異步電動機變頻調速控制方式課件

第7章異步電動機變頻調速控制方式7.1U/f控制

7.2

轉差頻率控制

7.3矢量控制

7.4直接轉矩控制

1整理版課件2024/4/3第7章異步電動機變頻調速控制方式7.1U/f控制77.1U/f控制7.1.1恒U/f控制在進行電機調速時，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，不能充分利用電機的鐵心，會造成浪費；而如果過分增大磁通，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。2整理版課件2024/4/37.1U/f控制7.1.1恒U/f控制在進行電電機定子電動勢平衡方程式：

（7-2）（7-1）定子每相電動勢

：

3整理版課件2024/4/3電機定子電動勢平衡方程式：（7-2）（7-1）定子每相電動03四月2024為了保持磁通保持不變，在頻率下調時，須使E1/f1=常數(shù)，但由于E1是定子反電動勢，無法直接進行檢測和控制，而U1可以方便地檢測和控制，因此，在額定頻率以下調頻，即f1<f1n調頻時，同時下調加在定子繞組上的電壓，即U/f控制方式，如果使U1/f1=常數(shù)，稱恒U/f控制。若在額定頻率以上調頻時，U1就不能跟著上調了，因為電機定子繞組上的電壓不允許超過額定電壓，即必須保持U1=U1n不變，額定頻率以上進行調頻屬弱磁調速。4整理版課件02四月2024為了保持磁通保持不變，在頻率下調03四月20247.1.2恒U/f控制方式下電機的機械特性如調節(jié)f1使f1=αff1n,同時相應調節(jié)U1，使U1=αf

U1n，則

設在額定頻率f1n時，定、轉子漏電抗為xn=x1n+x'2n,則有

（7-3）（7-4）5整理版課件02四月20247.1.2恒U/f控制方式下電機的機械03四月2024圖7-1U1/f1=常數(shù)控制方式下的機械特性曲線這族曲線具有如下兩個特點：1）在忽略r1情況下，機械特性曲線族之間近似平行。2）當轉速較高時，最大拖動轉矩近似不變。3）轉速較低的情況下，Tm將明顯下降。

6整理版課件02四月2024圖7-1U1/f1=常數(shù)控制方03四月2024在恒U/f控制方式下，由于E1在U1中的比重隨f1下降而減小，從而造成在低頻低速時主磁通和電磁轉矩Tm下降較多。Tm大幅減小，嚴重影響電機在低速時的帶負載能力。為避免這種情況，可適當提高調壓比ku(U1=kuU1n)，使調壓比ku大于調頻比kf(f1=kf

f1n

)，即相對提高U1的值使得E1的值增加，從而保證E1/f1=常數(shù)，最終使電動機的最大轉矩得到補償。由于這種方法是通過提高U1/f1比值使Tm得到補償?shù)模虼诉@種方法被稱為電壓補償，也稱轉矩提升。7.1.3對額定頻率f1n以下變頻調速特性的修正7整理版課件02四月2024在恒U/f控制方式下，由于E1在U103四月2024圖7-2電壓補償后，額定頻率以下電機機械特性曲線8整理版課件02四月2024圖7-2電壓補償后，額定頻率以下電03四月2024圖7-3變頻器的U/f控制曲線9整理版課件02四月2024圖7-3變頻器的U/f控制曲線9整03四月2024圖7-4電壓補償后電機全頻范圍內機械特性曲線10整理版課件02四月2024圖7-4電壓補償后電機全頻范圍內機械03四月2024圖7-5典型的數(shù)字控制通用變頻器-異步電動機調速系統(tǒng)原理圖11整理版課件02四月2024圖7-5典型的數(shù)字控制通用變頻器-異步03四月2024轉速開環(huán)變頻調速系統(tǒng)雖然可以滿足平滑調速的要求，但改變的是同步轉速，調速精度比較低，系統(tǒng)靜、動態(tài)性能都有限，要提高靜、動態(tài)性能需要進行轉速閉環(huán)控制。轉差頻率控制是在閉環(huán)運算中力圖維持磁通恒定來實現(xiàn)電磁轉矩和轉差頻率近似線性，通過控制轉差頻率從而實現(xiàn)電磁轉矩線性可控的一種閉環(huán)控制方法。7.2轉差頻率控制7.2.1轉差頻率控制的基本思想12整理版課件02四月2024轉速開環(huán)變頻調速系統(tǒng)雖然03四月2024轉速開環(huán)變頻調速系統(tǒng)雖然可以滿足平滑調速的要求，但改變的是同步轉速，調速精度比較低，系統(tǒng)靜、動態(tài)性能都有限，要提高靜、動態(tài)性能需要進行轉速閉環(huán)控制。轉差頻率控制是在閉環(huán)運算中力圖維持磁通恒定來實現(xiàn)電磁轉矩和轉差頻率近似線性，通過控制轉差頻率從而實現(xiàn)電磁轉矩線性可控的一種閉環(huán)控制方法。7.2轉差頻率控制7.2.1轉差頻率控制的基本思想13整理版課件02四月2024轉速開環(huán)變頻調速系統(tǒng)雖然03四月2024（7-7）（7-6）（7-8）定義ωs=sω1為轉差角頻率，則有（7-9）14整理版課件02四月2024（7-7）（7-6）（7-8）定義ωs=03四月2024（7-10）基于上述推導，獲得轉差頻率控制的基本思想是：只要在控制過程中，保證：1)限制轉差角頻率的最大值ωsm

