变频器原理培训教程珍藏版PPT课件

1、变频器原理培训教程 【经典珍藏版】 (一)概述: 1.定义：转换电能并能改变频率的电能转换装置。 2.交流调速技术发展的概况与趋势： 交流电机：结构简单，价低，动态响应好、维护方便，但调速困难。 直流电机：结构复杂、成本高、故障多、维护困难且工作量大；机械换向 器的换向能力限制了电动机的容量（单机容量12000kW14000kW）、电压 和速度（最高电压1000多伏、最高转速3000r/min）。接触式的电流传输又限 制了其使用场合；电枢在转子上，电动机的效率低，散热条件差。为改善换 向能力，减小电枢漏感，转子变得粗短惯性增大，影响系统的动态响应。 交流调速飞速技术发展的原因： 电力电子器件制

2、造技术；电力电子电路的变换技术；PWM技术，矢量控 制技术，直接转矩控制技术；微机和大规模集成电路基础的数字控制技术。 一.变频器的原理与组成 (二)发展趋势与动向: IGBT的应用，载波频率可达16KHz，抑制噪声和机械共震，电机电流在 低速时波形接近正弦，减少转矩脉动；电压驱动，简化了电路；网侧变流器 的PWM控制；矢量控制变频器技术的通用化，无速度传感器矢量控制系统 代表另一新技术动向。 无速度传感器矢量控制的速度观测模型，建模方法大体上有：动态速度 估计器；模型参考自适应方法、基于PI调节器法、自适应转速观测器法、转 子齿谐波法、滑模观测法等。 感应电机是一多变量，强耦合及时变参数系统

3、，围绕它有若干研究课题: 电机参数模型的离散化、电机参数的自测定、电机定子电流的控制、电 机参数的辩识、电机状态估计、系统稳定性分析。 l主控一体化 日本三菱公司将功率芯片和控制电路集成在一快芯片上的 DIPIPM（即双列直插式封装）的研制已经完成并推向市场。一种使逆变功率 和控制电路达到一体化，智能化和高性能化的HVIC（高耐压IC）SOC （System on Chip）的概念已被用户接受，首先满足了家电市场低成本、小 型化、高可靠性和易使用等的要求。因此叶以展望，随着功率做大，此产品 在市场上极具竞争力。 2小型化 用日本富士（FUJI）电机的三添胜先生的话说，变频器的小型 化就是向发热

4、挑战。这就是说变频器的小型化除了出自支撑部件的实装技术 和系统设计的大规模集成化，功率器件发热的改善和冷却技术的发展已成为 小型化的重要原因。ABB公司将小型变频器定型为CompACTM，他向全球 发布的全新概念是，小功率变频器应当象接触器、软起动器等电器元件一样 使用简单，安装方便，安全可靠。 3低电磁噪音化 今后的变频器都要求在抗干扰和抑制高次谐波方面符合 EMC国际标准,主要做法是在变频器输入侧加交流电抗器或有源功率因数校正 （Active Power Factor Correction APFC）电路，改善输入电流波形降低 电网谐波以及逆变桥采取电流过零的开关技术。而控制电源用的开关电

5、源将 推崇半谐振方式，这种开关控制方式在3050M时的噪声可降低1520dB。 4专用化通用变频器中出现专用型家族是近年来的事。其目的是更好 发挥变频器的独特功能并尽可能地方便用户。如用于起重机负载的ACC系列， 用于交流电梯的 Siemens MICO340系列和FUJI FRN5000G11UD系列，其 他还有用于恒压供水、机械主轴传动、电源再生、纺织、机车牵引等专用系 列。 5系统化 作为发展趋势，通用变频器从模拟式、数字式、智能化、多 功能向集中型发展。最近，日本安川提出了以变频器，伺服装置，控制器及 通讯装置为中心的”D 128-Bit Security Key/Lock; Up t

6、o 18 PWM Outputs; SCI, SPI,CAN, I2C,; 12-Bit ADC, 16 Channels,80-ns Conversion Rate 基于基于TMS320F28335TMS320F28335的电机控制系统的电机控制系统 TMS320F28335芯片简介 美国TI公司的TMS320C28x系列DSP中的TMS320F28335芯片，这是一款32位定点DSP 芯片，具有数字信号处理能力以及强大的事件管理能力和嵌入式控制功能，非常适 用于电机、马达伺服控制系统等。 C28x系列芯片主要性能有： 最高150MHz的系统主频，CPU核心电压1.8V/1.9V，I/O口电

7、压3.3V CPU是哈佛总线结构，支持16*16位与32*32位的乘且累加操作，16*16位的两个乘 且累加操作。 片内具有256K*16位的线性FLASH存储器，1K*16位的OTP型只读存储器。一共具有 34K*16位的单口随机存储器。 芯片内部有出厂固化好了的8K*16位的Boot Rom，其内部具有启动判定函数以及标 准的数学表。 芯片具有外部存储器接口，可扩展多大1MB的存储器，并且具有可编程的等待状态 数。 通过中断扩展模块支持96个外部中断，但芯片只用到了45个。 3个CPU定时器。 具有128位的密钥保护，可防止ROM，Flash，OTP中的程序被盗。 具有强大的内部外设，包括

