运动控制,陈伯时,第六章课件

1、运动控制运动控制自动化教研室自动化教研室屈薇薇屈薇薇异步电机工作原理异步电机工作原理自动化教研室转子上镶有若干导条，导条两端用导电环短接，形成电气回路，这种转子称为鼠笼转子流过电流的导条在磁场中受到电磁力的作用，其受力方向按左手定则确定异步电机工作原理：转子导体在旋转磁场中产生感应电流，而流过电流的转子导体在磁场中又受到电磁力的作用，从而使转子转动起来N极和S极下的导条都受到统一方向的电磁力作用，产生电磁转矩，使转子随外力旋转方向转动，即转子的旋转方向与磁场的选择方向相同。“异步”的含义是指转子的转速 n永远比同步转速n1（既旋转磁场的转速）小。旋转磁场与转子导体间有相对运动，导体中产生电动势

2、导条两端用导电环短接，形成电气回路，导体中产生电流右手定则因为，如果转子的转速 n 达到同步转速n1 ，则转子导体将不再切割磁力线，因而感应电动势、感应电流和电磁场转矩均为零，转子将减速，因此，转子转速总是低于同步转速。11nnns 旋转磁场的同步转速n1与转子转速n之差称为转差。转差与同步转速n1之比称为转差率 ，用s表示异步电机稳态等效电路异步电机稳态等效电路自动化教研室 根据电机学原理，在下述三个假定条件下：忽略空间和时间谐波，忽略磁饱和，忽略铁损，异步电机的稳态等效电路Us1RsLlsLlrLmRr /sIsI0IrRs、Rr 定子每相电阻和折合到定子侧的 转子每相电阻；Lls、Llr

3、 定子每相漏感和折合到定子侧的 转子每相漏感； Lm定子每相绕组产生气隙主磁通的 等效电感，即励磁电感；Us、1 定子相电压和供电角频率； s 转差率。2r1s212r1ssrllLCLsRCRUImsm1s1s111LLLjLjRCll转子电流LmLl1，则，C1 1 这相当于将上述假定条件的第条改为忽略铁损和励磁电流。这样，电流公式可简化成2rs212rssrsllLLsRRUII令电磁功率 Pm = 3Ir2 Rr /s 同步机械角转速m1 = 1 / npnp 极对数，则异步电机的电磁转矩为p2mrerm112psr222r1s1sr33/llnPRTIsn U RsRRLLs当转速或

4、转差率一定时，电磁转电磁转矩与定子电压的平方成正比矩与定子电压的平方成正比。异步电动机的机械特性方程异步电动机的机械特性异步电动机的机械特性TeOnn0TemaxsmTLUsN0.7UsNABCFDE0.5UsN风机类负载特性恒转矩负载特性p2mrerm112psr222r1s1sr33/llnPRTIsn U RsRRLLs对应于最大转矩时的静差率和最大转矩dTe/ds=02rs212srm)(llLLRRs2rs212ss12spmaxe)(23llLLRRUnT带恒转矩负载工作时，普通笼型异步电机变电压时的稳定工作点为 A、B、C，转差率 s 的变化范围不超过 0 sm ，调速范围有限。

5、如果带风机类负载运行，则工作点为D、E、F，调速范围可以大一些0笼型异步电动机变压变频调速系统（笼型异步电动机变压变频调速系统（VVVF系统）系统）自动化教研室变压调速是异步电机调速方法中比较简便的一种。由电力拖动原理可知，当异步电机等效电路的参数不变时，在相同的转速下，电磁转矩Te与定子电压Us的平方成正比，因此，改变定子外加电压就可以改变机械特性的函数关系，从而改变电机在一定负载转矩下的转速。异步电机的变压变频调速系统一般简称为变频调速系统。由于在调速时转差功率不随转速而变化，调速范围宽，无论是高速还是低速时效率都较高，在采取一定的技术措施后能实现高动态性能，可与直流调速系统媲美。因此现在

6、应用面很广，是本篇的重点。变压变频调速的基本控制方式异步电动机电压频率协调控制时的机械特性*电力电子变压变频器的主要类型变压变频调速系统中的脉宽调制（PWM）技术基于异步电动机稳态模型的变压变频调速异步电动机的动态数学模型和坐标变换基于动态模型按转子磁链定向的矢量控制系统基于动态模型按定子磁链控制的直接转矩控制系统 变压变频调速的基本方式变压变频调速的基本方式自动化教研室磁通m直流电机，励磁系统是独立的，只要对电枢反应有恰当的补偿， m 保持不变交流异步电机中，磁通 m 由定子和转子磁势合成产生，要保持磁通恒定就需要费一些周折了定子每相电动势mNs1g44. 4SkNfE Eg 气隙磁通在定子

7、每相中感应电动势的有效值，单位为V；f1定子频率，单位为Hz； Ns定子每相绕组串联匝数；kNs基波绕组系数； m每极气隙磁通量，单位为Wb。 1. 基频以下调速 要保持 m 不变，当频率 f1 从额定值 f1N 向下调节时，必须同时降低 Eg g1Ef 常值恒值电动势频率比恒值电动势频率比绕组中的感应电动势是难以直接控制的，当电动势值较高时，可以忽略定子绕组的漏磁阻抗压降，而认为定子相电压 Us Eg常值1fUs恒压频比恒压频比变压变频调速的基本方式变压变频调速的基本方式自动化教研室OUsf 1UsNf 1Na 无补偿无补偿 b 带定子压降补偿带定子压降补偿 人为地把电压 Us 抬高一些，以

