基于穩(wěn)態(tài)模型的異步電動機調速系統(tǒng)

電力拖動自動控制系統(tǒng)

—運動控制系統(tǒng)第5章基于穩(wěn)態(tài)模型的異步電動機調速系統(tǒng)

基于穩(wěn)態(tài)模型的異步電動機調速在基于穩(wěn)態(tài)模型的異步電動機調速系統(tǒng)中，采用穩(wěn)態(tài)等值電路來分析異步電動機在不同電壓和頻率供電條件下的轉矩與磁通的穩(wěn)態(tài)關系和機械特性，并在此根底上設計異步電動機調速系統(tǒng)。基于穩(wěn)態(tài)模型的調速方法常用的基于穩(wěn)態(tài)模型的異步電動機調速方法有調壓調速和變壓變頻調速兩類。5.1異步電動機穩(wěn)態(tài)數(shù)學模型和調速方法異步電動機穩(wěn)態(tài)數(shù)學模型包括異步電動機穩(wěn)態(tài)等值電路和機械特性，兩者既有聯(lián)系，又有區(qū)別。 穩(wěn)態(tài)等值電路描述了在一定的轉差率下電動機的穩(wěn)態(tài)電氣特性。 機械特性那么表征了轉矩與轉差率〔或轉速〕的穩(wěn)態(tài)關系。異步電動機穩(wěn)態(tài)數(shù)學模型轉差率與轉速的關系或

電動機極對數(shù)

供電電源頻率

同步轉速

根據(jù)電機學原理，在下述三個假定條件下：忽略空間和時間諧波；忽略磁飽和；忽略鐵損；

異步電機的穩(wěn)態(tài)等效電路示于圖5-1。

一、異步電動機等效電路圖5-1異步電動機的穩(wěn)態(tài)等效電路

Us

1RsLlsL’lrLmR’r/sIsI0I’rLmRs、R’r——定子每相電阻和折合到定子側的轉子每相電阻；Lls、L’lr——定子每相漏感和折合到定子側的轉子每相漏感；Lm——定子每相繞組產(chǎn)生氣隙主磁通的等效電感，即勵磁電感；Us、

1——定子相電壓和供電角頻率；s——轉差率。二、異步電動機的機械特性異步電動機傳遞的電磁功率

機械同步角速度

異步電動機的電磁轉矩〔機械特性方程式〕上式說明，當轉速或轉差率一定時，電磁轉矩與定子電壓的平方成正比。

對s求導，并令

1、最大轉矩，又稱臨界轉矩：2、臨界轉差率：對應最大轉矩的轉差率假設將機械特性方程式分母展開當s很小時，忽略分母中含s各項轉矩近似與s成正比，機械特性近似為直線當s較大時，忽略分母中s的一次項和零次項轉矩近似與s成反比，機械特性是一段雙曲線異步電動機的機械特性異步電動機由額定電壓、額定頻率供電，且無外加電阻和電抗時的機械特性方程式，稱作固有特性。圖5-3異步電動機的機械特性異步電動機的調速方法與氣隙磁通異步電動機的調速方法 所謂調速，就是人為地改變機械特性的參數(shù)，使電動機的穩(wěn)定工作點偏離固有特性，工作在人為機械特性上，以到達調速的目的。異步電動機的調速方法由異步電動機的機械特性方程式可知，改變的參數(shù)可分為3類：1、電動機參數(shù)；2、電源電壓；3、電源頻率〔或角頻率〕。異步電動機的氣隙磁通三相異步電動機定子每相電動勢的有效值忽略定子繞組電阻和漏磁感抗壓降氣隙磁通

為了保持氣隙磁通恒定，應使

或近似為

5.2異步電動機調壓調速保持電源頻率為額定頻率，只改變定子電壓的調速方法稱作調壓調速，又稱作降壓調速。5.2.1異步電動機調壓調速的主電路圖5-4晶閘管交流調壓器調速TVC雙向晶閘管交流調壓器

a)不可逆電路b)可逆電路5.2.2異步電動機調壓調速的機械特性調壓調速的機械特性表達式電磁轉矩與定子電壓的平方成正比不同電壓下的機械特性便如圖5-5所示，UsN表示額定定子電壓。