8、2个事件管理器，2个串行通信接口，1个串行外围接口， 增强的CAN，多通道缓冲串行接口，12位的AD模块，最大的转换速率是12位.5MSPS （80nS）等。 12路PWM脉冲宽度调制功能，很方便实现对电机的控制。 转速测量 利用TMS320F2812的三路中断捕获CAPTURE功能， 对不同位置传感器送回的脉冲上升沿进行捕获。 再进入中断服务程序计算得到转子位置和转速。 需要时，还要对信号进行整形。 防止桥臂直通的措施： 在TMS320F2812的触发逆变器桥臂的成对信号中有加入触 发死区的功能，使桥臂直通的故障不会发生； 即桥臂的上、下二个功率器件的门极信号不能同时高， 而且一个变低后要延

9、时必要的时间才能使另外的门极信 号变高。 PWM1 PWM2 防止直通的方法 对PWM0,PWM1; PWM2,PWM3; PWM4,PWM5; 可以用死区寄存器进行死区设置，避免逆变桥发生直通，保证逆变器的正常工作。 缺相检测： 但缺相时，会出现电压的过零点，光藕原边无电流，副 边输出电平的变化，由DSP的对波形边沿进行中断检测 得到发生缺相的信息。 过流、过压的检测过流、过压的检测 二种方法： 1.软件方法： 利用DSP的12位A/D采样，随时将电压、电流采样，在软件里面做比较，超过 阈值，则停机并发出故障报警信号。 2.硬件方法： 利用比较器对传感器检测的电压、电流值与保护值进行比较，超

10、过保护值则自 动停机和报警。 二、PWM技术 1、定义：利用半导体器件的开通和关断，把直流电压变成一定形 状的电压脉冲序列，以实现变频、变压及控制和消除谐波为目标的一 门技术。 2、数学分析： f(t) t 2 2 1 2 2 1 2 2 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 )( )( )( )sincos()( t t t t t t n tdtfb tdtfa tdtfa tnbtnaatf n n nn (1) 图(九) 脉冲波形图 f(t)为奇函数，由付立叶级数的性质:f(t)=-f(t),则a0=a0=0 2 0 00 2 2 2 1 sin)(sin)(ttdntfttdntf

11、b t t n 设f(t)幅度为1，则 2 0 1 1 )( t t tf (2) 在方波的半波内斩为m个脉冲，斩角分别为 m21 则对于奇数n和奇数m有 : m k k n k m n n n nnn ttdnttdnttdnb 1 1 22 2 cos) 1( coscoscos sinsinsin 2 21 2 4 3 2 1 (3) 对于奇数n和偶数m 有: m k k n k m m n n n nnn ttdnttdnttdnb 1 1 22 2 cos) 1( coscoscos sinsinsin 2 21 1 4 3 2 1 (4) 于是，由(3)和(4)式对于奇数n和任意的

12、m均有: 2 1 1 210: cos)1( m kn m k k nb 式中 (5) 对于奇函数，偶次谐波为零，仅有奇次谐波，即： tntf n n sin)( 1 2 7 . 5 . 3 . 1n 各次谐波的幅值为: 5 2 3 2 2 5 3 1 F F F 则相隔和与设, 6 321 tntf n n sincos)( 6 1 2 (6) 各次谐波的幅值为: 5 3 3 5 03 1 F F F 讨论：(1)利用PWM技术可控制逆变器的输出波形，使谐波 含量减少。 (2)谐波的减少是以减少基波幅度为代价。 3、SPWM (1)自然采样法 (2)规则采样法 电抗器,制动电阻 http:/

13、 图(十) 三相SPWM变频 器输出波形 三、异步电机变频调速控制策略 变频器控制的对象是电机，首先研究电机等效图 (一)等效图: 1、转子电势: 转子电势的频率为f2 ，转子旋转后，由于转子导 体与磁场之间的相对运动速度减小，转子感应电势的频率也随之减 小，此时: f2=f1S (1) 转子不动时，一相的电势为: E2=4.44f1w2 kw2 (2) 式中: W2-转子一相绕组匝数 KW2-转子绕组系数 转子旋转后一相的电势为: E2 S =4.44f2W2Kw2 =4.44f1SW2KW2 =E2S (3) 2、转子电势平衡方程: 当转子无外加电阻，自成短路时，其一相等值电路如图: =

14、(R2+ X2S) (4) 式中: R2- 转子一相电阻值 X2S-转子旋转后一相的漏抗 X2S= 其中: X2-转子不动时一相的漏抗 X2=L2 L2-转子旋转后一相的漏电感 图(1) 转子等值电路图 S2E 2I RX 22 2I j SE2 SXLSfLf2212222 且: E1=4.44f1W1KW1 由于E1I1ZI,于是: . 3、定子电势平衡方程: 式中: Z1=R1+I1X1 U1定子相电压 E1定子一相绕组的感应电势 I1定子相电流 R1定子一相绕组的电阻 X1定子一相绕组的漏抗 X1=L1 R1 x1 图(2) 定子等值电路图 1U 1I 1E 1E 1U 1I=- +

15、Z1 (5) 11EU 或者 U1 E1=4.44f1W1KW1 (4)折合算法: 即 (6) 22 2 R) S S1 (R S R R2 X2 2E 2I 2 S )S1( R 图(3) 转子电路值图 (7) )( 2 22 2Ss jXRIE )( 22 22SjXRISE )( 2 2 22jX S R IE 等式两端除以S 又 222222) 1 ()(R S S IjXRIE 2 S )S1( R 上消耗的电功率代表旋转电机转子轴上输出的机械功率. 折合关系: 2W22 1W11 1 1 2 2 KWm KWm K: K I I : 电流变比式中 电流 2W2 1W1 e e22

