在異步電機變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)中課件

第六章

籠型異步電動機變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)-轉(zhuǎn)差功率不變型系統(tǒng)第六章

籠型異步電動機變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)-轉(zhuǎn)差功率不變型系16.5基于異步電動機穩(wěn)態(tài)模型的變壓

變頻調(diào)速轉(zhuǎn)速開環(huán)恒壓頻比控制調(diào)速系統(tǒng)——通用變頻器-異步電動機調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)速閉環(huán)轉(zhuǎn)差頻率控制的變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)6.5基于異步電動機穩(wěn)態(tài)模型的變壓

變2轉(zhuǎn)速開環(huán)恒壓頻比控制調(diào)速系統(tǒng)引言

直流電機的主磁通和電樞電流分布的空間位置是確定的，而且可以獨立進行控制，交流異步電機的磁通則由定子與轉(zhuǎn)子電流合成產(chǎn)生，它的空間位置相對于定子和轉(zhuǎn)子都是運動的，除此以外，在籠型轉(zhuǎn)子異步電機中，轉(zhuǎn)子電流還是不可測和不可控的。因此，異步電機的動態(tài)數(shù)學(xué)模型要比直流電機模型復(fù)雜得多，在相當長的時間里，人們對它的精確表述不得要領(lǐng)。 好在不少機械負載，例如風(fēng)機和水泵，并不需要很高的動態(tài)性能，只要在一定范圍內(nèi)能實現(xiàn)高效率的調(diào)速就行，因此可以只用電機的穩(wěn)態(tài)模型來設(shè)計其控制系統(tǒng)。轉(zhuǎn)速開環(huán)恒壓頻比控制調(diào)速系統(tǒng)引言直流電機的3 如果要求更高一些的調(diào)速范圍和起制動性能，可以采用轉(zhuǎn)速閉環(huán)轉(zhuǎn)差頻率控制的方案。 本節(jié)中將分別介紹這兩類基于穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型的變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)。轉(zhuǎn)速開環(huán)恒壓頻比控制調(diào)速系統(tǒng) 異步電機的穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型如本章第6.2節(jié)所述，為了實現(xiàn)電壓-頻率協(xié)調(diào)控制，可以采用轉(zhuǎn)速開環(huán)恒壓頻比帶低頻電壓補償?shù)目刂品桨?，這就是常用的通用變頻器控制系統(tǒng)。 如果要求更高一些的調(diào)速范圍和起制動性能，可以采用轉(zhuǎn)速4轉(zhuǎn)速開環(huán)恒壓頻比控制調(diào)速系統(tǒng)6.5.1轉(zhuǎn)速開環(huán)恒壓頻比控制調(diào)速系統(tǒng)概述