8、便近似地补近似地补偿定子压降偿定子压降2. 基频以上调速 在基频以上调速时，频率应该从 f1N向上升高，但定子电压Us 却不可能超过额定电压UsN ，最多只能保持Us = UsN ，这将迫使磁通与频率成反比地降低，相当于直流电机弱磁升速的情况。f1N恒转矩调速恒转矩调速UsUsNmNm恒功率调速恒功率调速mUsf1O异步电机变压变频调速的控制特性 如果电机在不同转速时所带的负载都能使电流达到额定值，即都能在允许温升下长期运行，则转矩基本上随磁通变化，在基频以下，磁通恒定时转矩也恒定，属于“恒转矩调速”性质，而在基频以上，转速升高时转矩降低，基本上属于“恒功率调速”。异步电动机电压频率协调控制异

9、步电动机电压频率协调控制时的时的机械特性机械特性自动化教研室2ppsr2mrer2m1122r1s1sr33/llnn U RsPRTIsRRLLs恒压恒频正弦波供电时的机械特性方程式 当定子电压 Us 和电源角频率 1 恒定时2rs2122rsr121spe)()(3llLLsRsRRsUnT当s很小时sRsUnTr121spe3当 s 接近于1时，可忽略分母中的Rr sLLRsRUnTll1)(32rs212sr121spe当s很小时，转矩近似与s成正比，机械特性 Te = f（s）是一段直线; s接近于1时转矩近似与s成反比，Te = f（s）是对称于原点的一段双曲线smnn0sTe01

10、0TeTemaxTemax当 s 为以上两段的中间数值时，机械特性从直线段逐渐过渡到双曲线段eTse1Ts基频以下电压基频以下电压-频率协调控制时频率协调控制时的机械的机械特性特性2rs2122rsr121spe)()(3llLLsRsRRsUnT对于同一组转矩 Te 和转速 n（或转差率s）的要求，电压 Us 和频率 1 可以有多种配合1. 恒压频比控制（ Us /1 ） 同步转速随频率变化p10260nn带负载时的转速降落1p0260snsnn000100%NnnnsnnsRsUnTr121spe321sper13UnTRs当 Us /1 为恒值时，对于同一转矩 Te ，s1 是基本不变的

11、，因而 n 也是基本不变的。这就是说，在恒压频比的条件下改变频率 1 时，机械特性基本上是平行下移当转矩增大到最大值以后，转速再降低，特性就折回来了。而且频率越低时最大转矩值越小2rs212ss12spmaxe)(23llLLRRUnT2rs21s1s21spmaxe)(123llLLRRUnT最大转矩 Temax 是随着的 1 降低而减小的。频率很低时，Temax太小将限制电机的带载能力，采用定子压降补偿，适当地提高电压Us，可以增强带载能力恒压频恒压频比控制时变压调速的机械特性比控制时变压调速的机械特性自动化教研室eTOnN0n03n02n01nN1111213131211N1补偿定子压降

12、后的特性基频以下电压基频以下电压-频率协调控制时的机械特性频率协调控制时的机械特性自动化教研室 2. 恒 Eg / 1 控制 Us1RsLlsLlrLmRr /sIsI0IrErEgEs Eg 气隙（或互感）磁通在定子每相绕组中的感应电动势； Es 定子全磁通在定子每相绕组中的感应电动势； Er 转子全磁通在转子绕组中的感应电动势（折合到定子边）。 在电压频率协调控制中，恰当地提高电压 Us 的数值，使它在克服定子阻抗压降以后，能维持 Eg /1 为恒值（基频以下）mNs1g44. 4SkNfE 2r212rgrlLsREI转子电流p2mrerm113nPRTIs22pggr1rep22222

13、11r1r2 2r1r33llnEERsRTnsRsLRLs当s很小时，可忽略分母中含 s 项sRsEnTr121gpe3当 s 接近于1时，可忽略分母中的 Rr2 项sLsREnTl132 r1r21gpe s 值为上述两段的中间值时，机械特性在直线和双曲线之间逐渐过渡，整条特性与恒压频比特性相似基频以下电压基频以下电压-频率协调控制时的机械特性频率协调控制时的机械特性22pggr1rep2222211r1r2 2r1r33llnEERsRTnsRsLRLs2rs2122rsr121spe)()(3llLLsRsRRsUnT1. 恒压频比控制（ Us /1 ） 2. 恒电动势频比控制（Eg

14、/ 1） 恒Eg /1控制特性在最大转矩时的转差率 r1rmlLRs最大转矩r21gpmaxe123lLEnTeTOnN0n03n02n01nN1111213131211N1Temax当Eg /1 为恒值时，Temax 恒定不变，其稳态性能优于恒 Us /1 控制的性能。 这正是恒 Eg /1 控制中补偿定子压降所追求的目标。 恒 Eg /1 特性分母中含 s 项的参数要小于恒 Us /1 特性中的同类项，也就是说， s 值要更大一些才能使该项占有显著的份量，从而不能被忽略，因此恒 Eg /1 特性的线性段范围更宽。基频以下电压基频以下电压-频率协调控制时的机械特性频率协调控制时的机械特性自动

15、化教研室3. 恒 Er / 1 控制 Us1RsLlsLlrLmRr /sIsI0IrErEgEs转子漏抗sREI/rrr转子电流22prrr1ep211rr33nEREsTnsRRs电磁转矩0s10Te恒 Er /1 控制恒 Eg /1 控制恒 Us /1 控制ab c怎样控制变频装置的电压和频率才能获得恒定的 Er /1 ？mNs1g44. 4SkNfE 气隙磁通的感应电动势 Eg 对应于气隙磁通幅值 m rmNs1r44. 4skNfE 转子全磁通的感应电动势 Er 就应该对应于转子全磁通幅值 rm 只要能够按照转子全磁通幅值 rm = Constant 进 行控制，就可以获得恒 Er