16、KW KW K: KEE: 电势变比式中 电势 (8) (9) m1,m2分别为定子相数和转子相数 电阻: (10) 式中:K=Ke K1 KRR2 22KXX:电抗 (11) 折算后(6)式为: (12) (7)式为: (13) 2E 2I 2 R 2 I 2R S S1 图(4) 异步电机折算后转子 一相等值电路图 (5)等值电路: 实用上，为简化问题，常用 一个和异步电机等效，数值 上相等的电路表示异步电机, 称为等值电路。 于是: )Xj S R (IE2 2 22 222222R) S S1 (I)XjR(IE 1-S S R1X1 10 UIXm 1-S S R1X1 10 UIX

17、m 1-S S R1X1 10 UIXm 或 R1X1 10 UIXm 1-S S R1X1 10 UIXm 或 R1X1 10 UIXm -E 1 1-S S R1X1 10 UIXm 或 R1X1 10 UIXm -E1 1-S S R1X1 10 UIXm 或 R1X1 10 UIXm -E2 1-S S R1X1 10 UIXm 或 R1X1 10 UIXm 2 E 1-S S R1X1 10 UIXm 或 R1X1 10 UIXm -E1 图(5) 异步电机等值电路图 2 R 2 R 2 X 2I 1I Xm= Lm Lm励磁电感 (二)机械特性: 假设：忽略铁心磁饱 和，忽略铁损，

18、忽略空 间和时间谐波。由异步 电机等值电路图 2 R 1I 2I 2 X S (二)机械特性: )( )( )()( 1 1 2 222 2 2 21 2 2 1 2 2 E LR L S R E I (14) 式中: 122 1 S 转子角频率 定子角频率 由于：Pm= T 1 S R I3 n p nP T 2 2 2 1 p m 1 p 1 m (15) (16) ) f E ( )L(R 2 1 1 1 2 22 2 2 2 2 21 2 21 2 1 1 2 1 1 2 2 2 2 2 2 2 2 )( )(3)( )(1 4 3 :)15()14( 2 LSR RSE n f E

19、R L R n Tp p 式式代入 式中: np极对数； -同步角速度， (16)式为异步电机的机械特性方程式。 讨论: 1 T nS 0 n 0 U U U 0.7 0.5 1N 1N 1N A B C Sm T nS 0 n 0 U U U 0.7 0.5 1N 1N 1N A B C m (1)当S一定时，T与U1平方成正比.由(16)式可画出不同电压的机 械特性曲线: 对(16)式求导：dT/dS =0 得临界转差率: (17) 临界转矩为: 图(6) 异步电机不同电压下的机械特性 S 21 2 m L R S 2 1 1 22 2 p max) f E ( L2 1 R4 n3 T

20、P n 1 T n A B C (2)带恒转矩负载时，普通笼型电机变电压时的稳定工作点为A、B、C 转差率的变化范围不超过0-Sm ，调速范围小。 (3)为了能在恒转矩负载下扩大变电压调速范围，应增大转子电阻，这 就要求电机转子绕组有较高的电阻值，此时电机机械特性曲线如图示，由 图可见恒转矩负载下调速范围扩大了，而且堵转时也不会烧坏电机，但机 械特性很软，一般采用闭环工作，这种电机叫力矩电机。 (三)电压频率协调控制下的机械特性: 由(16)式表明，电机带负载稳定运 行时，对于同一种负载要求，即以一 定的转速(或转差率)，在一定的负载转 矩下运行，电压U1与频率f1有多种配合, 图(7) 力矩

21、电机机械特性曲线 电抗器,制动电阻 http:/ 电压U1与频率f1的不同配合，机械特性也不相同,因此有不同的电压频率 协调控制. 1.恒压频比控制(U1/f1=常数): 为充分利用铁心,近似地保持 为常数,发挥电机产生转矩的能力，由: U1 E1=4.44f1w1kw1 U1/f1=4.44w1kw1 1.恒压频比控制(U1/f1=常数): m m m min)/ r (S n2 60 snn min)/ r ( n2 60 n 1 p p 1 0 0 带负载时的速降 由(16)式: 当S极小时,忽略分母中的含S各项得: (18) 结论: （1）当U1/ 恒值时，对于同一转矩， 基本不变，即

22、在U1/ =恒值时，机械特性是一族平行曲线。 21 S 1 1 2 1 1 2 )(3 1 U n RT S p 2 1 2 2 1 2 2 2 22 2 1 1 2 2 2 2 2 2 2 )( 3 )( )()(1 3 )( )(1 4 3 1 1 1 1 12 E R Sn E R L S S R n f E R L R n T p pp n T 1 1 2 2 3 3 4 4 图(8) 恒压频比控制时变 频调速机械特性 由图可见：当转矩增大到最大值以 后再降低，特性曲线又折回来.频率越低 时最大转矩越小，对于T表达式有： 当U1/ =恒值时，T随 的降低而减小，当很低，T太小, 调速系

23、统带载能力差，采用补偿定子的压降，可提升转矩. (19) 2 1 1 2 2 1 2 2 2 22 )( 3 )( )()(1 3 1 1 1 1 E R SnE R L S S R n T pp 1 1 1 2.恒功率控制: 若保持 正比于1/f1，即Tf1=1则电磁功率为:TC f E 1 2 1 则 C n f60 TTfP p 1 1 m 随f1的升高,转矩特性曲线变软，Tmax也随f1的提高而减小， 由于受定子电压地限制，通常保持U1=U1N近似恒功率运行方式. 3.恒Er/ 控制: 若把电压/频率协调控制中的电压U1相对地再提高一点，把 转子漏抗上的压降也抵消掉,就得到恒Er/ 控

