第七章异步电机变频调速系统

1、电气传动及控制基础第第7 7章章 异步电机变频调速系统异步电机变频调速系统7.1 7.1 标量控制的变频调速系统标量控制的变频调速系统主要内容主要内容同步机械角速度同步机械角速度 总漏抗总漏抗 可以写成可以写成 2220/3(/ )sresrmU RsTRRsX22223/()()nsrerssssrpU RsTRRLLs/ssU02/nsnfpp()mssrXLL(7.1)7.1.1 7.1.1 电压频率协调控制的机械特性电压频率协调控制的机械特性 推导得推导得： 23()ssensrUsTpR060/2snnp图图7.1 7.1 恒压频比控制时变频调速的机械特性恒压频比控制时变频调速的机械

2、特性0602snnsnsp23(/)ersnssT RspU(7.3)结论结论：s s很小时，在恒压频比条件下改变频率时，很小时，在恒压频比条件下改变频率时，机械特性基本上是一族平行的直线。机械特性基本上是一族平行的直线。7.1.1 7.1.1 电压频率协调控制的机械特性电压频率协调控制的机械特性分析最大转矩分析最大转矩由式由式可以得到可以得到结论：结论：最大转矩最大转矩 是随着是随着 的降低而减小的。频率的降低而减小的。频率 很低时，很低时， 太小将限制调速系统的带负载能力。太小将限制调速系统的带负载能力。 222032()semssmUTRRX2222222331()22() ()()()

3、snnsemSsssssssrsrSSU ppUTRRRRLLLL 图图7.1 7.1 恒压频比控制时变频调速的机械特性恒压频比控制时变频调速的机械特性emTsemT(7.4)7.1.1 7.1.1 电压频率协调控制的机械特性电压频率协调控制的机械特性由右图等效电路可以看出由右图等效电路可以看出 22222222220333()()nsssrrrernrssrsrsrpEEsRRRTIpRssRsLLs23()ssensrEsTpR/ssE 代入电磁转矩的基本关系式得代入电磁转矩的基本关系式得当当s s很小时，则很小时，则图图7.2 7.2 异步电机的异步电机的T T型等效电路型等效电路22(

4、)()srrsrEIRLs(7.5)(7.5)7.1.1 7.1.1 电压频率协调控制的机械特性电压频率协调控制的机械特性s结论：结论：对于一定的对于一定的 电磁转矩与转差率成比例，亦即这一电磁转矩与转差率成比例，亦即这一段机械特性近似为一条直线。段机械特性近似为一条直线。分析式分析式( (7.5)7.5)23()ssensrEsTpR/ssE在恒在恒控制时控制时当当s s很小时，机械特性基本上是一族平行的直线很小时，机械特性基本上是一族平行的直线7.1.1 7.1.1 电压频率协调控制的机械特性电压频率协调控制的机械特性 对式对式( (7.4)7.4)求导数，并令导数为零，可得：求导数，并令

5、导数为零，可得：/ssE结论：恒结论：恒控制时，最大转矩是恒定的。控制时，最大转矩是恒定的。RmsrRsL231()2nse msrpETL(7.6)(7.6)(7.7)(7.7)7.1.1 7.1.1 电压频率协调控制的机械特性电压频率协调控制的机械特性 提高调速系统性能需采用闭环控制提高调速系统性能需采用闭环控制 提高系统动态性能需要控制转矩而异步电机转矩提高系统动态性能需要控制转矩而异步电机转矩23()ssensrEsTpR22223()sslrensrslrERTpRL当当 s s很小时很小时 转差频率控制的基本思想转差频率控制的基本思想？令令并定义为转差角频率，则式（并定义为转差角频