16、/1 了。这正是矢量控制系统所遵循的原则几种协调控制方式的比较几种协调控制方式的比较自动化教研室在正弦波供电时，按不同规律实现电压频率协调控制可得不同类型的机械特性。 （1）恒压频比（ Us /1 = Constant ）控制最容易实现，它的变频机械特性基本上是平行下移，硬度也较好，能够满足一般的调速要求，但低速带载能力有些差强人意，须对定子压降实行补偿。（2）恒Eg /1 控制是通常对恒压频比控制实行电压补偿的标准，可以在稳态时达到rm = Constant，从而改善了低速性能。但机械特性还是非线性的，产生转矩的能力仍受到限制。（3）恒 Er /1 控制可以得到和直流他励电机一样的线性机械特

17、性，按照转子全磁通 rm 恒定进行控制，即得 Er /1 = Constant在动态中也尽可能保持 rm 恒定是矢量控制系统的目标，当然实现起来是比较复杂的。 0s10Te恒 Er /1 控制恒 Eg /1 控制恒 Us /1 控制ab c电力电子变压变频器的主要类型电力电子变压变频器的主要类型自动化教研室对于异步电机的变压变频调速，必须具备能够同时控制电压幅值和频率的交流电源，而电网提供的是恒压恒频的电源，因此应该配置变压变频器，又称VVVF（Variable Voltage Variable Frequency）装置VVVF装置旋转变频机组，即由直流电动机拖动交流同步发电机，调节直流电动机

18、的转速就能控制交流发电机输出电压和频率。 电力电子器件获得广泛应用以后，更多使用静止式的变压变频器 交-直-交变压变频器电压源型逆变器电流源型逆变器交-交变压变频器交交-交变压变频器交变压变频器 自动化教研室交交变频交交变频AC50HzACVRVFId-Id+-+负负载载50Hz50Hzu0 常用的交-交变压变频器输出的每一相都是一个由正、反两组晶闸管可控整流装置反并联的可逆线路，即每一相都相当于一套直流可逆调速系统的反并联可逆线路整半周控制方式整半周控制方式 正、反两组按一定周期相互切换，在负载上就获得交变的输出电压 u0 ， u0 的幅值决定于各组可控整流装置的控制角 ， u0 的频率决定

19、于正、反两组整流装置的切换频率。如果控制角一直不变，则输出平均电压是方波tu0正组通正组通反组通反组通正组通正组通反组通反组通 调制控制方式调制控制方式 要获得正弦波输出，就必须在每一组整流装置导通期间不断改变其控制角。例如例如：在正向组导通的半个周期中，使控制角 由/2（对应于平均电压 u0 = 0）逐渐减小到 0（对应于 u0 最大），然后再逐渐增加到 /2（ u0 再变为0）2AO t 0 2 BCDEFu0恒压恒频恒压恒频(CVCF)变压变频变压变频(VVVF)直直-交交-直变压变频器直变压变频器自动化教研室VVVF中间直流环节中间直流环节CVCF逆变逆变DCACAC50Hz整流整流交

20、-直-交变压变频器先将工频交流电源通过整流器变换成直流，再通过逆变器变换成可控频率和电压的交流SCR可控可控整流器整流器六六 拍拍逆变器逆变器DCACAC50Hz调频调频调压调压可控整流器调压、六拍逆变器调频的交-直-交变压变频器VVVF中间直流环节中间直流环节CVCFPWM逆变器逆变器DCACAC50Hz调压调频调压调频C交-直-交PWM变压变频器二极管不控二极管不控整流器整流器由由功率开关功率开关器件组成器件组成的的脉宽调制逆脉宽调制逆变器变器 PWM变压变频器的优点： （1）结构比较简单、效率高 （2）输出谐波少 （3）动态性能好 （4）功率因数高PWM变压变频器常用的功率开关器件有：

21、P-MOSFET IGBT 在交-直-交变压变频器中，按照中间直流环节直流电源性质的不同，逆变器可以分成电压源型电压源型和电流源型电流源型两类，两种类型的实际区别在于直流环节采用怎样的滤波器实际区别在于直流环节采用怎样的滤波器直直-交交-直变压变频器直变压变频器自动化教研室逆变器逆变器LdIdCdUdUd+-a) 电压源逆变器b) 电流源逆变器电压源型逆变器电压源型逆变器（Voltage Source Inverter -VSI ），直流环节采用大电容滤波，因而直流电压波形比较平直，在理想情况下是一个内阻为零的恒压源，输出交流电压是矩形波或阶梯波电流源型逆变器电流源型逆变器（Current S

22、ource Inverter- CSI），直流环节采用大电感滤波，直流电流波形比较平直，相当于一个恒流源，输出交流电流是矩形波或阶梯波（1）无功能量的缓冲）无功能量的缓冲滤波器除滤波外还起着对无功功率的缓冲作用，使它不致影响到交流电网。两类逆变器的区别还表现在采用什么储能元件（电容器或电感器）来缓冲无功能量。 （2）回馈）回馈 用电流源型逆变器给异步电机供电的电流源型变压变频调速系统容易实现能量的回馈，从而便于四象限运行，适用于需要回馈制动和经常正、反转的生产机械。采用电压源型的交-直-交变压变频调速系统要实现回馈制动和四象限运行却很困难，因为其中间直流环节有大电容钳制着电压的极性，不可能迅速