24、制，其机械特性 如下: 1 1 n T a b 图(10) 不同电压频率 协调控制下的机械特性 a-Er/ bU1/ R1X1 10 UIXm -E 1 Er R S 2 图(9) 异步电机稳态等效电路和 感应电动势 2 X 2I 1I Er转子全磁通感应电动势. 由图可见: : S/R E I 2 r 2带入转矩公式 (20) 1 1 2 2 2 2 2 2 1 1 1 )(3 )/( 3 R SE n S R SR En T r p rp 不作任何近似就得出,机械特性T=f(s)完全是一条直线，这与直流电机 特性相同. 又 (21) 保持 =C,则T与 成线性关系，这种关系不因定子频率的改

25、变而改 变，与f1无关。 采用U1/f1=C控制的变频器属于第一代产品，大多采用16位CPU，是 恒气隙磁通控制方式，即用若干条曲线来协调U1与f1的关系。机械特性基 本平行下移，机械硬度尚可，能满足一般调速要求，但低速转矩差，须补 偿。恒压频比控制变频器是一种转速，开环的控制系统动、静态要求不高 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 1 2 2 2 2 1 3 )(3: : R n S R I n T R I S R IE pp r 则 因此 的生产机械经常使用。 (1)利用人为选定V/f曲线的模式，很难根据负载转矩变化恰当地调整电机 矩转，负载冲击或起动过快，有时会引起过流跳闸。所以根据

26、定子电流调节 变频器电压的方法，并不反映负载矩转，因此，定子电压也不能根据负载转 矩变化恰当地改变电磁矩转，特别在低速下，定子电压的设定值相对较小， 采用人为选定V/f曲线或自动补偿，实现准确的补偿是困难的。由于定子电阻 的压降随负载改变，当负载较重时，可能补偿不足；负载较轻时可能产生过 补偿，磁路饱和. (2)采用V/f控制方式，无法准确的控制电机实际转速。电机的转速，不全 取决于定子频率，而由转差率(负载)决定。因此V/f控制方式静态稳定度不高。 （3）转速极低的时转矩不够. （4）这类变频器采用硬件中断过流跳闸，当保护电路的时间常数选择不当 时，保护电路的可靠性令人怀疑。事实上时间常数选

27、择颇费脑筋, 大保护灵 敏度不够; 小抗干扰能力差，不得不折衷考虑。 (三)转速闭环,转差频率控制: 1.转差频率控制的基本概念: 图中提供了一组U/f曲线，可以适应低 频时不同负载对U/f曲线的不同要求。 曲线0称为基本U/f曲线，它不含定子 压降补偿。 曲线15为低频段不同程度地提高定 子电压的U/f曲线，称为“电压补偿”， 也称为“转矩补偿”或“转矩提升”。 适用于恒转矩负载。 图(11) 不同负载对U/f曲线 曲线0102为低频段不同程度地减少定子电压的U/f曲线，称为“负补偿”。 适用于风机、泵类负载。 设定U/f曲线的原则是：以最低工作频率时能带动负载为前提，尽量减少补 偿程度，以

28、免“补偿过分”，导致磁路饱和而跳闸。 4、高功能型U/f控制 采用这种控制方式，可以 使极低速度下的转矩过载能 力达到或超过150%，频率设 定范围达到1：30，静态机械 特性硬度高，具有挖土机特 性和“无跳闸”能力。 图(12) 高功能型U/f控制框图 (三)转速闭环,转差频率控制: 1.转差频率控制的基本概念: 转速开环变频器系统可满足一般平滑调速的要求，但动、静 态性能有限。要提高动、静态性能，首先用转速反馈的闭环控制。 任何一个机电传动系统有： dt d n J TT p L (22) 转矩的控制部分包括有功、无功电流检测器、磁通补偿器、 转差补偿器 和电流限制控制器。后三者的作用是根

29、据电动机定 子电流的有功分量It和无功分量Iw去计算变频器的频率和电压参 考值，即图中的 ，以保证转子磁场的恒定，并在负载出 现冲击的情况下，适当地补偿 ，防止过流跳闸。 11 fU 和 2 由(22)式可知：提高系统的动、静态性能，主要控制转速的 变化率 ，显然控制转矩就能控制 。 直流控制与电流成正比，控制电流就能控制转矩。交流调速 中，需控制的是电压(电流)和频率，如何通过控制电压(电流)和 频率来控制转矩？交流异步电机中，影响转矩的因素较多，转 矩表达式为: dt d dt d 1W1pm 2 2mm KWn 2 3 C: cosICT 式中 (23) 由(14)式: 2 2 2 2

30、1 2 2 2 2 2 )()( )()( 1 1 1 LSR SE L S R E I 2 22 2 2 2 2 2 2 2 )( )()( 1 2 1 LSR R L S R S R COS (24) 考虑到电机结构参数Cm与其他各量的关系，对比(24)式与(16) 式: (16) 2 2 2 2 2 2 11 1111 1111 2 2 2 2 2 )(2 1 : 2 1 2 44. 4 44. 4 )( : 1 1 11 1 1 LSR RS kWCT kWkW kwfE LSR RSE CT m wm mwmw mw mm 于是 又 代入转矩表达式 2 2 2 2 2 2 1 )()