；2)保持主磁通

m恒定?？刂妻D差角頻率ωs

，就能實現(xiàn)電磁轉矩與轉差頻率成比例的近似線性控制。（7-11）15整理版課件02四月2024（7-10）基于上述推導，獲得轉差03四月20247.2.2轉差頻率控制的轉速閉環(huán)變頻調速系統(tǒng)圖7-7轉差頻率控制規(guī)律的轉速閉環(huán)變壓變頻調速系統(tǒng)結構原理圖16整理版課件02四月20247.2.2轉差頻率控制的轉速閉環(huán)變頻調03四月20247.3.1矢量控制簡介7.3矢量控制

眾所周知，直流電動機雙閉環(huán)調速系統(tǒng)具有優(yōu)良的動、靜態(tài)調速特性，其根本原因在于作為控制對象的他勵直流電動機的電磁轉矩能夠容易地進行控制。那么，作為變頻調速的控制對象——交流電動機是否可以模仿直流電動機轉矩控制規(guī)律而加以實現(xiàn)呢？20世紀70年代初德國學者Blaschkle等人首先提出矢量控制變換實現(xiàn)了這種控制思想。矢量控制成功解決了交流電動機電磁轉矩的有效控制，使異步電動機可以像他勵直流電動機那樣控制，從而實現(xiàn)交流電機高性能控制，故矢量控制又稱解耦控制或矢量變換控制。它可以應用于異步電機和同步電機傳動系統(tǒng)。17整理版課件02四月20247.3.1矢量控制簡介7.3矢量控03四月2024圖7-8他勵直流電動機的物理模型1.與直流傳動類比18整理版課件02四月2024圖7-8他勵直流電動機的物理模型1.03四月2024圖7-9等效的交流電動機繞組和直流電動機物理模型1.與直流傳動類比19整理版課件02四月2024圖7-9等效的交流電動機繞組和直流電動03四月2024圖7-10異步電動機坐標變換結構圖2.矢量控制的概念既然異步電機經過坐標變換可以等效成直流電機，那么模仿直流電機的控制策略，得到直流電機的控制量，經過相應的坐標反變換，就能夠控制異步電機了。由于進行坐標變換的是電流(代表磁動勢)的空間矢量，所以這樣通過坐標變換實現(xiàn)的控制系統(tǒng)就叫作矢量控制系統(tǒng)(VectorControlSystem)，控制系統(tǒng)的原理結構如7-11所示。20整理版課件02四月2024圖7-10異步電動機坐標變換結構圖2.03四月2024圖7-11矢量控制結構圖21整理版課件02四月2024圖7-11矢量控制結構圖21整理版課件03四月2024圖7-12帶轉矩內環(huán)的轉速、磁鏈閉環(huán)的電流滯環(huán)SPWM矢量控制系統(tǒng)7.3.2矢量控制系統(tǒng)22整理版課件02四月2024圖7-12帶轉矩內環(huán)的轉速、磁鏈閉環(huán)的03四月20247.4直接轉矩控制經典的SPWM控制著眼于使變頻器輸出的電壓接近正弦波，并未顧及輸出電流的波形。實際交流電動機需要輸入三相正弦電流，其最終目的是在電動機空間形成圓形的旋轉磁場，從而產生恒定的電磁轉矩。如果對準這一目標，把逆變器和交流電動機視為一體，按照跟蹤圓形旋轉磁場來控制逆變器的工作，其效果應該更好。這種控制方法稱作“磁鏈跟蹤控制”，由于磁鏈的軌跡是交替使用不同的電壓空間矢量得到的，所以又稱作“電壓空間矢量PWM(SpaceVectorPWM—SVPWM)控制。直接轉矩控制系統(tǒng)(DTC)是利用電壓空間矢量PWM(SVPWM)通過磁鏈、轉矩的直接控制、確定逆變器的開關狀態(tài)來實現(xiàn)的。23整理版課件02四月20247.4直接轉矩控制經典的SP03四月20247.4.1電壓空間矢量7.4直接轉矩控制交流電動機繞組的電壓、電流、磁鏈等物理量都是隨時間變化的，分析時常用時間相量來表示，但如果考慮到它們所在繞組的空間位置，也可以如圖7-13所示，定義為空間矢量uA0，uB0，uC0。