23、反向，而电流受到器件单向导电性的制约也不能反向，所以在原装置上无法实现回馈制动直直-交交-直变压变频器直变压变频器自动化教研室逆变器逆变器LdIdCdUdUd+-a) 电压源逆变器b) 电流源逆变器电压源型逆变器输出的电压波形为方波（3）动态响应）动态响应 电流源型变压变频调速系统的直流电压可以迅速改变，所以动态响应比较快电压源型变压变频调速系统的动态响应就慢得多。（4）输出波形）输出波形 电流源型逆变器输出的电流波形为方波（5）应用场合应用场合 电压源型逆变器属恒压源，电压控制响应慢，不易波动，所以适于做多台电机同步运行时的供电电源，或单台电机调速但不要求快速起制动和快速减速的场合。采用电流

24、源型逆变器的系统则相反，不适用于多电机传动，但可以满足快速起制动和可逆运行的要求。变压变频调速系统中的脉宽调制变压变频调速系统中的脉宽调制(PWM)技术技术自动化教研室早期六拍阶梯逆变器存在的主要问题：l 采用半控式晶闸管l 开关频率较低l 主电路两个变流器需要协调控制l 电压（直流环节）变化动态响应慢l 交流输入侧功率因数差l 逆变器输出谐波分量大解决方法：应用PWM控制技术逆变器一个工作周期中，其开关元件根据目标函数要求按一定规律作多次开工作，称为基于PWM控制技术的逆变器把一个正弦半波分作N等分，然后把每一等分的正弦曲线和横轴所包围的面积都用一个与此面积相等的等高矩形脉冲代替，矩形脉冲的

25、重点与正弦波每一等分的中点重合冲量等效原理由N个等幅而不等宽的矩形脉冲所组成的波形就与正弦的半周等效由于各脉冲的幅值相等，所以逆变器可由恒定的直流电源供电，符合逆变器的电能直交变换模式。SPWM调制调制原理原理自动化教研室以正弦波作为逆变器输出的期望波形，以频率比期望波高得多的等腰三角波作为载波（Carrier wave），并用频率和期望波相同的正弦波作为调制波（Modulation wave），当调制波与载波相交时，由它们的交点确定逆变器开关器件的通断时刻，从而获得在正弦调制波的半个周期内呈两边窄中间宽的一系列等幅不等宽的矩形波。图6-5urucuOtOtuouofuoUd- Ud 通过改变

26、调制波的频率和幅值，来改变输出的频率和幅值。矩形波的面积按正弦规率变化。这种调制方法称作正弦波脉宽调制（Sinusoidal pulse width modulation，简称SPWM），这种序列的矩形波称作SPWM波。 正弦波脉宽调制（正弦波脉宽调制（SPWM）技术）技术自动化教研室如果在正弦调制波半个周期内，三角载波在正负极性之间连续变化，则SPWM波也是在正负之间变化，叫做双极性控制方式。图6-5urucuOtOtuouofuoUd- Ud图6-6urucuOtOtuouofuoUd-Ud如果在正弦调制波的半个周期内，三角载波只在正或负的一种极性范围内变化，所得到的SPWM波也只处于一个

27、极性的范围内，叫做单极性控制方式。比较：双极性调制和单极性调制都通过调制波和载波比较，在交点处产生驱动信号。单极性调制在输出交流的半周内只有单一极性的脉冲，因此输出电压（基波值）较高。双极性调制同相上下桥臂的开关器件交替导通，交易产生直通现象，因此同相上下桥臂开关的关断和导通之间要有一定的时间间隔，称为“死区”，以确保不产生直通现象。三相桥式PWM逆变器的双极性SPWM波形 uuAOO tOOOOUd2-Ud2uBOuCOuAB t t t tO turaurburcut小结： 脉宽调制是以逆变器的功率器件的快速而有规律的开关，形成一系列有规则的矩形方波，以和期望的控制电压等效。 正弦脉宽调制

28、的特点是：基波分量大，2N-1次以下谐波得到有效的拟制，输出电流接近正弦波。ura 、urb 、urv为A，B，C三相的正弦调制波， ut为双极性三角载波；uAO 、uBO 、uCO 为A，B，C三相输出与电源中性点O之间的相电压矩形波形； uAB为输出线电压矩形波形，其脉冲幅值为+Ud和- Ud ；电压空间矢量电压空间矢量PWM(SVPWM)控制技术控制技术 自动化教研室问题的提出:经典的SPWM控制主要着眼于使变压变频器的输出电压尽量接近正弦波。交流电动机需要输入三相正弦电流的最终目的是在电动机空间形成圆形旋转磁场，从而产生恒定的电磁转矩。把逆变器和交流电动机视为一体，按照跟踪圆形旋转磁场

29、来控制逆变器的工作，这种控制方法称作“磁链跟踪控制磁链跟踪控制”。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“电压空间矢量电压空间矢量PWMPWM（SVPWMSVPWM，Space Vector PWMSpace Vector PWM）控制）控制”。定子三相绕组轴线 A、B、C 在空间是固定的，故定义为三相静止坐标系，以 A 轴为参考坐标轴；转子绕组轴线 a、b、c 随转子旋转，转子 a 轴和定子A 轴间的电角度 m为空间角位移变量。规定各绕组电压、电流、磁链的正方向符合电动机惯例和右手螺旋定则。三相异步电动机动态模型三相异步电动机动态模型的数学表达式三相异步电动机动态模型的数学表

30、达式自动化教研室三相定子绕组的电压平衡方程为tRiuddAsAAtRiuddBsBBtRiuddCsCC三相转子绕组折算到定子侧后的电压方程为tRiuddaraatRiuddbrbbtRiuddcrccuA, uB, uC, ua, ub, uc 定子和转子相电压的瞬时值；iA, iB, iC, ia, ib, ic 定子和转子相电流的瞬时值；A, B, C, a, b, c 各相绕组的全磁链；Rs, Rr定子和转子绕组电阻。ddRtuI定子合成电压定子合成电压与磁链空间矢量的关系与磁链空间矢量的关系自动化教研室tRddssssIu us 定子三相电压合成空间矢量； Is 定子三相电流合成空间