31、( )(3 1 1 1 LSR RSE nTp 当电机稳态运行时，S很小，因而 也很小，一般为 的 2%5%，因此近似认为： 则得到： 21 2 2 2 m m R KT (25) 上式说明：在S很小的范围内, 只要维持 不变, T就近似与 成正比(负载转矩增大，则 增大，输出转矩增大)。这与直流 电机一样，达到间接控制转矩的目的，控制 就代表控制转矩. 2.转差频率控制的规律: 上面只是找到转矩与转差频率近似正比的关系，可以表明转 m2 2 (26) 2.转差频率控制的规律: 2 222 RL 11 2 2 2 2 2 2 1 : )( : 2 2 2 Wmm mm KWCK LR R KT

32、 式中 则 差频率控制的基本概念，现推导具体的控制规律: (1).控制规律1 -控制转差频率代表控制转矩 由图(13)：当 较小时，T 与 Tmax Tm max T mmax 图(13) 恒定控制时T=f( )曲线2m 成正比：当 = 时，T=Tmax ，取dT/dS=0 则 因此，转差频率控制的系统 中，只要给 限幅，使其限 幅值为: (27) 2 2 m m max L2 K T 2 2 max L R 2 2 maxm L R 2 2 2 2 2 就可以保持T与 的关系，也就可以用转差频率控制来代表转 矩控制。 （2）控制规律2-保持 恒定 忽略铁心磁饱和，铁损时 与I0成正比 m R

33、 1L L L U I I E S 1 1 1 m 2 2 0 I 1 2 R 图(14) 异步电机等值电路图 m 021III (28) m1 1 0 2 1 2 1 2 Lj E I Lj S R E I 2 代入(28)式: 取等式两端相量的幅值 (29) 2 1 2 22 0 2 2 2 2 0 2 2 2 2 1 2 1 2 1 )( )( )( )( 1 1 1 1 1 11 1 1 1 LjR LLjR I Lj S R LLj S R I Lj S R Lj LLj S R E Lj Lj S R EI m m m m m 2 2 2 2 2 2 2 2 012 1 2 1 )

34、( LR LLR II m I1 I0 2 0 2 2m I L LL 图(15) 保持 恒定时 函数曲线 m)(fI 21 讨论：当 不变(I0不变)，I1与 函数关系如图(15) m2 (1)当 =0时，I1=I0，在理 想空载时定子电流等于励磁电 流。 (2)若 增大，(29)式中分 子中含 项的系数大于分母 中含 项的系数,因此I1增大. (3)当 时 0 2 2 m 2I L LL )inf(L (4) 为正、负值时，I1对应不变，曲线轴对称。按(29)式 的关系控制定子电流就能保持 恒定。 m 2 2 2 2 2 2 2 优点与不足: (1)频率控制环节输入转差信号，而频率信号是由

35、转差信号与 实际转速信号相加后得到的，因此在转速变化过程中，实际频 率 随实际转速 同步地上升或下降，与转速开环系统频率的 给定信号与电压成正比的情况相比，加、减速更平滑，且容易 稳定. (2)由于在动态过程中转速调节器饱和，系统能以对应于 的限幅转矩Tm进行控制，保证了允许条件下快速性。因此，转 差频率闭环系统具备了直流电机双闭环控制系统的优点，是一 比较优越的控制策略，结构也不复杂，有广泛的应用价值，但 是：如果认真考查其静、动态性能就会发现，基本型转差频率 控制系统还不能达到直流双闭环的水平，其原因是: 优点与不足: m r 1 )(fI21 （1）分析转差频率控制规律时，是从电机稳态等

36、效电路和转 矩公式出发的。 只在稳态时成立，动态过程中 的 变化未研究，但肯定不恒定， 势必影响动态性能。 （2）电流调节器只控制电流的幅值，并未控制电流的相位， 而在动态过程中电流的相位若不及时赶上去，将延缓转矩的 变化. （3） 是非线性的，无论采用何种方式产生，都是近似 的，存在一定误差。 （4）在频率控制环节中 ，使实际频率 随实际转 速 上升或下降，这本是转差频率控制的优点，但是若测速 信号不准确和有干扰，也会造成误差. mC m r r 21 1 （四）电压空间矢量控制：(磁链跟踪控制） U U U U AO BO CO A B C 图（16）电压空间矢量 按照电压所加绕组的空间位

37、置来定 义，如图（16）A,B,C分别表示在空间 静止不动的电机定子三相绕组的轴线， 三相定子相电压UAO,UBO,UCO分别加在 三相绕组上，可定义三个电压空间矢量 uAO,uBO和uCO,，它们的方向始終在各相 的轴线上，而大小随时间按正弦规律作 脉动方式，相位互差120度。三相电压 空间矢量相加的合成矢量u1是一个旋转的，空间矢量，它的幅 值不变，是每相电压值的3/2倍；当频率不变时，它以电源角 频 率 为电气角速度作同步旋转。 1 1 COBOAO1 uuuu 同理，可定义电流和磁链的空间矢量I和 。 1111 dt d IRu 111 ,I ,u分别为三相电压，电流，磁链的合成空间矢