現(xiàn)代通用變頻器大都是采用二極管整流和由快速全控開關(guān)器件IGBT或功率模塊IPM組成的PWM逆變器，構(gòu)成交-直-交電壓源型變壓變頻器，已經(jīng)占領(lǐng)了全世界0.5-500KVA中、小容量變頻調(diào)速裝置的絕大部分市場。所謂“通用”，包含著兩方面的含義：（1）可以和通用的籠型異步電機配套使用；（2）具有多種可供選擇的功能，適用于各種不同性質(zhì)的負載。轉(zhuǎn)速開環(huán)恒壓頻比控制調(diào)速系統(tǒng)6.5.1轉(zhuǎn)速開環(huán)恒壓頻5轉(zhuǎn)速開環(huán)恒壓頻比控制調(diào)速系統(tǒng)1.系統(tǒng)組成M3~電壓檢測泵升限制電流檢測溫度檢測電流檢測單片機顯示設(shè)定接口PWM發(fā)生器驅(qū)動電路~URUIR0R1R2RbVTbKR0R1RbR2圖6-37繪出了一種典型的數(shù)字控制通用變頻器-異步電動機調(diào)速系統(tǒng)原理圖。主電路——由二極管整流器UR、PWM逆變器UI和中間直流電路三部分組成，一般都是電壓源型的，采用大電容C濾波，同時兼有無功功率交換的作用。轉(zhuǎn)速開環(huán)恒壓頻比控制調(diào)速系統(tǒng)1.系統(tǒng)組成M電壓泵升電流溫6M3~電壓檢測泵升限制電流檢測溫度檢測電流檢測單片機顯示設(shè)定接口PWM發(fā)生器驅(qū)動電路~URUIR0R1R2RbVTbKR0R1RbR2限流電阻：為了避免大電容C在通電瞬間產(chǎn)生過大的充電電流，在整流器和濾波電容間的直流回路上串入限流電阻（或電抗），通上電源時，先限制充電電流，再延時用開關(guān)K將其短路，以免長期接入時影響變頻器的正常工作，并產(chǎn)生附加損耗。M電壓泵升電流溫度電流單顯示設(shè)定接口PWM驅(qū)動~URUIR07M3~電壓檢測泵升限制電流檢測溫度檢測電流檢測單片機顯示設(shè)定接口PWM發(fā)生器驅(qū)動電路~URUIR0R1R2RbVTbKR0R1RbR2 由于二極管整流器不能為異步電機的再生制動提供反向電流的通路，所以除特殊情況外，通用變頻器一般都用電阻吸收制動能量。 減速制動時，異步電機進入發(fā)電狀態(tài)，首先通過逆變器的續(xù)流二極管向電容C充電，當中間直流回路的電壓（通稱泵升電壓）升高到一定的限制值時，通過泵升限制電路使開關(guān)器件導(dǎo)通，將電機釋放的動能消耗在制動電阻上。M電壓泵升電流溫度電流單顯示設(shè)定接口PWM驅(qū)動~URUIR08轉(zhuǎn)速開環(huán)恒壓頻比控制調(diào)速系統(tǒng)圖6-38三相二極管整流電路的輸入電流波形進線電抗器——二極管整流器雖然是全波整流裝置，但由于其輸出端有濾波電容存在，因此輸入電流呈脈沖波形，如圖6-38所示。 這樣的電流波形具有較大的諧波分量，使電源受到污染。為了抑制諧波電流，對于容量較大的PWM變頻器，都應(yīng)在輸入端設(shè)有進線電抗器，有時也可以在整流器和電容器之間串接直流電抗器。還可用來抑制電源電壓不平衡對變頻器的影響。轉(zhuǎn)速開環(huán)恒壓頻比控制調(diào)速系統(tǒng)圖6-38三相二極管整流電路9M3~電壓檢測泵升限制電流檢測溫度檢測電流檢測單片機顯示設(shè)定接口PWM發(fā)生器驅(qū)動電路~URUIR0R1R2RbVTbKR0R1RbR2控制電路——現(xiàn)代PWM變頻器的控制電路大都是以微處理器為核心的數(shù)字電路，其功能主要是接受各種設(shè)定信息和指令，再根據(jù)它們的要求形成驅(qū)動逆變器工作的PWM信號，再根據(jù)它們的要求形成驅(qū)動逆變器工作的PWM信號。微機芯片主要采用8位或16位的單片機，或用32位的DSP。 PWM信號產(chǎn)生——可以由微機本身的軟件產(chǎn)生，由PWM端口輸出，也可采用專用的PWM生成電路芯片。M電壓泵升電流溫度電流單顯示設(shè)定接口PWM驅(qū)動~URUIR010檢測與保護電路——各種故障的保護由電壓、電流、溫度等檢測信號經(jīng)信號處理電路進行分壓、光電隔離、濾波、放大等綜合處理，再進入A/D轉(zhuǎn)換器，輸入給CPU作為控制算法的依據(jù)，或者作為開關(guān)電平產(chǎn)生保護信號和顯示信號。信號設(shè)定——需要設(shè)定的控制信息主要有：U/f特性、工作頻率、頻率升高時間、頻率下降時間等，還可以有一系列特殊功能的設(shè)定。轉(zhuǎn)速開環(huán)恒壓頻比控制調(diào)速系統(tǒng)信號設(shè)定——需要設(shè)定的控制信息主要有：U/f特性、工作頻率11一種是在微機中存儲多條不同斜率和折線段的U/f

函數(shù)，由用戶根據(jù)需要選擇最佳特性；另一種辦法是采用霍耳電流傳感器檢測定子電流或直流回路電流，按電流大小自動補償定子電壓。但無論如何都存在過補償或欠補償?shù)目赡?，這是開環(huán)控制系統(tǒng)的不足之處。給定積分——由于系統(tǒng)本身沒有自動限制起、制動電流的作用，因此，頻率設(shè)定信號必須通過給定積分算法產(chǎn)生平緩升速或降速信號，升速和降速的積分時間可以根據(jù)負載需要由操作人員分別選擇。

實現(xiàn)補償?shù)姆椒ㄓ袃煞N：給定積分——由于系統(tǒng)本身沒有自動限制起、制動電流的作用，因此12tff*ufu斜坡函數(shù)U/f曲線脈沖發(fā)生器驅(qū)動電路工作頻率設(shè)定升降速時間設(shè)定電壓補償設(shè)定PWM產(chǎn)生圖6-39PWM變壓變頻器的基本控制作用

綜上所述，轉(zhuǎn)速開環(huán)恒壓頻比控制調(diào)速系統(tǒng)tff*ufu斜坡函數(shù)U/f曲線脈沖發(fā)生器驅(qū)動工作頻13轉(zhuǎn)速閉環(huán)轉(zhuǎn)差頻率控制調(diào)速系統(tǒng)問題的提出

前節(jié)所述的轉(zhuǎn)速開環(huán)變頻調(diào)速系統(tǒng)可以滿足平滑調(diào)速的要求，但靜、動態(tài)性能都有限，要提高靜、動態(tài)性能，首先要用轉(zhuǎn)速反饋閉環(huán)控制。轉(zhuǎn)速閉環(huán)系統(tǒng)的靜特性比開環(huán)系統(tǒng)強，這是很明顯的，但是，是否能夠提高系統(tǒng)的動態(tài)性能呢？還得進一步探討一下。