TeOnn0TemaxsmTLUsN0.7UsNABCFDE0.5UsN風機類負載特性恒轉矩負載特性圖5-5異步電動機不同電壓下的機械特性

為了能在恒轉矩負載下擴大調速范圍，并使電機能在較低轉速下運行而不致過熱，就要求電機轉子有較高的電阻值，這樣的電機在變電壓時的機械特性繪于圖5-6。顯然，帶恒轉矩負載時的變壓調速范圍增大了，堵轉工作也不致燒壞電機，這種電機又稱作交流力矩電機。

交流力矩電機的機械特性TeOnn0UsN0.7UsNABCTL0.5UsN恒轉矩負載特性圖5-5高轉子電阻電動機〔交流力矩電動機〕在不同電壓下的機械特性返回目錄5.2.3閉環(huán)控制的調壓調速系統(tǒng)要求帶恒轉矩負載的調壓系統(tǒng)具有較大的調速范圍時，往往須采用帶轉速反響的閉環(huán)控制系統(tǒng)。圖5-7帶轉速負反響閉環(huán)控制的交流調壓調速系統(tǒng)

系統(tǒng)靜特性eTOnn0TLUsNAA’A’’Usmin恒轉矩負載特性圖5-8閉環(huán)控制變壓調速系統(tǒng)的靜特性U*n3U*n1U*n2*5.2.4降壓控制應用〔略〕5.3異步電動機變壓變頻調速變壓變頻調速是改變異步電動機同步轉速的一種調速方法，同步轉速隨頻率而變化

在進行電機調速時，常須考慮的一個重要因素是：希望保持電機中每極磁通量

m為額定值不變。如果磁通太弱，沒有充分利用電機的鐵心，是一種浪費；如果過分增大磁通，又會使鐵心飽和，從而導致過大的勵磁電流，嚴重時會因繞組過熱而損壞電機。5.3.1變壓變頻調速的根本原理異步電動機的實際轉速穩(wěn)態(tài)速降

隨負載大小而變化

氣隙磁通控制只要控制由式5-11可知，只要控制好Eg和f1，便可到達控制磁通m的目的，對此，需要考慮基頻〔額定頻率〕以下和基頻以上兩種情況。1.基頻以下調速

由式〔5-11〕可知，要保持m不變，當頻率f1從額定值f1N向下調節(jié)時，必須同時降低Eg，使常值〔5-26〕即采用恒值電動勢頻率比的控制方式。

恒壓頻比的控制方式然而，繞組中的感應電動勢是難以直接控制的，當電動勢值較高時，可以忽略定子繞組的漏磁阻抗壓降，而認為定子相電壓Us≈Eg，那么得〔6-3〕

這是恒壓頻比的控制方式。在低頻時Us和Eg都較小，定子阻抗壓降所占的份量就比較顯著，不再能忽略。這時，需要人為地把電壓Us抬高一些，以便近似地補償定子壓降。帶定子壓降補償?shù)暮銐侯l比控制特性示于以下圖中的b線，無補償?shù)目刂铺匦阅敲礊閍線。OUsf1圖5-9

恒壓頻比控制特性

帶壓降補償?shù)暮銐侯l比控制特性UsNf1Na

—無補償

b

—帶定子壓降補償

2.基頻以上調速

在基頻以上調速時，頻率應該從f1N向上升高，但定子電壓Us卻不可能超過額定電壓UsN，最多只能保持Us=UsN，這將迫使磁通與頻率成反比地降低，相當于直流電機弱磁升速的情況。把基頻以下和基頻以上兩種情況的控制特性畫在一起，如以下圖所示。f1N

變壓變頻控制特性圖6-2異步電機變壓變頻調速的控制特性

恒轉矩調速UsUsNΦmNΦm恒功率調速ΦmUsf1O如果電機在不同轉速時所帶的負載都能使電流到達額定值，即都能在允許溫升下長期運行，那么轉矩根本上隨磁通變化。按照電力拖動原理，在基頻以下，磁通恒定時轉矩也恒定，屬于“恒轉矩調速〞性質，而在基頻以上，轉速升高時轉矩降低，根本上屬于“恒功率調速〞。返回目錄5.3.2變壓變頻調速時的機械特性基頻以下采用恒壓頻比控制異步電動機機械特性方程式改寫為基頻以下調速：當s很小時，忽略上式分母中含s各項，或