31、矢量；s 定子三相磁链合成空间矢量。 1. 空间矢量的定义 定子电压空间矢量：uA0 、 uB0 、 uC0 的方向始终处于各相绕组的轴线上，而大小则随时间按正弦规律脉动，时间相位互相错开的角度也是120。合成空间矢量：由三相定子电压空间矢量相加合成的空间矢量 us 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。 当电源频率不变时，合成空间矢量 us 以电源角频率1 为电气角速度作恒速旋转。 C0B0A0suuuusA0B0C0IIIIsA0B0C02.电压与磁链空间矢量的关系当电动机转速不是很低时，定子电阻压降在式中所占的成分很小，可忽略不计t ddssu t dssu当电动机

32、由三相平衡正弦电压供电时，电动机定子磁链幅值恒定，其空间矢量以恒速旋转 磁链矢量顶端的运动轨迹呈圆形tj1emsm是磁链s的幅值，1为其旋转角速度磁场轨迹与电压空间矢量运动轨迹的关系磁场轨迹与电压空间矢量运动轨迹的关系自动化教研室)2(m1m1ms111ee)e(ddtjtjtjjtu当磁链幅值一定时，us的大小与1（或供电电压频率f1）成正比，其方向则与磁链矢量 s正交，即磁链圆的切线方向tj1ems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。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。 连续变化的圆形电压矢量不易得到，用n

33、个电压矢量近似的等效圆形矢量每个电压矢量持续T0时间nT20磁场为等n边形磁场，接近圆形磁场电压矢量调制用于V/F控制时1)根据V/F曲线确定频率及电压值2)确定一个圆周内，电压矢量的个数3)根据频率值计算T0的大小。4)让确定大小的电压矢量依次旋转（根据规则合成），每个矢量持续T0 。六拍阶梯波逆变器与正六边形空间旋转磁场六拍阶梯波逆变器与正六边形空间旋转磁场自动化教研室 （1）电压空间矢量运动轨迹 在常规的 变压变频调速系统中，异步电动机由六拍阶梯波逆变器供电，这时的电压空间矢量运动轨迹是：三相逆变器-异步电动机调速系统主电路原理图 如果图中的逆变器采用180导通型，那么功率开关器件共有8

34、种工作状态6 种有效开关状态2 种无效状态逆变器每隔 /3 时刻就切换一次工作状态（即换相），而在这 /3 时刻内则保持不变。 自动化教研室设工作为100，这时VT6、VT1、VT2导通O+-iCUdiAiBidVT1VT6VT2各相对直流电源中点的电压都是幅值为 UAO = Ud / 2 UBO = UCO = - Ud /2u1uAO-uCO-uBOABC三相的合成空间矢量为 u1，其幅值等于Ud，方向沿A轴（即X轴）。 u1 存在的时间为/3，在这段时间以后，工作状态转为110，合成空间矢量变成图中的 u2 ，它在空间上滞后于u1 的相位为 /3 弧度，存在的时间也是 /3 。 u2uA

35、O-uCOuBOABC自动化教研室 依此类推，随着逆变器工作状态的切换，电压空间矢量的幅值不变，而相位每次旋转 /3 ，这样全部空间电压矢量为六个（另外有两个零电压矢量）。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。t ddssu 11 ut112使用六个电压矢量，每个电压矢量作用时间为磁链旋转一圈时间的六分之一，这时磁链轨迹为正六边形在任何时刻所产生的磁链增量 i的方向决定于所施加的电压ui，其幅值正比于施加电压的时间t电压空间矢量的线性组合与电压空间矢量的线性组合与SVPWM控制控制自动化教研室结论：结论：如果交流电动机仅由常规的六拍阶梯波逆

36、变器供电，磁链轨迹便是六边形的旋转磁场，这显然不象在正弦波供电时所产生的圆形旋转磁场那样能使电动机获得匀速运行。如果想获得更多边形或逼近圆形的旋转磁场，就必须在每一个期间内出现多个工作状态，以形成更多的相位不同的电压空间矢量。为此，必须对逆变器的控制模式进行改造。 要有效的控制磁链轨迹，必须解决三个问题：（1）如何选择电压矢量（2）如何确定各电压矢量的作用时间（3）如何确定各电压矢量的作用次序实现SVPWM控制就是要把每一山区分成若干个对应于时间T0的小区间，插入若干个线性组合的新电压空间矢量us，以获得优于正六边形的多边形（逼近圆形）旋转磁场。如果要逼近圆形，可以增加切换次数，设想磁链增量由

37、图中的 11 ， 12 ， 13 ， 14 这4段组成。这时，每段施加的电压空间矢量的相位都不一样，可以用基本电压矢量线性组合的方法获得。 v 新的电压矢量ur1的作用时间为T0，因而产生的磁链增量l1 = ur1T0。v 在下一个T0期间，仍选用u1和u2的线性组合，但两者的作用时间与前一区间不同，这样就可以获得与us相位不同的电压矢量ur2，相应的磁链增量为l2 。v 由若干个不同相位的li（i=1，2，3，）组成的磁链矢量顶端轨迹呈一新的多边形，比正六边形更接近圆形。ur1u2 20 02114121113自动化教研室在一段换相周期时间T0 中，可以用两个矢量之和表示由两个矢量线性组合后

