是说，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，见图6-6。特性分析（续）当 s 接近于1时，可忽略式（6-9）分母中的Rr，则（6-11）即s接近于1时转矩近似与s成反比，这时，Te=f（s）是

2、对称于原点的一段双曲线。机械特性 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，如图所示。smnn0sTe010TeTemaxTemax图6-6 恒压恒频时异步电机的机械特性6.4.3 基频以下电压基频以下电压-频率协调控制时的频率协调控制时的 机械特性机械特性 由式（6-9）机械特性方程式可以看出，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 1 可以有多种配合。在 Us 和 1 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。1.恒压频比控制（Us/1）在前面的章节中已经指出，为了近似地保持气隙磁通不变，以便充分利用

3、电机铁心，发挥电机产生转矩的能力，在基频以下须采用恒压频比控制。这时，同步转速自然要随频率变化。（6-12）在式（6-10）所表示的机械特性近似直线段上，可以导出（6-14）带负载时的转速降落为（6-13）由此可见，当 Us/1 为恒值时，对于同一转矩 Te，s1 是基本不变的，因而 n 也是基本不变的。这就是说，在恒压频比的条件下改变频率 1 时，机械特性基本上是平行下移，如图6-7所示。它们和直流他励电机变压调速时的情况基本相似。所不同的是，当转矩增大到最大值以后，转速再降低，特性就折回来了。而且频率越低时最大转矩值越小，可参看式（6-8），对式（6-8）稍加整理后可得（6-15）可见最大

4、转矩 Temax 是随着的 1 降低而减小的。频率很低时，Temax太小将限制电机的带载能力，采用定子压降补偿，适当地提高电压Us，可以增强带载能力，见图6-7。机械特性曲线On图6-7 恒压频比控制时变频调速的机械特性补偿定子压降后的特性2.恒 Eg/1 控制 下图再次绘出异步电机的稳态等效电路，图中几处感应电动势的意义如下：Eg 气隙（或互感）磁通在定子每相绕组中 的感应电动势；Es 定子全磁通在定子每相绕组中的感应电 动势；Er 转子全磁通在转子绕组中的感应电动势 （折合到定子边）。图6-8 异步电动机稳态等效电路和感应电动势 Us1RsLlsLlrLmRr/sIsI0Ir 异步电动机等

5、效电路EgEsEr 特性分析 如果在电压频率协调控制中，恰当地提高电压 Us 的数值，使它在克服定子阻抗压降以后，能维持 Eg/1 为恒值（基频以下），则由式（6-1）可知，无论频率高低，每极磁通 m 均为常值。特性分析（续）由等效电路可以看出（6-16）代入电磁转矩关系式，得（6-17）特性分析（续）利用与前相似的分析方法，当s很小时，可忽略式（6-17）分母中含 s 项，则（6-18）这表明机械特性的这一段近似为一条直线。特性分析（续）当 s 接近于1时，可忽略式（6-17）分母中的 Rr2 项，则（6-19）s 值为上述两段的中间值时，机械特性在直线和双曲线之间逐渐过渡，整条特性与恒压频

6、比特性相似。性能比较 但是，对比式（6-9）和式（6-17）可以看出，恒 Eg/1 特性分母中含 s 项的参数要小于恒 Us/1 特性中的同类项，也就是说，s 值要更大一些才能使该项占有显著的份量，从而不能被忽略，因此恒 Eg/1 特性的线性段范围更宽。性能比较（续）将式（6-17）对 s 求导，并令 dTe/ds=0，可得恒Eg/1控制特性在最大转矩时的转差率（6-20）和最大转矩（6-21）性能比较（续）值得注意的是，在式（6-21）中，当Eg/1 为恒值时，Temax 恒定不变，如下图所示，其稳态性能优于恒 Us/1 控制的性能。这正是恒 Us/1 控制中补偿定子压降所追求的目标。机械特

7、性曲线OnTemax恒 Eg/1 控制时变频调速的机械特性3.恒 Er/1 控制 如果把电压频率协调控制中的电压再进一步提高，把转子漏抗上的压降也抵消掉，得到恒 Er/1 控制，那么，机械特性会怎样呢？由此可写出（6-22）代入电磁转矩基本关系式，得（6-23）现在，不必再作任何近似就可知道，这时的机械特性完全是一条直线，见图6-6。0s10Te 几种电压频率协调控制方式的特性比较图6-9 不同电压频率协调控制方式时的机械特性恒 Er/1 控制恒 Eg/1 控制恒 Us/1 控制ab c 显然，恒 Er/1 控制的稳态性能最好，可以获得和直流电机一样的线性机械特性。这正是高性能交流变频调速所要