基頻以下調速對于同一轉矩，轉速降落根本不變在恒壓頻比的條件下把頻率向下調節(jié)時，機械特性根本上是平行下移的。基頻以下調速臨界轉矩

隨著頻率的降低而減小。當頻率較低時，電動機帶載能力減弱，采用低頻定子壓降補償，適當?shù)靥岣唠妷?，可以增強帶載能力。基頻以下調速轉差功率

與轉速無關，故稱作轉差功率不變型?；l以上調速

電壓不能從額定值再向上提高，只能保持不變，機械特性方程式可寫成臨界轉矩表達式

基頻以上調速臨界轉差

當s很小時，忽略上式分母中含s各項

或基頻以上調速帶負載時的轉速降落

對于相同的電磁轉矩，角頻率越大，轉速降落越大，機械特性越軟，與直流電動機弱磁調速相似?；l以上調速轉差功率

帶恒功率負載運行時轉差功率根本不變，所以看書。變壓變頻調速時的機械特性圖5-11異步電動機變壓變頻調速機械特性變壓變頻調速在基頻以下，由于磁通恒定，允許輸出轉矩也恒定，屬于“恒轉矩調速〞方式。在基頻以上，轉速升高時磁通減小，允許輸出轉矩也隨之降低，由于轉速上升，允許輸出功率根本恒定，屬于“近似的恒功率調速〞方式。5.3.3基頻以下電壓補償控制

在基頻以下運行時，采用恒壓頻比的控制方法具有控制簡便的優(yōu)點。但負載的變化時定子壓降不同，將導致磁通改變，須采用定子電壓補償控制。根據(jù)定子電流的大小改變定子電壓，以保持磁通恒定。圖5-12異步電動機穩(wěn)態(tài)等效電路和感應電動勢

Us

1RsLlsL’lrLmR’r/sIsI0I’r

異步電動機等效電路EgEsEr三種磁通:氣隙磁通在定子每相繞組中的感應電動勢

定子全磁通在定子每相繞組中的感應電動勢

轉子全磁通在定子每相繞組中的感應電動勢

1、恒定子磁通控制

保持定子磁通恒定：

定子電動勢不好直接控制，能夠直接控制的只有定子電壓，按補償定子電阻壓降，就能夠得到恒定子磁通。

常值2、恒氣隙磁通控制

保持氣隙磁通恒定：

定子電壓：

除了補償定子電阻壓降外，還應補償定子漏抗壓降。常值3、恒轉子磁通控制

如果希望電壓－頻率協(xié)調控制中的電壓再進一步提高，把轉子漏抗上的壓降也抵消掉，得到恒Er/

1控制。那么，機械特性會怎樣呢？

由此可寫出：〔5-53〕代入電磁轉矩根本關系式，得〔5-54〕

現(xiàn)在，不必再作任何近似就可知道，這時的機械特性完全是一條直線，見圖5-13。0s10Te幾種電壓－頻率協(xié)調控制方式的特性比較圖5-13不同電壓－頻率協(xié)調控制方式時的機械特性恒Er/

1控制恒Eg/

1控制恒Us/

1控制ab

c4、幾種協(xié)調控制方式的比較

綜上所述，在正弦波供電時，按不同規(guī)律實現(xiàn)電壓－頻率協(xié)調控制可得不同類型的機械特性。

〔1〕恒壓頻比〔Us/1=Constant〕控制最容易實現(xiàn)，它的變頻機械特性根本上是平行下移，硬度也較好，能夠滿足一般的調速要求，但低速帶載能力較差，須對定子壓降實行補償。

〔2〕恒Eg/1控制是通常對恒壓頻比控制實行電壓補償?shù)臉藴?，可以在穩(wěn)態(tài)時到達rm=Constant，從而改善了低速性能。但機械特性還是非線性的，產(chǎn)生轉矩的能力仍受到限制。

〔3〕恒Er/1控制可以得到和直流他勵電機一樣的線性機械特性，按照轉子全磁通rm恒定進行控制，即得Er/1=Constant而且，在動態(tài)中也盡可能保持rm恒定是矢量控制系統(tǒng)的目標，當然實現(xiàn)起來是比較復雜的。5.4電力電子變壓變頻器異步電動機變頻調速需要電壓與頻率均可調的交流電源，常用的交流可調電源是由電力電子器件構成的靜止式功率變換器，一般稱為變頻器。交-直-交變頻器：先將恒壓恒頻的交流電整成直流，再將直流電逆變成電壓與頻率均為可調的交流，稱作間接變頻。