6、率，则式（7.47.4）可写为）可写为 slss7.1.2 7.1.2 转差频率控制变频调速系统转差频率控制变频调速系统 转差频率控制的条件：转差频率控制的条件： 恒恒 即为恒磁通，转差即为恒磁通，转差频率控制的条件之一为保持气频率控制的条件之一为保持气隙磁通隙磁通 恒定，可以通过控恒定，可以通过控制励磁电流恒定来实现。制励磁电流恒定来实现。smrIII22222()()rslrmsrslrmRLIIRLLm 图图7.4 7.4 异步电机的异步电机的T T型等效电路型等效电路图图7.3 7.3 保持保持恒定时恒定时I Is s=f=f（slsl）曲线）曲线/ssE(7.8)(7.8)7.1.2

7、 7.1.2 转差频率控制变频调速系统转差频率控制变频调速系统实现转差频率控制的另一个条件是实现转差频率控制的另一个条件是 很小。很小。根据根据可求得：可求得：rrslmrrRRLLslrmsrRsL第二个条件变为第二个条件变为 综上所述，综上所述，是是 1 1. .保持气隙磁通保持气隙磁通 m恒定。恒定。 2 2. .保证保证 slslmslslm(7.9)(7.9)7.1.2 7.1.2 转差频率控制变频调速系统转差频率控制变频调速系统分析一条机械特性分析一条机械特性222223()()()ssrenssrssrUsRTpsRRsLL23()ssensrUsTpR22223/()(/ )n

8、sressrssrpU RsTLLRRs结论结论：即：即s s很小时，转矩近似与成很小时，转矩近似与成s s正比，机械特性是一段直线。正比，机械特性是一段直线。7.1.2 7.1.2 转差频率控制变频调速系统转差频率控制变频调速系统系统组成如下图系统组成如下图7.57.5所示。所示。 图图7.5 7.5 转速闭环、转差频率控制变频调速系统结构图转速闭环、转差频率控制变频调速系统结构图ASR-ASR-转速调节器；转速调节器；GF-GF-函数发生器；函数发生器；ACR-ACR-电流调节器；电流调节器；UR-UR-整流器；整流器；DPI-DPI-极性鉴别器；极性鉴别器；GAB-GAB-绝对绝对值变换

9、器；值变换器；GVF-GVF-压频变换器；压频变换器；DRC-DRC-环形分配器；环形分配器；AP-AP-脉冲放大器；脉冲放大器；UI-UI-电流源型逆变器电流源型逆变器7.1.2 7.1.2 转差频率控制变频调速系统转差频率控制变频调速系统 图图7.6 7.6 三相逆变器主电路三相逆变器主电路 图图7.7 7.7 三相逆变器输出电压波形三相逆变器输出电压波形（a a）180180导通型；（导通型；（b b）120120导通型导通型7.1.2 7.1.2 转差频率控制变频调速系统转差频率控制变频调速系统 图图7.8 7.8 转速闭环、转差频率控制变频调速系统结构图转速闭环、转差频率控制变频调速

10、系统结构图7.1.2 7.1.2 转差频率控制变频调速系统转差频率控制变频调速系统 图图7.9 7.9 转差频率控制系统转差频率控制系统运行特性运行特性 图图7.10 7.10 转差频率控制系统转差频率控制系统抗负载扰动过程抗负载扰动过程7.1.2 7.1.2 转差频率控制变频调速系统转差频率控制变频调速系统SPWMSPWM驱动的转差频率控制变频调速系统，原理图如下。驱动的转差频率控制变频调速系统，原理图如下。 图图7.11 SPWM7.11 SPWM驱动的转差频率控制变频调速系统原理图驱动的转差频率控制变频调速系统原理图7.1.2 7.1.2 转差频率控制变频调速系统转差频率控制变频调速系统