轉(zhuǎn)速閉環(huán)轉(zhuǎn)差頻率控制調(diào)速系統(tǒng)問題的提出14電力傳動的基本控制規(guī)律

任何電力拖動自動控制系統(tǒng)都服從于基本運動方程式

提高調(diào)速系統(tǒng)動態(tài)性能主要依靠控制轉(zhuǎn)速的變化率d/dt，根據(jù)基本運動方程式，控制電磁轉(zhuǎn)矩就能控制d/dt，因此，歸根結(jié)底，調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)性能就是控制轉(zhuǎn)矩的能力。轉(zhuǎn)速閉環(huán)轉(zhuǎn)差頻率控制調(diào)速系統(tǒng)電力傳動的基本控制規(guī)律 任何電力拖動自動控制系統(tǒng)都服從于15在異步電機變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)中，需要控制的是電壓（或電流）和頻率，以便提高動態(tài)性能。

轉(zhuǎn)速閉環(huán)轉(zhuǎn)差頻率控制調(diào)速系統(tǒng)怎樣能夠通過控制電壓（電流）和頻率來控制電磁轉(zhuǎn)矩呢?主要從三個方面加以分析1轉(zhuǎn)差頻率控制的基本概念2.穩(wěn)態(tài)模型的轉(zhuǎn)差頻率控制規(guī)律

3.組成系統(tǒng)在異步電機變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)中，需要控制的是電壓（或161.轉(zhuǎn)差頻率控制的基本概念直流電機的轉(zhuǎn)矩與電樞電流成正比，控制電流就能控制轉(zhuǎn)矩，因此，把直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出信號當作電流給定信號，也就是轉(zhuǎn)矩給定信號。在交流異步電機中，影響轉(zhuǎn)矩的因素較多，控制異步電機轉(zhuǎn)矩的問題也比較復(fù)雜。轉(zhuǎn)速閉環(huán)轉(zhuǎn)差頻率控制調(diào)速系統(tǒng)1.轉(zhuǎn)差頻率控制的基本概念直流電機的轉(zhuǎn)矩與電樞電流成正比17將

按照第6.2.2節(jié)恒Eg/1

控制（即恒m控制）時的電磁轉(zhuǎn)矩公式（6-12）為

（6-12）

轉(zhuǎn)速閉環(huán)轉(zhuǎn)差頻率控制調(diào)速系統(tǒng)將18代入上式，得

（6-59）

令s=s1，并定義為轉(zhuǎn)差角頻率；

，是電機的結(jié)構(gòu)常數(shù)；

轉(zhuǎn)速閉環(huán)轉(zhuǎn)差頻率控制調(diào)速系統(tǒng)代入上式，得（6-59）令s=s1，并定義19則

當電機穩(wěn)態(tài)運行時，s

值很小，因而s也很小，只有1的百分之幾，可以認為sLlr'<<Rr'

，則轉(zhuǎn)矩可近似表示為轉(zhuǎn)速閉環(huán)轉(zhuǎn)差頻率控制調(diào)速系統(tǒng)則轉(zhuǎn)速閉環(huán)轉(zhuǎn)差頻率控制調(diào)速系統(tǒng)20

（6-61）

式（6-61）表明，在s值很小的穩(wěn)態(tài)運行范圍內(nèi)，如果能夠保持氣隙磁通m不變，異步電機的轉(zhuǎn)矩就近似與轉(zhuǎn)差角頻率s成正比。這就是說，在異步電機中控制s，就和直流電機中控制電流一樣，能夠達到間接控制轉(zhuǎn)矩的目的。轉(zhuǎn)速閉環(huán)轉(zhuǎn)差頻率控制調(diào)速系統(tǒng)控制轉(zhuǎn)差頻率就代表控制轉(zhuǎn)矩，這就是轉(zhuǎn)差頻率控制的基本概念。（6-61）式（6-61）表明，212.基于異步電機穩(wěn)態(tài)模型的轉(zhuǎn)差頻率控制規(guī)律

上面分析所得的轉(zhuǎn)差頻率控制概念是在轉(zhuǎn)矩近似公式（6-61）上得到的，當s較大時，就得采用式（6-60）的精確轉(zhuǎn)矩公式。

（6-61）

2.基于異步電機穩(wěn)態(tài)模型的轉(zhuǎn)差頻率控制規(guī)律上面22可以看出：在s較小的穩(wěn)態(tài)運行段上，轉(zhuǎn)矩Te基本上與s成正比，當Te

達到其最大值Temax時，s達到smax值。ωsmaxωsmTemaxTemωsTe0圖6-40按恒Φm值控制的Te=f(s

)特性

轉(zhuǎn)速閉環(huán)轉(zhuǎn)差頻率控制調(diào)速系統(tǒng)可以看出：ωsmaxωsmTemaxTemωsTe0圖6-423對于式（6-60），取dTe/ds=0可得

（6-63）

（6-62）

轉(zhuǎn)速閉環(huán)轉(zhuǎn)差頻率控制調(diào)速系統(tǒng)對于式（6-60），取dTe/ds=0可得（24在轉(zhuǎn)差頻率控制系統(tǒng)中，只要給s限幅，使其限幅值為

（6-64）

就可以基本保持

Te與s的正比關(guān)系，也就可以用轉(zhuǎn)差頻率控制來代表轉(zhuǎn)矩控制。這是轉(zhuǎn)差頻率控制的基本規(guī)律之一。

轉(zhuǎn)速閉環(huán)轉(zhuǎn)差頻率控制調(diào)速系統(tǒng)在轉(zhuǎn)差頻率控制系統(tǒng)中，只要給s限幅，使其限幅值為25（6-65）