交-交變頻器：將恒壓恒頻的交流電直接變換為電壓與頻率均為可調的交流電，無需中間直流環(huán)節(jié)，稱作直接變頻。圖交-直-交〔間接〕變壓變頻器變壓變頻(VVVF)中間直流環(huán)節(jié)恒壓恒頻(CVCF)逆變DCACAC50Hz~整流5.4.1PWM變頻器主回路脈沖寬度調制技術：現(xiàn)代變頻器中用得最多的控制技術是脈沖寬度調制〔PulseWidthModulation〕，簡稱PWM。根本思想是控制逆變器中電力電子器件的開通或關斷，輸出電壓為幅值相等、寬度按一定規(guī)律變化的脈沖序列，用這樣的高頻脈沖序列代替期望的輸出電壓。PWM變頻器主回路：圖5-15交-直-交變頻器主回路結構圖左邊是不可控整流橋，將三相交流電整流成電壓恒定的直流電壓。右邊是逆變器，將直流電壓變換為頻率與電壓均可調的交流電。中間的濾波環(huán)節(jié)是為了減小直流電壓脈動而設置的。

優(yōu)點：主回路只有一套可控功率級，具有結構、控制方便的優(yōu)點，采用脈寬調制的方法，輸出諧波分量小。

缺點：當電動機工作在回饋制動狀態(tài)時能量不能回饋至電網(wǎng)，造成直流側電壓上升，稱作泵升電壓。5.4.2正弦波脈寬調制(SPWM)技術SPWM調制原理:1、以正弦波作為逆變器輸出的期望波形；2、以頻率比期望波高得多的等腰三角波作為載波〔Carrierwave〕；3、并用頻率和期望波相同的正弦波作為調制波〔Modulationwave〕；4、當調制波與載波相交時，由它們的交點確定逆變器開關器件的通斷時刻，從而獲得在正弦調制波的半個周期內呈兩邊窄中間寬的一系列等幅不等寬的矩形波。圖SPWM調制原理PWM逆變器主電路及輸出波形圖三相橋式PWM逆變器主電路原理圖調制電路V1V2V3V4VD1VD2VD3VD4ucV6VD6V5VD5VUWNN'C+C+urUurVurW2Ud2UdVT1VT4VT3VT6VT5VT2圖5-17三相橋式PWM逆變器的雙極性SPWM波形

uuUN’OwtOOOOUd2-Ud2uVN’uWN’uUVuUNwtwtwtwtOwturUurVurWucUd23Ud25.5轉速開環(huán)變壓變頻控制調速系統(tǒng)——

通用變頻器-異步電動機調速系統(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器件IGBT或功率模塊IPM組成的PWM逆變器，構成交-直-交電壓源型變壓變頻器，已經(jīng)占領了全世界0.5~500KVA中、小容量變頻調速裝置的絕大局部市場。對于風機、水泵等調速性能要求不高的負載，可以根據(jù)電動機的穩(wěn)態(tài)模型，采用轉速開環(huán)電壓頻率協(xié)調控制的方案。通用變頻器控制系統(tǒng)：

可以和通用的籠型異步電動機配套使用；具有多種可供選擇的功能，適用于各種不同性質的負載。

由于系統(tǒng)本身沒有自動限制起制動電流的作用，頻率設定必須通過給定積分算法產(chǎn)生平緩的升速或降速信號，電壓--頻率特性電壓/頻率特性

1、當實際頻率大于或等于額定頻率時，只能保持額定電壓不變。

2、而當實際頻率小于額定頻率時，一般是帶低頻補償?shù)暮銐侯l比控制。系統(tǒng)結構圖5-40轉速開環(huán)變壓變頻調速系統(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定接口PWM發(fā)生器驅動電路~URUIR0R1R2RbVTbKR0R1RbR2

電路分析：主電路——由二極管整流器UR、PWM逆變器UI和中間直流電路三局部組成，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。限流電阻：為了防止大電容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K將短路，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。泵升限制電路——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器件導通，將電機釋放的動能消耗在制動電阻上。為了便于散熱，制動電阻器常作為附件單獨裝在變頻器機箱外邊?？刂齐娐贰F(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定信息和指令，再根據(jù)它們的要求形成驅動逆變器工作的PWM信號，再根據(jù)它們的要求形成驅動逆變器工作的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，現(xiàn)在已有應用RISC的產(chǎn)品出現(xiàn)。

