電力傳動與控制 課件 第三章 基于穩(wěn)態(tài)數(shù)學模型的異步電動機控制

第3章電力傳動與控制基于穩(wěn)態(tài)數(shù)學模型的異步電動機控制

基于穩(wěn)態(tài)數(shù)學模型的異步電動機控制異步電動機調速：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，并在此基礎上設計異步電動機調速系統(tǒng)。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。

內容提要異步電動機轉速控制方法及穩(wěn)態(tài)機械特性異步電動機PWM變壓恒頻(VVCF)控制系統(tǒng)異步電動機變壓變頻(VVVF)控制系統(tǒng)異步電動機變壓變頻(VVVF)的實現(xiàn)方式轉速開環(huán)/閉環(huán)變壓變頻控制系統(tǒng)異步電動機仿真

3.1.1異步電動機工作原理及結構異步電動機是由氣隙旋轉磁場與轉子繞組感應電流相互作用以產生電磁轉矩，從而實現(xiàn)機電能量轉換的一種機械裝置，其典型結構如圖所示。異步電動機的典型結構圖

3.1.2異步電動機轉速控制方法異步電動機的轉速表達式為:

3.1.2異步電動機轉速控制方法根據(jù)公式可知，要實現(xiàn)異步電動機轉速調節(jié)，有如下三種方法：

3.1.3異步電動機機械特性假定條件：1.忽略空間和時間諧波，2.忽略磁飽，3.忽略鐵損，4.不考慮頻率和溫度變化對繞組電阻的影響異步電動機穩(wěn)態(tài)等效電路

異步電動機等效電路式中轉子相電流（折合到定子側）

異步電動機等效電路簡化等效電路的相電流異步電動機簡化等效電路

異步電動機機械特性異步電動機傳遞的電磁功率機械同步角速度

異步電動機機械特性異步電動機的電磁轉矩（機械特性方程式）

異步電動機機械特性

異步電動機機械特性

異步電動機機械特性對s求導，并令最大轉矩，又稱臨界轉矩臨界轉差率：對應最大轉矩的轉差率

3.2異步電動機PWM變壓恒頻(VVCF)控制系統(tǒng)

3.2.1異步電動機PWM變壓恒頻控制的主電路異步電動機調壓的方式很多，主要分為相控式和斬控式兩大類。傳統(tǒng)的相控式半控型晶閘管電路結構簡單，可以采用電源換相方式，即使采用半控型器件也無須附加換相電路，但存在輸出電壓諧波含量大、網(wǎng)側功率因數(shù)低等缺點。因此，相控式SCR電路正逐漸被PWM-IGBT電路所取代。異步電動機三相PWM-IGBT交流調壓電路

3.2.1異步電動機PWM變壓恒頻控制的主電路

異步電動機三相PWM-IGBT輸出波形

3.2.2異步電動機變壓恒頻的機械特性變壓恒頻機械特性曲線

3.2.2異步電動機變壓恒頻的機械特性帶恒轉矩負載時，普通籠型異步電動機降壓調速時的穩(wěn)定工作范圍為調速范圍有限，圖中A、B、C為恒轉矩負載在不同電壓時的穩(wěn)定工作點。帶風機類負載運行，調速范圍可以稍大一些，圖中D、E、F為風機類負載在不同電壓時的穩(wěn)定工作點。

3.2.2異步電動機變壓恒頻的機械特性增加轉子電阻值，臨界轉差率加大，可以擴大恒轉矩負載下的調速范圍，這種高轉子電阻電動機又稱作交流力矩電動機。缺點是機械特性較軟。高轉子電阻異步電動機變壓恒頻機械特性曲線

3.2.3異步電動機變壓恒頻的功率損耗

3.2.3異步電動機變壓恒頻的功率損耗

3.3.1變壓變頻控制的基本思想異步電動機的實際轉速穩(wěn)態(tài)速降隨負載大小變化只要控制便可控制氣隙磁通

3.3.2基頻以下轉速控制異步電動機穩(wěn)態(tài)等效電路與感應電動勢為了使參考極性與電動狀態(tài)下的實際極性相吻合，感應電動勢采用電壓降的表示方法，由高電位指向低電位。