轉(zhuǎn)速閉環(huán)轉(zhuǎn)差頻率控制調(diào)速系統(tǒng) 上述規(guī)律是在保持m恒定的前提下才成立的，于是問題又轉(zhuǎn)化為，如何能保持m

恒定？（6-65）轉(zhuǎn)速閉環(huán)轉(zhuǎn)差頻率控制調(diào)速系統(tǒng) 上述規(guī)律是在保26Us1RsLlsL’lrLmR’r/sIsI0I’rEgEsEr 我們知道，按恒Eg/1控制時可保持m恒定。在下面圖6-5的等效電路中可得：圖6-5異步電動機穩(wěn)態(tài)等效電路和感應(yīng)電動勢Us1RsLlsL’lrLmR’r/sIsI0I’rEg27

由此可見，要實現(xiàn)恒Eg/1控制，須在Us/1=恒值的基礎(chǔ)上再提高電壓

Us

以補償定子電流壓降。如果忽略電流相量相位變化的影響，不同定子電流時恒Eg/1控制所需的電壓-頻率特性Us=f(1,Is)如下圖所示。轉(zhuǎn)速閉環(huán)轉(zhuǎn)差頻率控制調(diào)速系統(tǒng)由此可見，要實現(xiàn)恒Eg/1控制，須在Us/128圖6-41不同定子電流時恒控制所需的電壓-頻率特性O(shè)Us/1=Const.Eg/1=Const.定子電流增大的趨勢轉(zhuǎn)速閉環(huán)轉(zhuǎn)差頻率控制調(diào)速系統(tǒng)上述關(guān)系表明，只要Us和1及

Is

的關(guān)系符合上圖所示特性，就能保持Eg/1恒定，也就是保持m恒定。這是轉(zhuǎn)差頻率控制的基本規(guī)律之二。圖6-41不同定子電流時恒控制所需的電壓-頻率特性O(shè)Us29（2）在不同的定子電流值時，按上圖的函數(shù)關(guān)系Us=f(1,Is)控制定子電壓和頻率，就能保持氣隙磁通m恒定。轉(zhuǎn)速閉環(huán)轉(zhuǎn)差頻率控制調(diào)速系統(tǒng)總結(jié)起來，轉(zhuǎn)差頻率控制的規(guī)律是：（1）在s

≤sm的范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)矩Te

基本上與s成正比，條件是氣隙磁通不變。轉(zhuǎn)速閉環(huán)轉(zhuǎn)差頻率控制調(diào)速系統(tǒng)總結(jié)起來，轉(zhuǎn)差頻率控制的規(guī)律是：303.轉(zhuǎn)差頻率控制的變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)系統(tǒng)組成控制原理性能評價轉(zhuǎn)速閉環(huán)轉(zhuǎn)差頻率控制調(diào)速系統(tǒng)3.轉(zhuǎn)差頻率控制的變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)系統(tǒng)組成轉(zhuǎn)速閉環(huán)轉(zhuǎn)差頻率31系統(tǒng)組成FBS電壓型逆變器M3~ASR圖6-42轉(zhuǎn)差頻率控制的轉(zhuǎn)速閉環(huán)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖PWM轉(zhuǎn)速閉環(huán)轉(zhuǎn)差頻率控制調(diào)速系統(tǒng)系統(tǒng)組成FBSMASR圖6-42轉(zhuǎn)差頻率控制的轉(zhuǎn)速閉環(huán)變32控制原理實現(xiàn)上述轉(zhuǎn)差頻率控制規(guī)律的轉(zhuǎn)速閉環(huán)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖如圖6-42所示。頻率控制——轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸出信號是轉(zhuǎn)差頻率給定s*，與實測轉(zhuǎn)速信號

相加，即得定子頻率給定信號1*，即（6-66）

轉(zhuǎn)速閉環(huán)轉(zhuǎn)差頻率控制調(diào)速系統(tǒng)控制原理實現(xiàn)上述轉(zhuǎn)差頻率控制規(guī)律的轉(zhuǎn)速閉環(huán)變壓變33電壓控制——由1和定子電流反饋信號Is從微機存儲的Us=f(1,Is)函數(shù)中查得定子電壓給定信號Us*，用Us*和1*控制PWM電壓型逆變器，即得異步電機調(diào)速所需的變壓變頻電源。轉(zhuǎn)速閉環(huán)轉(zhuǎn)差頻率控制調(diào)速系統(tǒng)電壓控制——由1和定子電流反饋信號Is從微機存儲的34性能評價

式（6-66）所示的轉(zhuǎn)差角頻率s*與實測轉(zhuǎn)速信號相加后得到定子頻率輸入信號1*

這一關(guān)系是轉(zhuǎn)差頻率控制系統(tǒng)突出的特點或優(yōu)點。它表明，在調(diào)速過程中，實際頻率1隨著實際轉(zhuǎn)速同步地上升或下降，有如水漲而船高，因此加、減速平滑而且穩(wěn)定。轉(zhuǎn)速閉環(huán)轉(zhuǎn)差頻率控制調(diào)速系統(tǒng) 同時，由于在動態(tài)過程中轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR飽和，系統(tǒng)能用對應(yīng)于sm的限幅轉(zhuǎn)矩Tem