38、量。 当转速不是很低时，定子电阻压降较小，可忽略不计，则： dtu dt d u 11 11 （30） （31） （32） （33） 式（32）表明，u1的大小等于 的变化率，而方向则与 的运动方向一致。 1 1 u u u 1 1 1 1 1 图（17）旋转磁场与电压 空间矢量运动轨迹的关系 tj m1 1 e )2t( j m1 tj m1 tj m1 111 eej)e( dt d u （34） 由（34）式可知，当磁链幅值 一 定时，u1的大小与 成正比，方向为磁 链圆形轨迹的切线方向。如图（17） m 1 这样，电机旋转磁场的形状问题就可 转化为电压空间矢量运动轨迹的形状 问题。 A

39、 B C V1 V2 V3 V4 V5 V6 U/2 U/2 M 上桥臂器件导通用“1”表示，下桥 臂器件导通用“0”表示。 图（18）逆变器原理图 8种工作状态100，110，010，011，001，101与111，000。 u u u u u u 1 2 3 4 5 6 0 1 2 1 图（17）电机空间矢 量与磁链矢量的关系 电压空间矢量依次为u1,u2u6 1 tu 一个周期中只有6次开关切换，只 产生正六边形旋转磁场，而不是圆形 旋转磁场。利用电压空间矢量的线性 组合，以获得更多的与u1.u8相位不 同的电压空间矢量，最终构成一组等 幅不同相位的电压空间矢量，从而形 成尽量逼近圆形的

40、磁场。这样，在一 个周期内逆变器的开关次数就要超过6次，其输出电压将不再是 6拍阶梯波，而是一系列等幅不等宽的脉冲波。 图（19）电压空间矢量线性组合 设在u1状态终了后，期望在TZ 时间内（ 电角度表示），其作 用的是ur1，其相位与u1、u2不同， 但幅值相等。 z q u u u u u 1 2 r1 1 2 Z 2 T t Z 1 T t 60 z q 电抗器,制动电阻 http:/ 四.异步电机的多变量数学模型和坐标变换 (一)概述: 现代自动控制普遍要求动作灵活、行动快速、定位准确、对传动和伺服系统有很高 的要求。 V/f=C只控制磁通，不控制电机转矩。 转差频率控制：可在一定程度

41、上控制电机转矩，但是转差频率控制是由电机静态方 程上导出的，电机动态性能较差。考虑到动态快速变化的过程中，电机除稳态电流外，还 有相当大的瞬态电流，产生的电机转矩和稳态转矩有很大的不同。因此良好的动态转矩， 有效地控制电机动态转矩是关键。 1、与直流电机类比: (1)直流电机：磁通由励磁绕组产生，可以事先建立而不参与系统的动态过程，因 此动态数学模型只有一个输入变量电枢电压和一个输出变量转速。 在控制对象中含有机电时间常数 和电枢时间常数 ，若 把SCR整流装置算进去，则还有SCR滞后时间常数 ，在工程 能够允许的假设条件下，可以描述成单变量(单输入、单输出)三 阶线性系统，完全可以用经典的线

42、性控制理论和由它发展出来 的工程设计方法进行分析和设计。 e s 机械结构上，电刷在磁极的几何中线上， 励磁绕组产生主 磁通 与电机电流产生的电枢反应电动势 ，在空间正交，即 不互相影响,可单独调节. Fe Fe ariCT 转矩表达式: (2)交流电机:. 异步电机变频调速要进行V/f的协调控制，有电压和频率二种 独立变量，若考虑电压是三相，实际输入变量的数目有四个独立 变量。输出变量中，除转速外，磁通也要算一独立变量。因电机 外部加三相电压，磁通的建立和转速的变化是同时进行的，但 为了获得良好的动态性能，还希望对磁通施加某种控制，是它在 动态过程中尽量保持恒定。因此异步电机是一多变量(多输

43、入多 输出)系统，而电压(电流)磁通，转速之间互相影响，所以又是强 耦合的多变量系统。 异步电机中，磁通乘电流产生转矩，转速乘磁通得感应电 动势，由于它们是同时变化的，在数学模型上含有二个变量的 乘积项，即使不考虑磁饱和的影响等因素，数学模型也是非线 性。 三相异步电机的定子有三相绕组，转子也可等效为三个绕组, 每个绕组产生磁通时都有自己的电磁惯性，再加上系统机电惯性， 即使不考虑变频装置的滞后因素，至少也是一个七阶系统。 异步电机数学模型是一高阶、非线性、强耦合的多变量系统。 转矩表达式: (23) 2 2mmcosICT (2)异步电机矢量图: 图(1)异步电机矢量图 2I T1I 2 2

44、 2 T M m 2I 1I 22 RI 2E 2 2 M1I T1I 2 e2 I1T产生转矩的有功分量 I1M-产生磁通的激磁分量 由电压三角形 同样，转子绕组总磁链 e2m2 2 2cosI T是气隙磁通 和转子电流的有功分量 相互作用而产生的，即使 保持恒定电 机转矩不但与 的大小有关，而且还取决 于转子电流的功率因数 。电机的气 隙磁通 是由I1和I2共同产生，随着负载 的变化 也要改变，因而在动态过程中， 要准确控制异步电机转矩是困难的。 m 2 I 2 cos m m m 2222 2XI jRIE 2 2XIj 2m2 cos 代入(23)式: 22 m 2 2mmICcosI

