异步电动机变频调速控制方式

1、2020/12/4,第7章 异步电动机变频调速控制方式,7.1 U/f控制,7.2 转差频率控制,7.3 矢量控制,7.4 直接转矩控制,2020/12/4,7.1 U/f控制,7.1.1 恒U/f控制,在进行电机调速时，常须考虑的一个重要因素是：希望保持电机中每极磁通量m为额定值不变。如果磁通太弱，不能充分利用电机的铁心，会造成浪费；而如果过分增大磁通，又会使铁心饱和，从而导致过大的励磁电流，严重时会因绕组过热而损坏电机。,2020/12/4,电机定子电动势平衡方程式：,（7-2）,（7-1）,定子每相电动势 ：,2020年12月4日星期五,为了保持磁通保持不变，在频率下调时，须使E1/f1

2、=常数，但由于E1是定子反电动势，无法直接进行检测和控制，而U1可以方便地检测和控制，因此，在额定频率以下调频，即f1f1n调频时，同时下调加在定子绕组上的电压，即U/f控制方式，如果使U1/f1=常数，称恒U/f控制。 若在额定频率以上调频时，U1就不能跟着上调了，因为电机定子绕组上的电压不允许超过额定电压，即必须保持U1=U1n不变，额定频率以上进行调频属弱磁调速。,2020年12月4日星期五,7.1.2 恒U/f控制方式下电机的机械特性,如调节f1使f1=f f1n , 同时相应调节U1，使U1= f U1n，则,设在额定频率f1n时，定、转子漏电抗为xn = x1n + x2n, 则有

3、,（7-3）,（7-4）,2020年12月4日星期五,图7-1 U1/f1 = 常数控制方式下的机械特性曲线,这族曲线具有如下两个特点： 1）在忽略r1情况下，机械特性曲线族之间近似平行。 2）当转速较高时，最大拖动转矩近似不变。 3）转速较低的情况下，Tm将明显下降。,2020年12月4日星期五,在恒U/f控制方式下，由于E1在U1中的比重随f1下降而减小，从而造成在低频低速时主磁通和电磁转矩Tm下降较多。Tm大幅减小，严重影响电机在低速时的带负载能力。为避免这种情况，可适当提高调压比ku(U1= kuU1n)，使调压比ku大于调频比kf ( f1=kf f1n )，即相对提高U1的值使得E

4、1的值增加，从而保证E1/f1=常数，最终使电动机的最大转矩得到补偿。由于这种方法是通过提高U1/f1比值使Tm得到补偿的，因此这种方法被称为电压补偿，也称转矩提升。,7.1.3 对额定频率f1n以下变频调速特性的修正,2020年12月4日星期五,图7-2 电压补偿后，额定频率以下电机机械特性曲线,2020年12月4日星期五,图7-3 变频器的U/f控制曲线,2020年12月4日星期五,图7-4 电压补偿后电机全频范围内机械特性曲线,2020年12月4日星期五,图7-5 典型的数字控制通用变频器-异步电动机调速系统原理图,2020年12月4日星期五,转速开环变频调速系统虽然可以满足平滑调速的要

5、求，但改变的是同步转速，调速精度比较低，系统静、动态性能都有限，要提高静、动态性能需要进行转速闭环控制。 转差频率控制是在闭环运算中力图维持磁通恒定来实现电磁转矩和转差频率近似线性，通过控制转差频率从而实现电磁转矩线性可控的一种闭环控制方法。,7.2 转差频率控制,7.2.1 转差频率控制的基本思想,2020年12月4日星期五,转速开环变频调速系统虽然可以满足平滑调速的要求，但改变的是同步转速，调速精度比较低，系统静、动态性能都有限，要提高静、动态性能需要进行转速闭环控制。 转差频率控制是在闭环运算中力图维持磁通恒定来实现电磁转矩和转差频率近似线性，通过控制转差频率从而实现电磁转矩线性可控的一

6、种闭环控制方法。,7.2 转差频率控制,7.2.1 转差频率控制的基本思想,2020年12月4日星期五,（7-7）,（7-6）,（7-8）,定义s=s1为转差角频率，则有,（7-9）,2020年12月4日星期五,（7-10）,基于上述推导，获得转差频率控制的基本思想是：只要在控制过程中，保证： 1) 限制转差角频率的最大值sm ； 2) 保持主磁通m恒定。 控制转差角频率s ，就能实现电磁转矩与转差频率成比例的近似线性控制。,（7-11）,2020年12月4日星期五,7.2.2 转差频率控制的转速闭环变频调速系统,图7-7 转差频率控制规律的转速闭环变压变频调速系统结构原理图,2020年12月