進行控制，保證了在允許條件下的快速性。（6-66）

性能評價式（6-66）所示的轉(zhuǎn)差角頻率s*與實35 由此可見，轉(zhuǎn)速閉環(huán)轉(zhuǎn)差頻率控制的交流變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)能夠象直流電機雙閉環(huán)控制系統(tǒng)那樣具有較好的靜、動態(tài)性能，是一個比較優(yōu)越的控制策略，結(jié)構(gòu)也不算復(fù)雜。轉(zhuǎn)速閉環(huán)轉(zhuǎn)差頻率控制調(diào)速系統(tǒng)

然而，它的靜、動態(tài)性能還不能完全達到直流雙閉環(huán)系統(tǒng)的水平，存在差距的原因有以下幾個方面： 由此可見，轉(zhuǎn)速閉環(huán)轉(zhuǎn)差頻率控制的交流變壓變頻調(diào)速36

（1）在分析轉(zhuǎn)差頻率控制規(guī)律時，是從異步電機穩(wěn)態(tài)等效電路和穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)矩公式出發(fā)的，所謂的“保持磁通m恒定”的結(jié)論也只在穩(wěn)態(tài)情況下才能成立。在動態(tài)中m如何變化還沒有深入研究，但肯定不會恒定，這不得不影響系統(tǒng)的實際動態(tài)性能。轉(zhuǎn)速閉環(huán)轉(zhuǎn)差頻率控制調(diào)速系統(tǒng)（2）Us=f(1,Is)函數(shù)關(guān)系中只抓住了定子電流的幅值，沒有控制到電流的相位，而在動態(tài)中電流的相位也是影響轉(zhuǎn)矩變化的因素。

（3）在頻率控制環(huán)節(jié)中，取1=s+，使頻率得以與轉(zhuǎn)速同步升降，這本是轉(zhuǎn)差頻率控制的優(yōu)點。然而，如果轉(zhuǎn)速檢測信號不準確或存在干擾，也就會直接給頻率造成誤差，因為所有這些偏差和干擾都以正反饋的形式毫無衰減地傳遞到頻率控制信號上來了。（1）在分析轉(zhuǎn)差頻率控制規(guī)律時，是從異步電機穩(wěn)態(tài)等效電路37講作業(yè)習(xí)題：

要求：1.按時交作業(yè)，過期不改；2.書寫認真，文字整齊，抄題目；3.數(shù)據(jù)精確到小數(shù)點后兩位；4.不會做可以空著，不需要抄襲；5.可以幾人討論后一起答題，作業(yè)本上注明。講作業(yè)習(xí)題：38第六章

籠型異步電動機變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)-轉(zhuǎn)差功率不變型系統(tǒng)第六章

籠型異步電動機變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)-轉(zhuǎn)差功率不變型系396.5基于異步電動機穩(wěn)態(tài)模型的變壓

變頻調(diào)速轉(zhuǎn)速開環(huán)恒壓頻比控制調(diào)速系統(tǒng)——通用變頻器-異步電動機調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)速閉環(huán)轉(zhuǎn)差頻率控制的變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)6.5基于異步電動機穩(wěn)態(tài)模型的變壓

變40轉(zhuǎn)速開環(huán)恒壓頻比控制調(diào)速系統(tǒng)引言

直流電機的主磁通和電樞電流分布的空間位置是確定的，而且可以獨立進行控制，交流異步電機的磁通則由定子與轉(zhuǎn)子電流合成產(chǎn)生，它的空間位置相對于定子和轉(zhuǎn)子都是運動的，除此以外，在籠型轉(zhuǎn)子異步電機中，轉(zhuǎn)子電流還是不可測和不可控的。因此，異步電機的動態(tài)數(shù)學(xué)模型要比直流電機模型復(fù)雜得多，在相當長的時間里，人們對它的精確表述不得要領(lǐng)。 好在不少機械負載，例如風(fēng)機和水泵，并不需要很高的動態(tài)性能，只要在一定范圍內(nèi)能實現(xiàn)高效率的調(diào)速就行，因此可以只用電機的穩(wěn)態(tài)模型來設(shè)計其控制系統(tǒng)。轉(zhuǎn)速開環(huán)恒壓頻比控制調(diào)速系統(tǒng)引言直流電機的41 如果要求更高一些的調(diào)速范圍和起制動性能，可以采用轉(zhuǎn)速閉環(huán)轉(zhuǎn)差頻率控制的方案。 本節(jié)中將分別介紹這兩類基于穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型的變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)。轉(zhuǎn)速開環(huán)恒壓頻比控制調(diào)速系統(tǒng) 異步電機的穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型如本章第6.2節(jié)所述，為了實現(xiàn)電壓-頻率協(xié)調(diào)控制，可以采用轉(zhuǎn)速開環(huán)恒壓頻比帶低頻電壓補償?shù)目刂品桨?，這就是常用的通用變頻器控制系統(tǒng)。 如果要求更高一些的調(diào)速范圍和起制動性能，可以采用轉(zhuǎn)速42轉(zhuǎn)速開環(huán)恒壓頻比控制調(diào)速系統(tǒng)6.5.1轉(zhuǎn)速開環(huán)恒壓頻比控制調(diào)速系統(tǒng)概述