8、求的性能。现在的问题是，怎样控制变频装置的电压和频率才能获得恒定的 Er/1 呢？按照式（6-1）电动势和磁通的关系，可以看出，当频率恒定时，电动势与磁通成正比。在式（6-1）中，气隙磁通的感应电动势 Eg 对应于气隙磁通幅值 m，那么，转子全磁通的感应电动势 Er 就应该对应于转子全磁通幅值 rm：（6-24）由此可见，只要能够按照转子全磁通幅值 rm=Constant 进 行控制，就可以获得恒 Er/1 了。这正是矢量控制系统所遵循的原则，下面在第6-7节中将详细讨论。4几种协调控制方式的比较 综上所述，在正弦波供电时，按不同规律实现电压频率协调控制可得不同类型的机械特性。（1）恒压频比（

9、Us/1=Constant）控制最容易实现，它的变频机械特性基本上是平行下移，硬度也较好，能够满足一般的调速要求，但低速带载能力有些差强人意，须对定子压降实行补偿。（2）恒Eg/1 控制是通常对恒压频比控制实行电压补偿的标准，可以在稳态时达到rm=Constant，从而改善了低速性能。但机械特性还是非线性的，产生转矩的能力仍受到限制。（3）恒 Er/1 控制可以得到和直流他励电机一样的线性机械特性，按照转子全磁通 rm 恒定进行控制，即得 Er/1=Constant 而且，在动态中也尽可能保持 rm 恒定是矢量控制系统的目标，当然实现起来是比较复杂的。6.4.4 基频以上恒压变频时的机械特性基

10、频以上恒压变频时的机械特性 性能分析性能分析 在基频以上变频调速时，由于定子电压 Us=UsN 不变，式（6-9）的机械特性方程式可写成（6-25）性能分析（续）而式（6-15）的最大转矩表达式可改写成（6-26）同步转速的表达式仍和式（6-12）一样。机械特性曲线恒功率调速恒功率调速O 由此可见，当角频率提高时，同步转速随之提高，最大转矩减小，机械特性上移，而形状基本不变，如图所示。图6-10 基频以上恒压变频调速的机械特性 由于频率提高而电压不变，气隙磁通势必减弱，导致转矩的减小，但转速升高了，可以认为输出功率基本不变。所以基频以上变频调速属于弱磁恒功率调速。最后，应该指出，以上所分析的机

11、械特性都是在正弦波电压供电下的情况。如果电压源含有谐波，将使机械特性受到扭曲，并增加电机中的损耗。因此在设计变频装置时，应尽量减少输出电压中的谐波。6.4.5 恒流正弦波供电时的机械特性恒流正弦波供电时的机械特性 在变频调速时，保持异步电机定子电流的幅值恒定，叫作恒流控制，电流幅值恒定是通过带PI调节器的电流闭环控制实现的，这种系统不仅安全可靠而且具有良好的动静态性能。恒流供电时的机械特性与上面分析的恒压机械特性不同，现进行分析。转子电流计算n设电流波形为正弦波，即忽略电流谐波，由异步电动机等效电路图所示的等效电路在恒流供电情况下可得转子电流计算（续）n电流幅值为（6-27）电磁转矩公式n将式

12、（6-27）代入电磁转矩表达式得（6-28）最大转矩及其转差率 取dTe/dt=0，可求出恒流机械特性的最大转矩值（6-29）产生最大转矩时的转差率为（6-30）机械特性曲线 按上式绘出不同电流、不同频率下的恒流机械特性示于图6-8。图6-11 恒流供电时异步电动机的机械特性TeOn 性能比较 式（6-7）和（6-8）给出了恒压机械特性的最大转差率和最大转矩，现再录如下：（6-7）（6-8）性能比较（续）比较恒流机械特性与恒压机械特性，由上述表达式和特性曲线可得以下的结论：（1）恒流机械特性与恒压机械特性的形状相似，都有理想空载转速点（s=0，Te=0）和最大转矩点（sm，Temax）。性能比