圖7-13交流電機電壓空間矢量24整理版課件02四月20247.4.1電壓空間矢量7.4直接轉03四月2024（7-13）上式表明，當磁鏈幅值一定時，定子電壓的大小與

1(或供電電壓頻率)成正比，其方向則與磁鏈矢量正交，即磁鏈圓的切線方向，如圖7-14所示，當磁鏈矢量在空間旋轉一周時，電壓矢量也連續(xù)地按磁鏈圓的切線方向運動2

弧度，其軌跡與磁鏈圓重合。這樣，電動機旋轉磁場的軌跡問題就可轉化為電壓空間矢量的運動軌跡問題。（7-14）（7-15）（7-16）（7-17）（7-18）25整理版課件02四月2024（7-13）上式表明，當磁鏈幅值一03四月2024圖7-14旋轉磁場與電壓空間矢量的運動軌跡圖7-15三相逆變器-異步電動機調速系統(tǒng)主電路的原理圖26整理版課件02四月2024圖7-14旋轉磁場與電壓空間矢量圖703四月2024（7-19）（7-20）（7-21）（7-22）三相輸出電壓三相輸出線電壓直流輸入電流27整理版課件02四月2024（7-19）（7-20）（7-21）（703四月2024（7-23）（7-24）以U5(1，0，1)為例，由式(7-19)有壓代人式(7-13)，得28整理版課件02四月2024（7-23）（7-24）以U5(1，0，03四月2024圖7-16逆變器的電壓矢量29整理版課件02四月2024圖7-16逆變器的電壓矢量29整理版03四月20247.4.2磁通軌跡控制7.4直接轉矩控制如前所述，電壓矢量的積分是磁通矢量，一個由電壓空間矢量運動所形成的正六邊形軌跡也可以看作是異步電動機定子磁鏈矢量端點的運動軌跡，如圖7-17所示。

圖7-17異步電動機定子磁鏈矢量與電壓空間矢量30整理版課件02四月20247.4.2磁通軌跡控制7.4直接轉03四月2024圖7-18逼近圓形時的磁鏈增量軌跡圖7-19兩個矢量線性組合后的電壓矢量us31整理版課件02四月2024圖7-18逼近圓形時的磁鏈增量軌跡圖03四月2024（7-26）（7-28）（7-27）32整理版課件02四月2024（7-26）（7-28）（7-27）3203四月20247.4.3直接轉矩控制系統(tǒng)