現(xiàn)代通用變頻器大都是采用二極管整流和由快速全控開關(guān)器件IGBT或功率模塊IPM組成的PWM逆變器，構(gòu)成交-直-交電壓源型變壓變頻器，已經(jīng)占領(lǐng)了全世界0.5-500KVA中、小容量變頻調(diào)速裝置的絕大部分市場。所謂“通用”，包含著兩方面的含義：（1）可以和通用的籠型異步電機配套使用；（2）具有多種可供選擇的功能，適用于各種不同性質(zhì)的負載。轉(zhuǎn)速開環(huán)恒壓頻比控制調(diào)速系統(tǒng)6.5.1轉(zhuǎn)速開環(huán)恒壓頻43轉(zhuǎn)速開環(huán)恒壓頻比控制調(diào)速系統(tǒng)1.系統(tǒng)組成M3~電壓檢測泵升限制電流檢測溫度檢測電流檢測單片機顯示設(shè)定接口PWM發(fā)生器驅(qū)動電路~URUIR0R1R2RbVTbKR0R1RbR2圖6-37繪出了一種典型的數(shù)字控制通用變頻器-異步電動機調(diào)速系統(tǒng)原理圖。主電路——由二極管整流器UR、PWM逆變器UI和中間直流電路三部分組成，一般都是電壓源型的，采用大電容C濾波，同時兼有無功功率交換的作用。轉(zhuǎn)速開環(huán)恒壓頻比控制調(diào)速系統(tǒng)1.系統(tǒng)組成M電壓泵升電流溫44M3~電壓檢測泵升限制電流檢測溫度檢測電流檢測單片機顯示設(shè)定接口PWM發(fā)生器驅(qū)動電路~URUIR0R1R2RbVTbKR0R1RbR2限流電阻：為了避免大電容C在通電瞬間產(chǎn)生過大的充電電流，在整流器和濾波電容間的直流回路上串入限流電阻（或電抗），通上電源時，先限制充電電流，再延時用開關(guān)K將其短路，以免長期接入時影響變頻器的正常工作，并產(chǎn)生附加損耗。M電壓泵升電流溫度電流單顯示設(shè)定接口PWM驅(qū)動~URUIR045M3~電壓檢測泵升限制電流檢測溫度檢測電流檢測單片機顯示設(shè)定接口PWM發(fā)生器驅(qū)動電路~URUIR0R1R2RbVTbKR0R1RbR2 由于二極管整流器不能為異步電機的再生制動提供反向電流的通路，所以除特殊情況外，通用變頻器一般都用電阻吸收制動能量。 減速制動時，異步電機進入發(fā)電狀態(tài)，首先通過逆變器的續(xù)流二極管向電容C充電，當中間直流回路的電壓（通稱泵升電壓）升高到一定的限制值時，通過泵升限制電路使開關(guān)器件導(dǎo)通，將電機釋放的動能消耗在制動電阻上。M電壓泵升電流溫度電流單顯示設(shè)定接口PWM驅(qū)動~URUIR046轉(zhuǎn)速開環(huán)恒壓頻比控制調(diào)速系統(tǒng)圖6-38三相二極管整流電路的輸入電流波形進線電抗器——二極管整流器雖然是全波整流裝置，但由于其輸出端有濾波電容存在，因此輸入電流呈脈沖波形，如圖6-38所示。 這樣的電流波形具有較大的諧波分量，使電源受到污染。為了抑制諧波電流，對于容量較大的PWM變頻器，都應(yīng)在輸入端設(shè)有進線電抗器，有時也可以在整流器和電容器之間串接直流電抗器。還可用來抑制電源電壓不平衡對變頻器的影響。轉(zhuǎn)速開環(huán)恒壓頻比控制調(diào)速系統(tǒng)圖6-38三相二極管整流電路47M3~電壓檢測泵升限制電流檢測溫度檢測電流檢測單片機顯示設(shè)定接口PWM發(fā)生器驅(qū)動電路~URUIR0R1R2RbVTbKR0R1RbR2控制電路——現(xiàn)代PWM變頻器的控制電路大都是以微處理器為核心的數(shù)字電路，其功能主要是接受各種設(shè)定信息和指令，再根據(jù)它們的要求形成驅(qū)動逆變器工作的PWM信號，再根據(jù)它們的要求形成驅(qū)動逆變器工作的PWM信號。微機芯片主要采用8位或16位的單片機，或用32位的DSP。 PWM信號產(chǎn)生——可以由微機本身的軟件產(chǎn)生，由PWM端口輸出，也可采用專用的PWM生成電路芯片。M電壓泵升電流溫度電流單顯示設(shè)定接口PWM驅(qū)動~URUIR048檢測與保護電路——各種故障的保護由電壓、電流、溫度等檢測信號經(jīng)信號處理電路進行分壓、光電隔離、濾波、放大等綜合處理，再進入A/D轉(zhuǎn)換器，輸入給CPU作為控制算法的依據(jù)，或者作為開關(guān)電平產(chǎn)生保護信號和顯示信號。信號設(shè)定——需要設(shè)定的控制信息主要有：U/f特性、工作頻率、頻率升高時間、頻率下降時間等，還可以有一系列特殊功能的設(shè)定。轉(zhuǎn)速開環(huán)恒壓頻比控制調(diào)速系統(tǒng)信號設(shè)定——需要設(shè)定的控制信息主要有：U/f特性、工作頻率49一種是在微機中存儲多條不同斜率和折線段的U/f