13、较（续）（3）恒流机械特性的最大转矩值与频率无关，恒流变频时最大转矩不变，但改变定子电流时，最大转矩与电流的平方成正比。（2）两类特性的特征有所不同，比较式（6-30）和式（6-7）可知，由于 Lls Lm，所以，sm|sm|因此恒流机械特性的线性段比较平，而最大转矩处形状很尖。Is=const.Us=const.性能比较（续）Is=const.Us=const.（4）由于恒流控制限制了电流 Is，而恒压供电时随着转速的降低Is会不断增大，所以在额定电流时 Temax|的要比额定电压时的Temax|小得多，用同一台电机的参数代入式（6-29）和式（6-8）可以证明这个结论。但这并不影响恒流控制

14、的系统承担短时过载的能力，因为过载时可以短时加大定子电流，以产生更大的转矩，参看图6-11。小小 结结n电压Us与频率1是变频器异步电动机调速系统的两个独立的控制变量，在变频调速时需要对这两个控制变量进行协调控制。n在基频以下，有三种协调控制方式。采用不同的协调控制方式，得到的系统稳态性能不同，其中恒Er/1控制的性能最好。n在基频以上，采用保持电压不变的恒功率弱磁调速方法。返回目录返回目录6.5 基于异步电动机稳态模型的变压基于异步电动机稳态模型的变压 变频调速变频调速本节提要本节提要n转速开环恒压频比控制调速系统转速开环恒压频比控制调速系统通通用变频器用变频器-异步电动机调速系统异步电动机

15、调速系统n转速闭环转差频率控制的变压变频调速转速闭环转差频率控制的变压变频调速系统系统 引 言 直流电机的主磁通和电枢电流分布的空间位置是确定的，而且可以独立进行控制，交流异步电机的磁通则由定子与转子电流合成产生，它的空间位置相对于定子和转子都是运动的，除此以外，在笼型转子异步电机中，转子电流还是不可测和不可控的。因此，异步电机的动态数学模型要比直流电机模型复杂得多，在相当长的时间里，人们对它的精确表述不得要领。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。异步电机的稳态数学模型如本章第6.3节所述

16、，为了实现电压-频率协调控制，可以采用转速开环恒压频比带低频电压补偿的控制方案，这就是常用的通用变频器控制系统。如果要求更高一些的调速范围和起制动性能，可以采用转速闭环转差频率控制的方案。本节中将分别介绍这两类基于稳态数学模型的变压变频调速系统。6.5.1 转速开环恒压频比控制调速系统转速开环恒压频比控制调速系统 通用变频器通用变频器-异步电动机调速系统异步电动机调速系统n概述概述 现代通用变频器大都是采用二极管整流和由快速全控开关器件 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0.5500KVA 中、小容量变频调速装置的绝大部分市场。所

17、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。n系统介绍系统介绍 图6-37绘出了一种典型的数数字字控控制制通通用用变频器变频器-异步电动机调速系统异步电动机调速系统原理图。1.系统组成M3电压检测泵升限制电流检测温度检测电流检测单片机显示设定接口PWM发生器驱动电路URUIR0R1R2RbVTbKR0R1RbR2 2.电路分析l主主电电路路由二极管整流器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。主电路（续）u限限流流电电阻阻：为了避免大电容

18、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。主电路（续）u泵泵升升限限制制电电路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。图

19、6-13 三相二极管整流电路的输入电流波形主电路（续）u进进线线电电抗抗器器 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，如图6-32所示。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。还可用来抑制电源电压不平衡对变频器的影响。电路分析（续）l控控制制电电路路现代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，再根据它们的要求形成驱动逆变器

20、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。控制电路（续）uPWMPWM信信号号产产生生可以由微机本身的软件产生，由PWM端口输出，也可采用专用的PWM生成电路芯片。u检检测测与与保保护护电电路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。控制电路（续）u信信号号设设定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

21、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（见前述），在通用产品中称作“电压补偿”或“转矩补偿”。补偿方法 实现补偿的方法有两种：n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；n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。控制电路（续）u给给定定积积分分由于系统本身没有自动限制起制动电流的作用，因此，频率设定信号必须通过给定积分

22、算法产生平缓升速或降速信号，升速和降速的积分时间可以根据负载需要由操作人员分别选择。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。控制电路（续）tff*ufu斜坡函数U/f 曲线脉冲发生器驱动电路工作频率设定升降速时间设定电压补偿设定PWM产生图6-14 PWM变压变频器的基本控制作用 6.5.2 转速闭环转差频率控制的变压变频转速闭环转差频率控制的变压变频 调速系统调速系统0.问题的提出问题的提出 前节所述的转速开环变频调速系统可以满足平滑调速的要求，但静、动态性能都有限，要提高静、动态性能，