11、 图图7.12 SPWM7.12 SPWM逆变器主电路逆变器主电路（a a）主电路；（）主电路；（b b）控制原理图）控制原理图7.1.2 7.1.2 转差频率控制变频调速系统转差频率控制变频调速系统 图图7.13 SPWM7.13 SPWM脉宽调制方法与单极式输出相电压波形脉宽调制方法与单极式输出相电压波形（a a）正弦调制波与三角波；（）正弦调制波与三角波；（b b）驱动信号；（）驱动信号；（c c）单极式）单极式SPWMSPWM输出相电压波形输出相电压波形7.1.2 7.1.2 转差频率控制变频调速系统转差频率控制变频调速系统1 1. .为什么要采用转差频率控制方式？为什么要采用转差频率

12、控制方式？2 2. .转差频率控制的条件是什么？物理系统是转差频率控制的条件是什么？物理系统是如何实现转差频率控制的条件的？如何实现转差频率控制的条件的？3 3. .转差频率控制有什么优缺点？转差频率控制有什么优缺点？7.2 7.2 矢量变换控制变频调速系统矢量变换控制变频调速系统主要内容主要内容7.2.1 7.2.1 矢量变换控制的基本思想矢量变换控制的基本思想异步电机的物理模型如右图。异步电机的物理模型如右图。为了建立数学模型，一般作如下为了建立数学模型，一般作如下假设假设：(1)(1)三相绕组对称，忽略空间谐波，磁势沿气三相绕组对称，忽略空间谐波，磁势沿气隙圆周按正弦分布。隙圆周按正弦分

13、布。(2)(2)忽略磁饱和，各绕组的自感和互感都是线忽略磁饱和，各绕组的自感和互感都是线性的。性的。(3)(3)忽略铁损。忽略铁损。(4)(4)不考虑频率和温度变化对绕组的影响。不考虑频率和温度变化对绕组的影响。 图图7.14 7.14 异步电机物理模型异步电机物理模型 图图7.14 7.14 异步电机物理模型异步电机物理模型(5)(5)无论异步电机转子是绕线式还是鼠笼无论异步电机转子是绕线式还是鼠笼式，都将它等式，都将它等 效成绕线转子，并折算到效成绕线转子，并折算到定子侧，折算前后的转子每相匝数都相等。定子侧，折算前后的转子每相匝数都相等。(6)(6)不失一般性地，可将多相绕组等效为不失一

14、般性地，可将多相绕组等效为空间上互差空间上互差9090 电角度的两相绕组，即直电角度的两相绕组，即直轴和交轴绕组。轴和交轴绕组。7.2.1 7.2.1 矢量变换控制的基本思想矢量变换控制的基本思想异步电机的多变量数学模型异步电机的多变量数学模型定子的电压方程定子的电压方程 转子的电压方程转子的电压方程 磁链方程为磁链方程为 图图7.15 7.15 异步电机物理模型异步电机物理模型7.2.1 7.2.1 矢量变换控制的基本思想矢量变换控制的基本思想分析不同绕组产分析不同绕组产生的相同旋转生的相同旋转磁场磁场比较直流电机和比较直流电机和异步电机异步电异步电机异步电机的等效直流电机的等效直流电机模型

15、机模型 图图7.16 7.16 等效的交流绕组和直流绕组等效的交流绕组和直流绕组（a a）ABCABC绕组；（绕组；（b b）、绕组；（绕组；（c c）MTMT绕组绕组 图图7.17 7.17 交流电机的坐标变换结构图交流电机的坐标变换结构图7.2.1 7.2.1 矢量变换控制的基本思想矢量变换控制的基本思想 7.2.1 7.2.1 矢量变换控制的基本思想矢量变换控制的基本思想图图7.18 7.18 矢量控制的基本思想矢量控制的基本思想7.2.2 7.2.2 矢量变换控制构成举例矢量变换控制构成举例 图图7.19 7.19 矢量控制的基本思想矢量控制的基本思想 图图7.20 7.20 直接磁场