7、4日星期五,7.3.1 矢量控制简介,7.3 矢量控制,众所周知，直流电动机双闭环调速系统具有优良的动、静态调速特性，其根本原因在于作为控制对象的他励直流电动机的电磁转矩能够容易地进行控制。那么，作为变频调速的控制对象交流电动机是否可以模仿直流电动机转矩控制规律而加以实现呢？ 20世纪70年代初德国学者Blaschkle等人首先提出矢量控制变换实现了这种控制思想。矢量控制成功解决了交流电动机电磁转矩的有效控制，使异步电动机可以像他励直流电动机那样控制，从而实现交流电机高性能控制，故矢量控制又称解耦控制或矢量变换控制。它可以应用于异步电机和同步电机传动系统。,2020年12月4日星期五,图7-8

8、 他励直流电动机的物理模型,1. 与直流传动类比,2020年12月4日星期五,图7-9 等效的交流电动机绕组和直流电动机物理模型,1. 与直流传动类比,2020年12月4日星期五,图7-10 异步电动机坐标变换结构图,2. 矢量控制的概念,既然异步电机经过坐标变换可以等效成直流电机，那么模仿直流电机的控制策略，得到直流电机的控制量，经过相应的坐标反变换，就能够控制异步电机了。由于进行坐标变换的是电流(代表磁动势)的空间矢量，所以这样通过坐标变换实现的控制系统就叫作矢量控制系统(Vector Control System)，控制系统的原理结构如7-11所示。,2020年12月4日星期五,图7-1

9、1 矢量控制结构图,2020年12月4日星期五,图7-12 带转矩内环的转速、磁链闭环的电流滞环SPWM矢量控制系统,7.3.2 矢量控制系统,2020年12月4日星期五,7.4 直接转矩控制,经典的SPWM控制着眼于使变频器输出的电压接近正弦波，并未顾及输出电流的波形。实际交流电动机需要输入三相正弦电流，其最终目的是在电动机空间形成圆形的旋转磁场，从而产生恒定的电磁转矩。如果对准这一目标，把逆变器和交流电动机视为一体，按照跟踪圆形旋转磁场来控制逆变器的工作，其效果应该更好。这种控制方法称作“磁链跟踪控制”，由于磁链的轨迹是交替使用不同的电压空间矢量得到的，所以又称作“电压空间矢量PWM(Sp

10、ace Vector PWMSVPWM)控制。 直接转矩控制系统(DTC)是利用电压空间矢量PWM(SVPWM)通过磁链、转矩的直接控制、确定逆变器的开关状态来实现的。,2020年12月4日星期五,7.4.1 电压空间矢量,7.4 直接转矩控制,交流电动机绕组的电压、电流、磁链等物理量都是随时间变化的，分析时常用时间相量来表示，但如果考虑到它们所在绕组的空间位置，也可以如图7-13所示，定义为空间矢量uA0，uB0，uC0 。,图7-13 交流电机电压空间矢量,2020年12月4日星期五,（7-13）,上式表明，当磁链幅值一定时，定子电压的大小与1(或供电电压频率)成正比，其方向则与磁链矢量正

11、交，即磁链圆的切线方向， 如图7-14所示，当磁链矢量在空间旋转一周时，电压矢量也连续地按磁链圆的切线方向运动2弧度，其轨迹与磁链圆重合。这样，电动机旋转磁场的轨迹问题就可转化为电压空间矢量的运动轨迹问题。,（7-14）,（7-15）,（7-16）,（7-17）,（7-18）,2020年12月4日星期五,图7-14 旋转磁场与电压空间矢量 的运动轨迹,图7-15 三相逆变器-异步电动机 调速系统主电路的原理图,2020年12月4日星期五,（7-19）,（7-20）,（7-21）,（7-22）,三相输出电压,三相输出线电压,直流输入电流,2020年12月4日星期五,（7-23）,（7-24）,以U5(1，0，1)为例，由式(7-19)有压,代人式(7-13)，得,2020年12月4日星期五,图7-16 逆变器的电压矢量,2020年12月4日星期五,7.4.2 磁通轨迹控制,7.4 直接转矩控制,如前所述，电压矢量的积分是磁通矢量，一个由电压空间矢量运动所形成的正六边形轨迹也可以看作是异步电动机定子磁链矢量端点的运动轨迹，如图7-17所示。,图7-17 异步电动机定子磁链矢量 与电压空间矢量,2020年12月4日星期五,图7-18 逼近圆形时的磁链增量轨迹,图7-19 两个矢量线性组合后的电压