函數(shù)，由用戶根據(jù)需要選擇最佳特性；另一種辦法是采用霍耳電流傳感器檢測定子電流或直流回路電流，按電流大小自動補償定子電壓。但無論如何都存在過補償或欠補償?shù)目赡?，這是開環(huán)控制系統(tǒng)的不足之處。給定積分——由于系統(tǒng)本身沒有自動限制起、制動電流的作用，因此，頻率設(shè)定信號必須通過給定積分算法產(chǎn)生平緩升速或降速信號，升速和降速的積分時間可以根據(jù)負載需要由操作人員分別選擇。

實現(xiàn)補償?shù)姆椒ㄓ袃煞N：給定積分——由于系統(tǒng)本身沒有自動限制起、制動電流的作用，因此50tff*ufu斜坡函數(shù)U/f曲線脈沖發(fā)生器驅(qū)動電路工作頻率設(shè)定升降速時間設(shè)定電壓補償設(shè)定PWM產(chǎn)生圖6-39PWM變壓變頻器的基本控制作用

綜上所述，轉(zhuǎn)速開環(huán)恒壓頻比控制調(diào)速系統(tǒng)tff*ufu斜坡函數(shù)U/f曲線脈沖發(fā)生器驅(qū)動工作頻51轉(zhuǎn)速閉環(huán)轉(zhuǎn)差頻率控制調(diào)速系統(tǒng)問題的提出

前節(jié)所述的轉(zhuǎn)速開環(huán)變頻調(diào)速系統(tǒng)可以滿足平滑調(diào)速的要求，但靜、動態(tài)性能都有限，要提高靜、動態(tài)性能，首先要用轉(zhuǎn)速反饋閉環(huán)控制。轉(zhuǎn)速閉環(huán)系統(tǒng)的靜特性比開環(huán)系統(tǒng)強，這是很明顯的，但是，是否能夠提高系統(tǒng)的動態(tài)性能呢？還得進一步探討一下。

轉(zhuǎn)速閉環(huán)轉(zhuǎn)差頻率控制調(diào)速系統(tǒng)問題的提出52電力傳動的基本控制規(guī)律

任何電力拖動自動控制系統(tǒng)都服從于基本運動方程式

提高調(diào)速系統(tǒng)動態(tài)性能主要依靠控制轉(zhuǎn)速的變化率d/dt，根據(jù)基本運動方程式，控制電磁轉(zhuǎn)矩就能控制d/dt，因此，歸根結(jié)底，調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)性能就是控制轉(zhuǎn)矩的能力。轉(zhuǎn)速閉環(huán)轉(zhuǎn)差頻率控制調(diào)速系統(tǒng)電力傳動的基本控制規(guī)律 任何電力拖動自動控制系統(tǒng)都服從于53在異步電機變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)中，需要控制的是電壓（或電流）和頻率，以便提高動態(tài)性能。

轉(zhuǎn)速閉環(huán)轉(zhuǎn)差頻率控制調(diào)速系統(tǒng)怎樣能夠通過控制電壓（電流）和頻率來控制電磁轉(zhuǎn)矩呢?主要從三個方面加以分析1轉(zhuǎn)差頻率控制的基本概念2.穩(wěn)態(tài)模型的轉(zhuǎn)差頻率控制規(guī)律

3.組成系統(tǒng)在異步電機變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)中，需要控制的是電壓（或541.轉(zhuǎn)差頻率控制的基本概念直流電機的轉(zhuǎn)矩與電樞電流成正比，控制電流就能控制轉(zhuǎn)矩，因此，把直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出信號當作電流給定信號，也就是轉(zhuǎn)矩給定信號。在交流異步電機中，影響轉(zhuǎn)矩的因素較多，控制異步電機轉(zhuǎn)矩的問題也比較復(fù)雜。轉(zhuǎn)速閉環(huán)轉(zhuǎn)差頻率控制調(diào)速系統(tǒng)1.轉(zhuǎn)差頻率控制的基本概念直流電機的轉(zhuǎn)矩與電樞電流成正比55將

按照第6.2.2節(jié)恒Eg/1

控制（即恒m控制）時的電磁轉(zhuǎn)矩公式（6-12）為

（6-12）

轉(zhuǎn)速閉環(huán)轉(zhuǎn)差頻率控制調(diào)速系統(tǒng)將56代入上式，得

（6-59）

令s=s1，并定義為轉(zhuǎn)差角頻率；

，是電機的結(jié)構(gòu)常數(shù)；

轉(zhuǎn)速閉環(huán)轉(zhuǎn)差頻率控制調(diào)速系統(tǒng)代入上式，得（6-59）令s=s1，并定義57則

當電機穩(wěn)態(tài)運行時，s

值很小，因而s也很小，只有1的百分之幾，可以認為sLlr'<<Rr'

，則轉(zhuǎn)矩可近似表示為轉(zhuǎn)速閉環(huán)轉(zhuǎn)差頻率控制調(diào)速系統(tǒng)則轉(zhuǎn)速閉環(huán)轉(zhuǎn)差頻率控制調(diào)速系統(tǒng)58