3.3.2基頻以下轉速控制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

當s很小時，忽略上式分母中含s各項，或

對于同一轉矩，轉速降落基本不變在恒壓頻比的條件下把頻率向下調節(jié)時，機械特性基本上是平行下移的。

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。

轉差功率與轉速無關，故稱作轉差功率不變型。

代入電磁轉矩關系式得：

3.3.3基頻以上轉速控制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

3.3.3基頻以上轉速控制臨界轉差當s很小時，忽略上式分母中含s各項或

3.3.3基頻以上轉速控制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。

3.3.3基頻以上轉速控制異步電動機變壓變頻轉速控制的機械特性曲線

3.4異步電動機變壓變頻(VVVF)的實現(xiàn)方式現(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?；舅枷胧强刂颇孀兤髦须娏﹄娮悠骷拈_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。脈沖寬度調制技術

3.4.1正弦PWM調制技術以頻率與期望的輸出電壓波相同的正弦波作為調制波，以頻率比期望波高得多的等腰三角波作為載波。由它們的交點確定逆變器開關器件的通斷時刻，從而獲得幅值相等、寬度按正弦規(guī)律變化的脈沖序列，這種調制方法稱作正弦波脈寬調制（SinusoidalpulseWidthModulation，簡稱SPWM）。

3.4.1正弦PWM調制技術

三相PWM逆變器單極性SPWM電路

3.4.1正弦PWM調制技術a)三相正弦調制波與雙極性三角載波b）、c）、d）三相電壓e）輸出線電壓f）電動機相電壓三相PWM逆變器雙極性SPWM波形

3.4.2電流滯環(huán)跟蹤PWM調制技術電流跟蹤PWM（CFPWM，CurrentFollowPWM）的控制方法是：在原來主回路的基礎上，采用電流閉環(huán)控制，使實際電流快速跟隨給定值。在穩(wěn)態(tài)時，盡可能使實際電流接近正弦波形，這就能比電壓控制的SPWM獲得更好的性能。

3.4.2電流滯環(huán)跟蹤PWM調制技術電流跟蹤控制的精度與滯環(huán)的寬度有關，同時還受到功率開關器件允許開關頻率的制約。當環(huán)寬選得較大時，開關頻率低，但電流波形失真較多，諧波分量高；如果環(huán)寬小，電流跟蹤性能好，但開關頻率卻增大了。實際使用中，應在器件開關頻率允許的前提下，盡可能選擇小的環(huán)寬。

3.4.3電壓空間矢量脈寬調制控制技術(SVPWM)把逆變器和交流電動機視為一體，以圓形旋轉磁場為目標來控制逆變器的工作，這種控制方法稱作“磁鏈跟蹤控制”，磁鏈軌跡的控制是通過交替使用不同的電壓空間矢量實現(xiàn)的，所以又稱“電壓空間矢量PWM（SVPWM，SpaceVectorPWM）控制”。

空間矢量的定義三相對稱正弦電壓的瞬時值可以表示為

空間矢量的定義將空間矢量表達式展開為實部和虛部可得

電壓空間矢量可以表示為

電壓與磁鏈空間矢量的關系合成空間矢量表示的定子電壓方程式忽略定子電阻壓降，定子合成電壓與合成磁鏈空間矢量的近似關系為或

電壓與磁鏈空間矢量的關系當電動機由三相平衡正弦電壓供電時，電動機定子磁鏈幅值恒定，其空間矢量以恒速旋轉，磁鏈矢量頂端的運動軌跡呈圓形（簡稱為磁鏈圓）。旋轉磁場與電壓空間的矢量軌跡電壓矢量圓軌跡

PWM逆變器基本電壓矢量旋轉磁場與電壓空間的矢量軌跡

上橋臂導通下橋臂導通

8個基本電壓矢量PWM逆變器共有8種工作狀態(tài)當

8個基本電壓矢量依此類推，可得8個基本空間矢量當

開關狀態(tài)與電壓對應關系00000000001000010011000010101001101110000000

基本電壓矢量圖電壓空間矢量圖

矢量角與扇區(qū)的關系扇區(qū)矢量角ⅠⅡⅢⅣⅤⅥ

扇區(qū)ⅠⅡⅢⅣⅤⅥ

N,A,B,C與扇區(qū)的關系序號ABCNⅠ1103Ⅱ1001Ⅲ1015Ⅳ0014Ⅴ0116Ⅵ0102

SVPWM矢量合成原理電壓空間矢量合成示意圖

SVPWM矢量合成原理作用時間滿足

由正弦定理可得

SVPWM矢量合成原理

零矢量作用時間為

SVPWM矢量合成原理兩個基本矢量作用時間之和應滿足當

輸出電壓矢量最大幅值

SVPWM矢量合成原理

當定子相電壓為三相平衡正弦電壓時，三相合成矢量幅值基波相電壓最大幅值基波線電壓最大幅值

SVPWM矢量合成原理SPWM的基波線電壓最大幅值為SVPWM方式的逆變器輸出線電壓基波最大值為直流側電壓，比SPWM逆變器輸出電壓最多提高了約15%。

SVPWM波形產生通常以開關損耗和諧波分量都較小為原則，來安排基本矢量和零矢量的作用順序，一般在減少開關次數(shù)的同時，盡量使PWM輸出波型對稱，以減少諧波分量。