45、CT 如前所述，设法保持 恒定，则电机的转矩就和转子电流 I2成正比。并且，经过某种变换，使T轴与-I2方向重合，M轴分 量 用来产生转子磁链 的磁化电流；而T轴分量与I2成正比, 代表了电机转矩。如果在电机调速过程中，维持定子电流的磁 化分量 不变，而控制转矩分量 ，就相当于直流电机中维 持励磁不变，而通过控制电电枢电流来控制转矩一样，使系统 具有较好的动态性能。 2 2 在形式上与直流电机转矩表达式相似. M I1 M I1 1T I (二)异步电机动态数学模型: 1、异步电机的基本方程: 交流异步电机的特性在电机学内业经详细分析，但主要讨 论电源电压和电流正弦稳态特性。现代交流调速系统中

46、，提供 给电机的电源电压和电流是非正弦的，含有大量的谐波，谐波 的作用在电机学内未研究。并且调速过程是一暂态过程，由于 瞬态的存在，其动态特性与静态特性有较大的差别，因此从异 步电机的基本微分方程出发进行研究。 a.电压方程: (1)异步电机在静止时A、B、C坐标系中的数学模型: 假定电机的气隙是均匀的、忽略磁滞、饱和及涡流的影响 a b c A B C 定子、转子和磁链的方向如图，电流， 电压的正方向符合右螺旋法则。对电机一相 而言，有: 微分算子 外加电压式中 dt d p u: pRiu A A1AA 图(2)定子,转子坐标系 0 0 0 0 0 R u u u u u u 1 c b

47、a C B A 0 0 0 0 R 0 1 0 0 0 R 0 0 1 0 0 R 0 0 0 2 0 R 0 0 0 0 2 c b a C B A c b a C B A 2 i i i i i i R 0 0 0 0 0 (1) a.电压方程: P 式中: .,.转子各相绕组的总磁链分别为交链定子 cbaCBA b.磁链方程: 各绕组磁链是所有电流的线性函数。交链与某相的总磁链 等于流过本绕组的电流产生的磁链与流过其他绕组的电流因 互感作用产生的磁链，交链于本绕组的磁链之和。 cAcbAbaAaCACBABAAAA iMiMiMiMiMiL cB bB aB CB BB AB M M M

48、 M L M cC bC aC CC BC AC M M M L M M ca ba aa Ca Ba Aa M M L M M M cb bb ab Cb Bb Ab M L M M M M c b a C B A cc bc ac Cc Bc Ac i i i i i i L M M M M M cA bA aA CA BA AA c b a C B A M M M M M L (2) (a)自感: 当对称三相绕组接到对称三相电源时，即在气隙内建立一种 以同步转速n0旋转的磁场，该磁场的磁通称为主磁通，主磁通 的作用是实现机电能量转换和传递，交链于磁通。此外还在绕 组端部，定子槽内建立磁场

49、，这种磁场的磁通只与绕组本身交 链，称为漏磁通。 (a)自感: 主磁通对应于定子，转子间的互感作用，与之对应的电感是 Lm，漏磁通对应的电感为漏感 、 1 L 2 L 定子绕组的自感: LAA=Lm+ 考虑定子绕组是对称的，则 定子各绕组的自感是相等的，即: 1 L 1mCCBBAA LLLLL 同理，可推出转子各绕组的自感也是相等的，即: 2mbbaa LLLLL cc 由电感定义: 出发，当设定子、转子的匝数相等且为W, 定子，转子的磁导率为 ，则: i L 2 A A A m W i )Wi (W i L (3) (4) (5) 定子中的磁场iAW 转子中的感应磁通WiA A 经过分析,

50、可以得出这样的结论,定子，转子的自感LAA、LBB、 LCC、Laa,、Lbb、Lcc都是常数。 (b)定子绕组间互感： 定子绕组间的互感是MAB、MAC、MBA、MBC、MCA、MCB，定子绕 组间因互感而交链A相绕组的磁通为两部分，一是气隙主磁通产 生的互感作用：另外，漏磁通产生的互感作用。且： MAB=MAC=MBA=MBC=MCA=MCB 现以A相定子绕组为例求B相对A相的互感MAB (6) (7) m B B B AB AB LW i COSWi i M 2 1 2 1 3 2 2 2 设B相的漏磁通交链于A相的磁链为 ，考虑到A相轴线 与B相轴线相差 ，故对应漏磁通互感与A相磁通方

51、向相反， 漏磁通引起的互感为 。定子绕组间的互感作用W为二者 之和，即: AB 120 AB M ABmCBCABCBAACAB ML 2 1 MMMMMM 可见：定子绕组间的互感也是常数。 (c)转子绕组间的互感: 用分析定子绕组间的互感的方法得: abmcbcabcbaacab ML 2 1 MMMMMM 可见：转子绕组间的互感也是常数. (8) (9) (C)转子绕组间的互感: (d)定子绕组和转子绕组间的互感: 定子绕组是静止的，转子绕组以 旋转，定子 A相轴线与转子 A相轴线 之间的夹角为 图(3)定子,转子矢量关系 r a b c A B C r q t r q 由图可见: 2 2

52、21 a a1 a Aa 12 i )Wi (W i W i M )120(COSM MMMMMM )120(COSM MMMMMM COSM MMMMMM 12 bCCbaBBacAAc 12 cCCccBBcbAAb 12 cCCcbBBbaAAa q q q (10) (11) (12) (13) (d)定子绕组和转子绕组间的互感: W12为 时定子A相绕组和转子a相绕组之间的感.W1、 W2为定子绕组和转子绕组匝数。 讨论: (1)异步电机旋转时，定子绕组轴线固定，转子绕组轴线与定 子绕组轴线之间的夹角 是周期变化的，即定子绕组和转 子绕组间的互感是时变的。 (2)物理意义：定子绕组间