（6-61）

式（6-61）表明，在s值很小的穩(wěn)態(tài)運行范圍內(nèi)，如果能夠保持氣隙磁通m不變，異步電機的轉(zhuǎn)矩就近似與轉(zhuǎn)差角頻率s成正比。這就是說，在異步電機中控制s，就和直流電機中控制電流一樣，能夠達到間接控制轉(zhuǎn)矩的目的。轉(zhuǎn)速閉環(huán)轉(zhuǎn)差頻率控制調(diào)速系統(tǒng)控制轉(zhuǎn)差頻率就代表控制轉(zhuǎn)矩，這就是轉(zhuǎn)差頻率控制的基本概念。（6-61）式（6-61）表明，592.基于異步電機穩(wěn)態(tài)模型的轉(zhuǎn)差頻率控制規(guī)律

上面分析所得的轉(zhuǎn)差頻率控制概念是在轉(zhuǎn)矩近似公式（6-61）上得到的，當s較大時，就得采用式（6-60）的精確轉(zhuǎn)矩公式。

（6-61）

2.基于異步電機穩(wěn)態(tài)模型的轉(zhuǎn)差頻率控制規(guī)律上面60可以看出：在s較小的穩(wěn)態(tài)運行段上，轉(zhuǎn)矩Te基本上與s成正比，當Te

達到其最大值Temax時，s達到smax值。ωsmaxωsmTemaxTemωsTe0圖6-40按恒Φm值控制的Te=f(s

)特性

轉(zhuǎn)速閉環(huán)轉(zhuǎn)差頻率控制調(diào)速系統(tǒng)可以看出：ωsmaxωsmTemaxTemωsTe0圖6-461對于式（6-60），取dTe/ds=0可得

（6-63）

（6-62）

轉(zhuǎn)速閉環(huán)轉(zhuǎn)差頻率控制調(diào)速系統(tǒng)對于式（6-60），取dTe/ds=0可得（62在轉(zhuǎn)差頻率控制系統(tǒng)中，只要給s限幅，使其限幅值為

（6-64）

就可以基本保持

Te與s的正比關(guān)系，也就可以用轉(zhuǎn)差頻率控制來代表轉(zhuǎn)矩控制。這是轉(zhuǎn)差頻率控制的基本規(guī)律之一。

轉(zhuǎn)速閉環(huán)轉(zhuǎn)差頻率控制調(diào)速系統(tǒng)在轉(zhuǎn)差頻率控制系統(tǒng)中，只要給s限幅，使其限幅值為63（6-65）

轉(zhuǎn)速閉環(huán)轉(zhuǎn)差頻率控制調(diào)速系統(tǒng) 上述規(guī)律是在保持m恒定的前提下才成立的，于是問題又轉(zhuǎn)化為，如何能保持m

恒定？（6-65）轉(zhuǎn)速閉環(huán)轉(zhuǎn)差頻率控制調(diào)速系統(tǒng) 上述規(guī)律是在保64Us1RsLlsL’lrLmR’r/sIsI0I’rEgEsEr 我們知道，按恒Eg/1控制時可保持m恒定。在下面圖6-5的等效電路中可得：圖6-5異步電動機穩(wěn)態(tài)等效電路和感應(yīng)電動勢Us1RsLlsL’lrLmR’r/sIsI0I’rEg65

由此可見，要實現(xiàn)恒Eg/1控制，須在Us/1=恒值的基礎(chǔ)上再提高電壓

Us

以補償定子電流壓降。如果忽略電流相量相位變化的影響，不同定子電流時恒Eg/1控制所需的電壓-頻率特性Us=f(1,Is)如下圖所示。轉(zhuǎn)速閉環(huán)轉(zhuǎn)差頻率控制調(diào)速系統(tǒng)由此可見，要實現(xiàn)恒Eg/1控制，須在Us/166圖6-41不同定子電流時恒控制所需的電壓-頻率特性O(shè)Us/1=Const.Eg/1=Const.定子電流增大的趨勢轉(zhuǎn)速閉環(huán)轉(zhuǎn)差頻率控制調(diào)速系統(tǒng)上述關(guān)系表明，只要Us和1及

Is

的關(guān)系符合上圖所示特性，就能保持Eg/1恒定，也就是保持m恒定。這是轉(zhuǎn)差頻率控制的基本規(guī)律之二。圖6-41不同定子電流時恒控制所需的電壓-頻率特性O(shè)Us67（2）在不同的定子電流值時，按上圖的函數(shù)關(guān)系Us=f(1,Is)控制定子電壓和頻率，就能保持氣隙磁通m恒定。轉(zhuǎn)速閉環(huán)轉(zhuǎn)差頻率控制調(diào)速系統(tǒng)總結(jié)起來，轉(zhuǎn)差頻率控制的規(guī)律是：（1）在s

≤sm的范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)矩Te

基本上與s成正比，條件是氣隙磁通不變。轉(zhuǎn)速閉環(huán)轉(zhuǎn)差頻率控制調(diào)速系統(tǒng)總結(jié)起來，轉(zhuǎn)差頻率控制的規(guī)律是：683.轉(zhuǎn)差頻率控制的變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)系統(tǒng)組成控制原理性能評價轉(zhuǎn)速閉