38、的电压矢量us ，新矢量的相位为 。图表示了由u1、u2构成新的电压空间矢量的线性组合，设在原u1状态结束后，期望在时间T0内电压空间矢量us起作用，并有 us =u1。采用部分u1矢量和部分u2矢量求和得到矢量ur1，t1u1/T0和t2u2/T0分别表示部分u1和部分u2矢量，它们合成矢量为us 。us与u1和u2相位均不同，而幅值相同。sincosss202101suuuuujTtTt2C0B0A0se )(e )()(jjtttuuuu = 120jtte )()(BCABsuuu当各功率开关处于不同状态时，线电压可取值为Ud、0 或 Ud，比用相电压表示时要明确一些。 d0201s2

39、cosUTtTtud02s23sinUTtudsds01sin31cosUUTtuuds02sin32UTtu自动化教研室换相周期 T0 应由旋转磁场所需的频率决定， T0 与 t1+ t2 未必相等，其间隙时间可用零矢量 u7 或 u8 来填补。为了减少功率器件的开关次数，一般使 u7 和 u8 各占一半时间，nT20780121()02ttTtt可把逆变器的一个工作周期用6个电压空间矢量划分成6个区域，称为扇区（Sector），如图所示的、，每个扇区对应的时间均为/3 。u7和u8坐落在放射线的中心点。 由于逆变器在各扇区的工作状态都是对称的，分析一个扇区的方法可以推广到其他扇区。在常规六

40、拍逆变器中一个扇区仅包含两个开关工作状态。实现SVPWM控制就是要把每一扇区再分成若干个对应于时间 T0 的小区间。按照上述方法插入若干个线性组合的新电压空间矢量 us，以获得优于正六边形的多边形（逼近圆形）旋转磁场。 开关状态顺序原则开关状态顺序原则自动化教研室在实际系统中，应该尽量减少开关状态变化时引起的开关损耗，因此不同开关状态的顺序必须遵守下述原则：每次切换开关状态时，只切换一个功率开关器件，以满足最每次切换开关状态时，只切换一个功率开关器件，以满足最小开关损耗。小开关损耗。 780121()02ttTttt1t2t7t8u1u2u7u8100110111000为了使电压波形对称，把每

41、种状态的作用时间都一分为二在这一个时间内，逆变器三相的开关状态序列为100，110，111，000，000，111，110，100。 开关状态序列为000，100，110，111，111，110，100，000自动化教研室第扇区内一段区间的开关序列与逆变器三相电压波形虚线间的每一小段表示一种工作状态 如果一个扇区分成4个小区间，则一个周期中将出现24个脉冲波，而功率器件的开关次数还更多，须选用高开关频率的功率器件。当然，一个扇区内所分的小区间越多，就越能逼近圆形旋转磁场。 SVPWM控制模式有以下特点：1) 逆变器的一个工作周期分成6个扇区，每个扇区相当于常规六拍逆变器的一拍。为了使电动机旋转

42、磁场逼近圆形，每个扇区再分成若干个小区间 T0 ， T0 越短，旋转磁场越接近圆形，但 T0 的缩短受到功率开关器件允许开关频率的制约。 2) 在每个小区间内虽有多次开关状态的切换，但每次切换都只涉及一个功率开关器件，因而开关损耗较小。3) 每个小区间均以零电压矢量开始，又以零矢量结束。4) 利用电压空间矢量直接生成三相PWM波，计算简便。5) 采用SVPWM控制时，逆变器输出线电压基波最大值为直流侧电压，这比一般的SPWM逆变器输出电压提高了15%。 练习练习v请画出请画出SVPWM控制方式下，第控制方式下，第扇区内一段扇区内一段T0区间的开关序列与逆变器三相电压波形（依据最区间的开关序列与

43、逆变器三相电压波形（依据最小开关损耗的原则）。小开关损耗的原则）。自动化教研室转速开环恒压频比控制调速系统转速开环恒压频比控制调速系统自动化教研室不少机械负载，例如风机和水泵，并不需要很高的动态性能，只要在一定范围内能实现高效率的调速就行，因此可以只用电机的稳态模型来设计其控制系统。为了实现电压-频率协调控制，可以采用转速开环恒压频比带低频电压补偿的控制方案，这就是常用的通用变频器控制系统。eTOnN0n03n02n01nN1111213131211N1补偿定子压降后的特性所谓“通用”，包含着两方面的含义：（1）可以和通用的笼型异步电机配套使用；（2）具有多种可供选择的功能，适用于各种不同性质

44、的负载。通用变频器通用变频器-异步电动机调速系统异步电动机调速系统自动化教研室系统硬件主要包括：主电路、驱动电路、微机控制电路、信号采集与故障检测电路l主电路主电路由二极管整流器UR、PWM逆变器UI和中间直流电路三部分组成，一般都是电压源型的，采用大电容C滤波，同时兼有无功功率交换的作用。u限流电阻限流电阻：为了避免大电容C在通电瞬间产生过大的充电电流，在整流器和滤波电容间的直流回路上串入限流电阻（或电抗），通上电源时，先限制充电电流，再延时用开关K将R0短路，以免长期接入时影响变频器的正常工作，并产生附加损耗。u泵升限制电路泵升限制电路由于二极管整流器不能为异步电机的再生制动提供反向电流的

45、通路，通用变频器一般都用电阻吸收制动能量。减速制动时，异步电机进入发电状态，首先通过逆变器的续流二极管向电容C充电，当中间直流回路的电压（通称泵升电压）升高到一定的限制值时，通过泵升限制电路使开关器件导通，将电机释放的动能消耗在制动电阻上。为了便于散热，制动电阻器常作为附件单独装在变频器机箱外边。自动化教研室进线电抗器进线电抗器 二极管整流器虽然是全波整流装置，但由于其输出端有滤波电容存在，因此输入电流呈脉冲波形为了抑制谐波电流，对于容量较大的PWM变频器，都应在输入端设有进线电抗器，有时也可以在整流器和电容器之间串接直流电抗器。还可用来抑制电源电压不平衡对变频器的影响。控制电路控制电路现代P