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。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轉換器，輸入給CPU作為控制算法的依據(jù)，或者作為開關電平產(chǎn)生保護信號和顯示信號。5.6轉速閉環(huán)轉差頻率控制的變壓變頻調速系統(tǒng)問題的提出：前節(jié)所述的轉速開環(huán)變頻調速系統(tǒng)可以滿足平滑調速的要求，但靜、動態(tài)性能都有限，要提高靜、動態(tài)性能，首先要用轉速反響閉環(huán)控制。轉速閉環(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。

異步電動機恒氣隙磁通的電磁轉矩公式

將代入電磁轉矩公式

，得電機結構常數(shù)

定義轉差角頻率

電磁轉矩轉差率s較小，轉矩可近似表示

轉差頻率控制的根本思路：保持氣隙磁通不變，在s值較小的穩(wěn)態(tài)運行范圍內，異步電動機的轉矩就近似與轉差角頻率成正比。在保持氣隙磁通不變的前提下，可以通過控制轉差角頻率來控制轉矩，這就是轉差頻率控制的根本思想?？刂妻D差頻率就代表控制轉矩，這就是轉差頻率控制的根本概念。可以看出：在s較小的穩(wěn)態(tài)運行段上，轉矩Te根本上與s成正比；當Te到達其最大值Temax時，s到達smax值。ωsmaxωsmTemaxTemωsTe0圖5-42按恒Φm值控制的Te=f(

s

)特性

取dTe/d

s=0可得

在轉差頻率控制系統(tǒng)中，只要給

s限幅，使其限幅值為

〔5-108〕就可以根本保持Te與s的正比關系，也就可以用轉差頻率控制來代表轉矩控制。這是轉差頻率控制的根本規(guī)律之一。

上述規(guī)律是在保持

m恒定的前提下才成立的，于是問題又轉化為，如何能保持

m恒定？我們知道，按恒Eg/

1控制時可保持

m恒定。在前面的等效電路中可得：

〔5-109〕由此可見：要實現(xiàn)恒Eg/1控制，須在Us/1=恒值的根底上再提高電壓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)如以下圖所示。圖5-43不同定子電流時恒控制所需的電壓-頻率特性OUs/

1=Const.Eg/

1=Const.定子電流增大的趨勢上述關系說明，只要Us和1及Is的關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。這是轉差頻率控制的根本規(guī)律之二。因此，轉差頻率控制的規(guī)律是：〔1〕在s≤sm的范圍內，轉矩Te根本上與s成正比，條件是氣隙磁通不變。〔2〕在不同的定子電流值時，按上圖的函數(shù)關系Us=f(1,Is)控制定子電壓和頻率，就能保持氣隙磁通m恒定。5.6.2轉差頻率控制系統(tǒng)結構及性能分析系統(tǒng)組成FBS電壓型逆變器PWMM3~ASR圖5-44轉差頻率控制的轉速閉環(huán)變壓變頻調速系統(tǒng)結構原理圖

控制原理

頻率控制——轉速調節(jié)器ASR的輸出信號是轉差頻率給定

s*，與實測轉速信號

相加，即得定子頻率給定信號

1*，即〔5-112〕電壓控制——由1和定子電流反響信號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，即得異步電機調速所需的變壓變頻電源。起動過程在t=0時，突加給定，轉速調節(jié)器ASR很快進入飽和，輸出為限幅值，轉速和電流尚未建立，給定定子頻率定子電壓起動過程當t=t1時，電流到達最大值，起動電流等于最大的允許電流起動轉矩等于系統(tǒng)最大的允許輸出轉矩

起動過程隨著電流的建立和轉速的上升，定子電壓和頻率上升，轉差頻率不變起動電流和起動轉矩也不變，電動機在允許的最大輸出轉矩下加速運行。

因此，轉差頻率控制變壓變頻調速系統(tǒng)通過最大轉差頻率間接限制了最大的允許電流。起動過程當t=t2時，轉速到達給定值，ASR開始退飽和，轉速略有超調后，到達穩(wěn)態(tài)轉差頻