開關切換順序0-4-6-7-7-6-4-00-2-6-7-7-6-2-00-2-3-7-7-3-2-00-1-3-7-7-3-1-00-1-5-7-7-5-1-00-4-5-7-7-5-4-0

開關切換順序及其對應的三相調制PWM波

SVPWM控制的定子磁鏈在每個小區(qū)間內，定子磁鏈矢量的增量為

Ｍ＝４時期望的定子磁鏈矢量軌跡

SVPWM控制的定子磁鏈

定子磁鏈矢量的增量為

7步完成的定子磁鏈定子磁鏈矢量運動的７步軌跡

SVPWM控制的定子磁鏈

定子磁鏈矢量軌跡Ｍ＝４時實際的定子磁鏈矢量軌跡

SVPWM控制的定子磁鏈

定子磁鏈矢量軌跡定子磁鏈矢量軌跡

SVPWM控制的特點8個基本輸出矢量，6個有效工作矢量和2個零矢量，在一個旋轉周期內，每個有效工作矢量只作用1次的方式，生成正6邊形的旋轉磁鏈，諧波分量大，導致轉矩脈動。用相鄰的2個有效工作矢量，合成任意的期望輸出電壓矢量，使磁鏈軌跡接近于圓。開關周期越小，旋轉磁場越接近于圓，但功率器件的開關頻率將提高。

SVPWM控制的特點用電壓空間矢量直接生成三相PWM波，計算簡便。與一般的SPWM相比較，SVPWM控制方式的輸出電壓最多可提高15%。

3.5轉速開環(huán)/閉環(huán)變壓變頻控制系統(tǒng)轉速開環(huán)變頻調速系統(tǒng)可以實現(xiàn)滿足平滑調速的要求，但靜、動態(tài)性能不夠理想。采用轉速閉環(huán)控制可以提高靜、動態(tài)性能，實現(xiàn)穩(wěn)態(tài)無靜差，但需要增加轉速傳感器、相應的檢測電路和測速軟件等。轉速閉環(huán)轉差頻率控制的變壓變頻調速是基于異步電動機穩(wěn)態(tài)模型的轉速閉環(huán)控制系統(tǒng)。

3.5.1轉速開環(huán)變壓變頻調速系統(tǒng)結構轉速開環(huán)變壓變頻調速系統(tǒng)

3.5.1轉速開環(huán)變壓變頻調速系統(tǒng)結構由于系統(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生平緩的升速或降速信號

3.5.1轉速開環(huán)變壓變頻調速系統(tǒng)結構電壓/頻率特性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。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。

3.5.2轉差頻率控制的基本概念及特點異步電動機恒氣隙磁通的電磁轉矩公式將

3.5.2轉差頻率控制的基本概念及特點代入電磁轉矩公式

，得電機結構常數(shù)

3.5.2轉差頻率控制的基本概念及特點定義轉差角頻率

電磁轉矩轉差率s較小，轉矩可近似表示

轉差頻率控制基本思想保持氣隙磁通不變，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基本思想。

轉差頻率控制基本思想臨界轉差

最大轉矩（臨界轉矩）

轉差頻率控制基本思想要保證系統(tǒng)穩(wěn)定運行，必須使

在轉差頻率控制系統(tǒng)中，系統(tǒng)允許的最大轉差頻率小于臨界轉差頻率

轉差頻率控制的基本規(guī)律用轉差頻率來控制轉矩，是轉差頻率控制的基本規(guī)律之一。恒氣隙磁通控制的機械特性

轉差頻率控制的基本思想如何保持氣隙磁通恒定，是轉差頻率控制系統(tǒng)要解決的第二個問題。保持氣隙磁通恒定，異步電動機定子電壓

必須采用定子電壓補償控制，以抵消定子電阻和漏抗的壓降。

轉差頻率控制的基本思想定子電壓補償應該是幅值和相位的補償，但控制系統(tǒng)復雜。忽略電流相量相位變化的影響，僅采用幅值補