46、WM变频器的控制电路大都是以微处理器为核心的数字电路，其功能主要是接受各种设定信息和指令，再根据它们的要求形成驱动逆变器工作的PWM信号，再根据它们的要求形成驱动逆变器工作的PWM信号。uPWM信号产生信号产生可以由微机本身的软件产生，由PWM端口输出，也可采用专用的PWM生成电路芯片。u检测与保护电路检测与保护电路各种故障的保护由电压、电流、温度等检测信号经信号处理电路进行分压、光电隔离、滤波、放大等综合处理，再进入A/D转换器，输入给CPU作为控制算法的依据，或者作为开关电平产生保护信号和显示信号。自动化教研室转速开环恒压频比调速系统控制系统结构图由于系统本身没有自动限制启、制动电流的作用

47、，因此，频率设定必须通过给定积分算法产生平缓的升速或降速信号up为从0上升到额定频率1N时间， down为额定频率1N降到0的时间，可根据负载需要分别进行选择电压/频率特性为111111NNsNUUff当实际频率1大于或等于额定频率1N时，只能保持额定电压UN不变；而当实际频率1小于额定频率1N时，Us=f(1)一般是带低频补偿的恒压频比控制u信号设定信号设定需要设定的控制信息主要有：U/f 特性、工作频率、频率升高时间、频率下降时间等，还可以有一系列特殊功能的设定。由于通用变频器-异步电动机系统是转速或频率开环、恒压频比控制系统，低频时，进行“电压补偿”或“转矩补偿”。u实现补偿实现补偿多个

48、U/f 函数；按电流大小自动补偿定子电压。u均存在过补偿或欠补偿的可能tff *ufu斜坡函数U / f 曲线脉冲发生器驱动电路工作频率设定升降速时间设定电压补偿设定PWM产生转速闭环转差频率控制的变压变速调速系统转速闭环转差频率控制的变压变速调速系统自动化教研室任何电力拖动自动控制系统都服从于基本运动方程式tnJTTddpLe提高调速系统动态性能主要依靠控制转速的变化率 ，控制电磁转矩就能控制 d / dt ，调速系统调速系统的动态性能就是控制转矩的能力的动态性能就是控制转矩的能力。1. 转差频率控制的基本概念电磁转矩公式2 r2122 rr121gpe3lLsRRsEnTg1sNsm1sN

49、sm1sNsm4.4414.4422Ef N kN kN k2 r2122 rr12m2Ns2spe23lLsRRskNnT三相异步电动机定子每相电动势的有效值2Ns2spm23kNnK1ss2rs2 rrs2mme)(lLRRKT转差角频率电机的结构常数s 值很小rs2mmeRKT在s 值很小的稳态运行范围内，如果能够保持气隙磁通m不变，异步电机的转矩就近似与转差角频率s 成正比。在异步电机中控制s ，能够达到间接控制转矩的目的。控制转差频率就代表控制转矩控制转差频率就代表控制转矩2. 基于异步电机稳态模型的转差频率控制规律 smaxsmTemaxTemsTe0rrrrmaxsllLRLRr

50、2mmmaxe2lLKTrrmaxssmlLR在转差频率控制系统中，只要给s 限幅，就可以基本保持 Te与s 的正比关系，也就可以用转差频率控制来代表转矩控制。自动化教研室Us1RsLlsLlrLmRr /sIsI0IrErEgEs Eg 气隙（或互感）磁通在定子每相绕组中的感应电动势； Es 定子全磁通在定子每相绕组中的感应电动势； Er 转子全磁通在转子绕组中的感应电动势（折合到定子边）。 如何能保持m 恒定？按恒 Eg/1 控制时可保持m恒定。11gs1ssgs1sss)()(ELjRIELjRIUll要实现恒 Eg/1控制，须在Us/1 = 恒值的基础上再提高电压 Us 以补偿定子电流

51、压降。1OsUUs /1=Const.Eg/1=Const.定子电流增大的趋势转差频率控制的规律：（1）在 s sm 的范围内，转矩 Te 基本上与 s 成正比，条件是气隙磁通不变。（2）在不同的定子电流值时，按函数关系 Us = f (1 , Is) 控制定子电压和频率，就能保持气隙磁通m恒定。自动化教研室3. 转差频率控制的变压变频调速系统sUsIFBS电压型逆变器PWMM3 ASRs11saUsbUscU定子频率给定信号 *1*s电压控制电压控制由 1和定子电流反馈信号 Is 从微机存储的 Us = f (1 , Is) 函数中查得定子电压给定信号 Us* ，用 Us* 和 1* 控制P

52、WM电压型逆变器，即得异步电机调速所需的变压变频电源。性能评价性能评价在调速过程中，实际频率1随着实际转速 同步地上升或下降，因此加、减速平滑而且稳定。由于在动态过程中转速调节器ASR饱和，系统能用对应于 sm 的限幅转矩Tem 进行控制，保证了在允许条件下的快速性。静、动态性能还不能完全达到直流双闭环系统的水平，存在差距：所谓的“保持磁通 m恒定”的结论也只在稳态情况下才能成立；Us = f (1 , Is) 函数关系中只抓住了定子电流的幅值，没有控制到电流的相位，而在动态中电流的相位也是影响转矩变化的因素；如果转速检测信号不准确或存在干扰，也就会直接给频率造成误差异步电动机的动态数学模型和