16、定向矢量变换控制变频调速系统直接磁场定向矢量变换控制变频调速系统ASR-ASR-转速调节器；转速调节器；ATR-ATR-转矩调节器；转矩调节器；AR-AR-磁链调节器；磁链调节器；BRT-BRT-转速传感器转速传感器 图图7.21 7.21 滞环控制电流正弦滞环控制电流正弦PWMPWM逆变器原理图逆变器原理图图图7.227.22滞环控制电流正弦逆变滞环控制电流正弦逆变器输出电压和电流波形器输出电压和电流波形7.2.2 7.2.2 矢量变换控制构成举例矢量变换控制构成举例复习思考题复习思考题7 71.1.矢量变换控制的基本原理是什么？矢量变换控制的基本原理是什么？2.2.描述产生相同旋转磁场的三

17、个等效绕组及各绕组所描述产生相同旋转磁场的三个等效绕组及各绕组所加的电流。加的电流。3.3.矢量变换控制中如何实现异步电机中等效直流电机矢量变换控制中如何实现异步电机中等效直流电机转矩和励磁电流的控制？转矩和励磁电流的控制？7.3 7.3 直接转矩控制变频调速系统直接转矩控制变频调速系统主要内容主要内容7.3.1 7.3.1 直接转矩控制的基本原理直接转矩控制的基本原理 三组开关有三组开关有8 8种组合种组合 8 8种开关状态种开关状态 对应对应8 8种电压状态种电压状态 Park Park矢量表达式矢量表达式 电压空间矢量在电压空间矢量在 坐标系中的离散位置坐标系中的离散位置 2/34/32

18、( )3jjsabctuu eu eu u2/34/302 422(100)3 3332 4213213()()3 33223224433jjsjEEeEeEEjEjEEeu u(7.10)(7.10)7.3.1 7.3.1 直接转矩控制的基本原理直接转矩控制的基本原理1 1. . 空间电压矢量的概念空间电压矢量的概念2/34/32422(011)333324213213()()333223224433jjsjEEeEeEEjEjEEe u u2/34/34/32224(001)3333222134133332232241343223jjsjEEeEeEEjEjEjEeu u7.3.1 7.3

19、.1 直接转矩控制的基本原理直接转矩控制的基本原理)110(2su u)010(3su u)100(1su u)001(5su u)011(4su u)101(6su u)000(7su u2 /34(010)3jsEeu u/34(110)3jsEeu u5 /34(101)3jsEeu u(000)(111) 0ssu uu u04(100)3sEeu u4 /34(001)3jsEeu u4(011)3jsEeu u7.3.1 7.3.1 直接转矩控制的基本原理直接转矩控制的基本原理)110(2su u)010(3su u)100(1su u)001(5su u)011(4su u)10

20、1(6su u)000(7su u逆变器的六个工作电压对应六逆变器的六个工作电压对应六个不同方向的电压矢量，它们个不同方向的电压矢量，它们周期性的顺序出现，相邻两个周期性的顺序出现，相邻两个矢量之间相差矢量之间相差6060 。电压空间矢。电压空间矢量的幅值不变，都等量的幅值不变，都等4E/3.4E/3.六个电压空间矢量的顶点构成六个电压空间矢量的顶点构成了正六边形的六个顶点。六种了正六边形的六个顶点。六种状态依次经过状态依次经过1-2-3-4-5-61-2-3-4-5-6，空，空间矢量沿逆时针方向旋转。零间矢量沿逆时针方向旋转。零状态位于六边形的中心。状态位于六边形的中心。7.3.1 7.3.1 直接转矩控制的基本原理直接转矩控制的基本原理( )( )( )sss sttRt dtu ui i( )( )sstt dtu u实现方式难点实现方式难点S1S2S3S4S5S61su u2su u3su u4su u5su u6su u7su us1234567.3.1 7.3.1 直接转矩控制的基本原理直接转矩控制的基本原理32321()1 | | sinesrsrsrTLL 电机的电磁转矩的大小与定子和转子磁链的幅值和电机的电磁转矩的