53、的位置固定，转子是旋转的，当二 者轴线重合时，且方向一至时，交链的磁通最大，互感作用最 强；轴线方向相反时，呈去磁狀态；轴线互相垂直时无交链， 互感作用为零。 (3)矩阵可简化为方块阵: 0q t r q 21 11 M L cA bA aA CA BA AA 22 12 M M M M M L L M cB bB aB CB BB AB M M M M L M cC bC aC CC BC AC M M M L M M ca ba aa Ca Ba Aa M M L M M M cb bb ab Cb Bb Ab M L M M M M cc bc ac Cc Bc Ac L M M M M

54、 M 由上分析定子自感阵L11，转子自感阵L22为常阵；互感阵 M12,M21为时变阵。 CA BA AA 11 M M L L CB BB AB M L M 1m ABm2 1 ABm2 1 LL ML ML ABm2 1 1m ABm2 1 ML LL ML ABm2 1 ABm2 1 1m CC BC AC ML ML LL L M M (14) (1 5) ca ba aa 22 M M L L cb bb ab M L M )120cos( )120cos( cos LMM m T 2112 q q q 2m abm2 1 abm2 1 LL ML ML abm2 1 2m abm2

55、 1 ML LL ML abm2 1 abm2 1 2m cc bc ac ML ML LL L M M )120cos( cos )120cos( q q q q q q cos )120cos( )120cos( (16) (17) M12和M21两个方块阵互为转置，且与转子的位置有关， 它们的元素是变参数。 a、磁链方程： 式(2) 磁链方程可表达为简洁的形式: 21 11 r s M L r s 22 12 i i L M (18) 式中: b、电压方程 把磁链方程代入电压方程，得展开后的电压方程: (19) i d dL dt di LRii dt dL LRi)Li(R r q d

56、t di ipu T cbar T CBAs T r T s iiii iiii cba CBA 式中: c、运动方程: C.运动方程 (20) 式中: TL负载阻转矩 J机组的转动惯量 D与转速成正比的阻转矩阻尼系数 K扭转弹性转矩系数 .i dt dL )( dt di L t r r 速成正比的旋转电动势项为感应电动势中与转 变压器电动势的脉变电动势项为电磁感应电动势中 q q p r p r P L n K n D dt d n J TT 对于恒转矩负载，D=0、K=0则有： d、转矩方程: 按机电能量转换原理,可求出T的表达式: )120sin()iiiiii ( )120sin()

57、iiiiii (sin)iiiiii(LnT cCbBaA cCbBaAcCbBaAmp q qq (21) (22) 2、异步电机动态数学模型: E.异步电机数学模型: 将前述(20)式、(21)式归纳起来，便是恒转矩负载下的三相 异步电机多变量非线性数学模型 dt d n J TT r p L (23) 方程组中含有一系列随转子位置角 而变的互感系数，使 得求解该微分方程组变得相当困难。 q 3、坐标变换: (1)定义: 将一组变数用一组新的变数来代替，以使方程组得到简化的 方法，新的变数与原来的变数之间有线性关系。 设以ix, iy, iz代替iA, iB, ic,且: 2.坐标变换:

58、(1)定义: dt d dt d n J TT i d dL dt di LRiu r r p L r q q C B A ZC YC XC i i i ZA YA XA Z Y X CZCBZBAZAZ CyCByBAyAY CXCBXBAXAx i i i : iiii iiii iiii 写为矩阵 ZB YB XB (24) 矩阵为变换阵，为新旧变数建简单的对应。变换阵的逆阵必 存在，其条件是线性变换系数组成的行列式必须不等于零，即: 0 ZCZBZA YCYBYA XCXBXA (2).变换关系: 如何选择这些变换系数，可有各种方法，应视具体情况而定. 从物理角度讲，新旧变数之间有某种

59、内在的联系。就电机而言, 机电能量由电磁传递，因此坐标变换应保持恒定。如iA、iB、iC 代表绕组中的三相电流，它产生一定的磁场，新的变数iX、iY、 iZ代表另一多相(二相)绕组中的电流、也能产生同样的磁场。三 相情况下，相与相间有互感，列方程麻烦：二相系统中其绕组 轴线互相垂直，无互感，方程简单，通常为3-2变换。在3-2变 换时常取 , i0-为零序分量。 (2).变换关系: 0CBAz i)iii ( 3 1 i Park变换式: 或者: (25) Park变换式: )iii ( 3 1 i ) 3 2 sin(i) 3 2 sin(isini 3 2 i ) 3 2 cos(i) 3

60、 2 cos(icosi 3 2 i CBA0 CBAy CBAX q qq q qq 2 1 )120sin( )120cos( q q C B A i i i 2 1 )120sin( )120cos( q q 2 1 sin cos 3 2 0 q q i i i y x 讨论: a、变换式的物理意义是原来每相匝数 为W的A、B、C三相绕组用一个每相匝数为 2/3W，而在空间磁轴相差 的X、Y二相 绕组来代替。这个二相绕组的X轴线与三相 绕组A相轴线相差为 角，如图: 讨论: 90 q a b c x Y 图(4)3-2坐标变换 q b、在X轴上，iX产生的磁势3/2Wix应等于 A、B