23、首先要用转速反馈闭环控制。转速闭环系统的静特性比开环系统强，这是很明显的，但是，是否能够提高系统的动态性能呢？还得进一步探讨一下。电力传动的基本控制规律 我们知道，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/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，调调速速系系统统的的动动态态性性能能就就是是控控制制转转矩的能力矩的能力。在异步电机变压变频调速系统中，需要控制的是电压（或电流）和频率，怎样能够通过控制电压（电流）和频率来控制电磁转矩，这是寻求提高动态性能时需要解决的问题。1.转差频率控制的基本概念 直流电机的

24、转矩与电枢电流成正比，控制电流就能控制转矩，因此，把直流双闭环调速系统转速调节器的输出信号当作电流给定信号，也就是转矩给定信号。在交流异步电机中，影响转矩的因素较多，控制异步电机转矩的问题也比较复杂。将 按照第6.4.3节恒 Eg/1 控制（即恒 m 控制）时的电磁转矩公式（6-17）重写为（6-17）代入上式，得 （6-31）令 s=s1，并定义为转差角频率；，是电机的结构常数；则 当电机稳态运行时，s 值很小，因而 s也很小，只有1的百分之几，可以认 为 s Llr 0）的情况为例l当实际转矩低于T*e 的允许偏差下限时，按磁链控制得到相应的电压空间矢量，使定子磁链向前旋转，转矩上升；l当

25、实际转矩达到 T*e 允许偏差上限时，不论磁链如何，立即切换到零电压矢量，使定子磁链静止不动，转矩下降。l稳态时，上述情况不断重复，使转矩波动被控制在允许范围之内。5.DTC系统存在的问题1）由于采用砰-砰控制，实际转矩必然在上下限内脉动，而不是完全恒定的。2）由于磁链计算采用了带积分环节的电压模型，积分初值、累积误差和定子电阻的变化都会影响磁链计算的准确度。这两个问题的影响在低速时都比较显著，因而使DTC系统的调速范围受到限制。为了解决这些问题，许多学者做过不少的研究工作，使它们得到一定程度的改善，但并不能完全消除。6.8.3 直接转矩控制系统与矢量控制系统的直接转矩控制系统与矢量控制系统的

26、 比较比较 DTC系统和VC系统都是已获实际应用的高性能交流调速系统。两者都采用转矩（转速）和磁链分别控制，这是符合异步电动机动态数学模型的需要的。但两者在控制性能上却各有千秋。矢量控制系统特点 VC系统强调 Te 与r的解耦，有利于分别设计转速与磁链调节器；实行连续控制，可获得较宽的调速范围；但按r 定向受电动机转子参数变化的影响，降低了系统的鲁棒性。DTC系统特点 DTC系统则实行 Te 与s 砰-砰控制，避开了旋转坐标变换，简化了控制结构；控制定子磁链而不是转子磁链，不受转子参数变化的影响；但不可避免地产生转矩脉动，低速性能较差，调速范围受到限制。表6-1列出了两种系统的特点与性能的比较

27、。表表6-1 直接转矩控制系统和矢量控制系统特点与性能比较直接转矩控制系统和矢量控制系统特点与性能比较性能与特点直接转矩控制系统矢量控制系统磁链控制定子磁链转子磁链转矩控制砰-砰控制，有转矩脉动连续控制，比较平滑坐标变换静止坐标变换，较简单旋转坐标变换，较复杂转子参数变化影响无注有调速范围不够宽比较宽 注 有时为了提高调速范围，在低速时改用电流模型计算磁链，则转子参数变化对DTC系统也有影响。从表6-1可以看出，如果在现有的DTC系统和VC系统之间取长补短，构成新的控制系统，应该能够获得更为优越的控制性能，这是一个很有意义的研究方向。返回目录返回目录本章小结本章小结 变压变频调速方式是目前交流调速系统的主要形式，因此是本课程学习的重点。要求学生了解和掌握的内容有：n掌握3种变压变频调速控制方式及其性能；n了解变频器的结构、原理和特性；n掌握基于稳态模型的变压变频调速系统的结构、工作原理和性能；n掌握基于动态模型的变压变频调速系统的结构、工作原理和性能。课程开始课程开始