53、坐标变换异步电动机的动态数学模型和坐标变换自动化教研室直流电机直流电机模型模型Udn直流电机的数学模型 直流电机的磁通由励磁绕组产生，可以在电枢合上电源以前建立起来而不参与系统的动态过程(弱磁调速时除外), 因此它的动态数学模型只是一个单输入和单输出系统。Id1/RTls+1TmsR1CeUd0IdlEnKSTSs+1Uct+_+_输入变量电枢电压 Ud ；输出变量转速 n ；控制对象参数：机电时间常数 Tm ；电枢回路电磁时间常数 Tl ；电力电子装置的滞后时间常数 Ts 。在工程上能够允许的一些假定条件下，可以描述成单变量（单输入单输出）的三阶线性系统，完全可以应用经典的线性控制理论和由它

54、发展出来的工程设计方法进行分析与设计。交流电机的数学模型和直流电机模型相比有着本质上的区别交流电机的数学模型和直流电机模型相比有着本质上的区别A1A2Us1(Is)异步电机是一个多变量（多输入多输出）系统，而电压（电流）、频率、磁通、转速之间又互相都有影响，所以是强耦合的多变量系统异步电机变压变频调速时需要进行电压（或电流）和频率的协调控制，有电压（电流）和频率两种独立的输入变量。在输出变量中，除转速外，磁通也得算一个独立的输出变量。模型的非线性、高阶性模型的非线性、高阶性自动化教研室电动机的调速过程本质上就是加速度的产生、存在和消失的过程，而加速度是由转子输出的机械转矩产生的。转子的机械转矩

55、是定子侧的电能通过磁链传递过来的磁场能量转换为机械能量的结果 。在异步电机中，电流乘磁通产生转矩，转速乘磁通得到感应电动势。由于它们都是同时变化的，在数学模型中就含有两个变量的乘积项。tnJTTddpLe三相异步电机定子有三个绕组，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，再算上运动系统的机电惯性，和转速与转角的积分关系，即使不考虑变频装置的滞后因素，也是一个八阶系统。异步电机的动态数学模型是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统。异步电机的动态数学模型是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统。三相异步电动机的多变量非线性数学模型三相异步电动机的多变量非线性数学模型自动化教研室

56、 假设条件：假设条件： （1）忽略空间谐波，设三相绕组对称，在空间互差120电角度，所产生的磁动势沿气隙周围按正弦规律分布； （2）忽略磁路饱和，各绕组的自感和互感都是恒定的； （3）忽略铁心损耗； （4）不考虑频率变化和温度变化对绕组电阻的影响。 无论电机转子是绕线型还是笼型的，都将它等效成三相绕线转子，并折算到定子侧，折算后的定子和转子绕组匝数都相等。定子三相绕组轴线 A、B、C 在空间是固定的，以 A 轴为参考坐标轴；转子绕组轴线 a、b、c 随转子旋转，转子 a 轴和定子A 轴间的电角度 为空间角位移变量。 规定各绕组电压、电流、磁链的正方向符合电动机惯例和右手螺旋定则。磁链方程磁链方

57、程自动化教研室rsrrrssrssrsiiLLLLTCBAsTcbarTiiiCBAsiTiiicbarismsmsmsmssmsmsmssms212121212121llmslLLLLLLLLLLLLssLrmsmsmsmsrmsmsmsmsrms212121212121lllLLLLLLLLLLLLrrLcos)120cos()120cos()120cos(cos)120cos()120cos()120cos(cosmsLTsrrsLLAAAABACAaAbAcABBABBBCBaBbBcBCCACBCCCaCbCcCaaAaBaCaaabacabbAbBbCbabbbcbccAcBcCc

58、acbcccLLLLLLiLLLLLLiLLLLLLiLLLLLLiLLLLLLiLLLLLLi定子自感阵Lss转子自感阵Lrr转子对定子的互感阵Lsr为时变阵，定子对转子的互感阵Lrs也为时变阵电压方程电压方程自动化教研室LmLmABCabcmuA(iA)uB(iB)uC(iC)RsLlsLmLmLlsLlsRsRsRrRrRrLmLm三相定子绕组的电压平衡方程为 tRiuddAsAAtRiuddBsBBtRiuddCsCC三相转子绕组折算到定子侧后的电压方程为 tRiuddaraatRiuddbrbbtRiuddcrccuA, uB, uC, ua, ub, uc 定子和转子相电压的瞬时值

59、；iA, iB, iC, ia, ib, ic 定子和转子相电流的瞬时值；A, B, C, a, b, c 各相绕组的全磁链；Rs, Rr定子和转子绕组电阻。cbaCBAcbaCBArrrssscbaCBA000000000000000000000000000000piiiiiiRRRRRRuuuuuuRiupdddd()ddddptttiLiLuRiLiRiLiRiLiLi电动势中的脉变电动势（或称变压器电动势）电磁感应电动势中与转速成正比的旋转电动势转矩方程转矩方程 自动化教研室转矩方程式表示电量与机械量的关系，即电动机内部通过气隙的机电能量的转换关系。根据机电能量转换原理，在多绕组电机中

60、，在线性电感的条件下，磁场的储能和磁共能为 LiiiTTWW2121mm电磁转矩等于机械角位移变化时磁共能的变化率 （电流约束为常值），且机械角位移 m = / np mmW.constmp.constmmeiiWnWTiLLiiLi002121rssrppeTTnnTcbaCBArsiiiiiiTTTiiirsrssrsrpe21iLiiLiTTnTcos)120cos()120cos()120cos(cos)120cos()120cos()120cos(cosmsLTsrrsLL)120sin()()120sin()(sin)(bCaBcAaCcBbAcCbBaAmspeiiiiiiiii