第5讲-异步电动机的标量控制

1、第5讲：异步电动机的标量控制5-1 恒压频比控制（V/F控制）5-2 转差频率控制1异步电动机变频调速的转矩控制方式（）V/F控制（）转差频率控制（）矢量控制（磁场定向控制）（）直接转矩控制属于标量控制属于矢量控制所谓标量控制(scarlar control)就是只对变量的大小进行控制。所谓矢量控制( vector control)是对变量的大小和相位同时进行控制。2 异步电动机的动态模型非常复杂，稳态模型则相对简单。对于象风机、水泵这样的负载，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，因此可以根据电动机的稳态模型进行控制，即采用带低频电压补偿的V/F控制。对调速范围和起

2、制动性能要求高一些的负载，可采用转差频率控制方案。本讲分别介绍两类基于电动机稳态模型的变压变频调速系统。3 5-1 恒压频比控制（V/F控制 ）1、V/F控制的基本原理当电机运行频率较高时，使定子电压与定子频率保持同比变化，当电机运行频率较低时，为了抵消定子绕组压降对电机转矩的影响，对定子电压进行适当补偿，从而保证近似恒磁通。fsUs V/F比恒定控制是异步电动机变频调速的基本控制方法，它的基本出发点是控制磁通恒定，实现转矩控制。 42、PWM电压型逆变器转速开环恒压频比控制系统 (1)系统框图 主电路由二极管整流器、滤波电容和电压型逆变器组成通用变频器。 给定信号电机定子频率fs* V/F控

3、制：Us*=Gfs*图5-1 使用PWM电压型逆变器的异步电机转速开环恒压频比控制二极管整流器PWM逆变器IMCGsU*ACfs*Hfs*s*U0Ufs*5 V/F控制要考虑(注意)的问题 为减小定子电阻压降对磁通的影响，函数G要考虑低频电压补偿U0。电压补偿U0太小会造成转矩不足，电压补偿U0太大会造成电机磁通饱和，定子电流过大。s*U0Ufs*G环节的功能示意图二极管整流器PWM逆变器IMCGsU*ACfs*Hfs*6 为防止起动时因转差频率过大而引起过电流需要限制加速时间；同样道理为防止减速时因转差频率过大而引起过电流和过电压需要限制减速时间。 加速过快会引起输出过流，减速过快会引起输出

4、过流和中间直流侧过压。二极管整流器PWM逆变器IMCGsU*ACfs*Hfs*fs*H环节的功能示意图fs*n73、转速闭环的恒压频比控制 转速开环的变频调速系统可以满足平滑调速的要求，但其静态、动态性能都是有限的，要提高静态性能，可采用转速反馈闭环控制。8(1)系统框图 给定信号电机速度指令fr*； 速度指令fr*与实际速度fr相比较，速度误差经过速度调节器给出定子频率指令；图5-2 使用PWM电压型逆变器的异步电机转速闭环恒压频比控制fs*G二极管整流器PWM逆变器IMAC速度调节器电流限制速度传感器_+_+frfr*Us*H9 在产生定子频率指令时，加入了电流限制信号，它只在电流超过限制

5、值时才起作用（通过限制定子频率指令fs*来限制转差频率，防止电动机失速）； V/F控制：Us*=Gfs* 。 s*U0Ufs*G环节的功能示意图fs*G二极管整流器PWM逆变器IMAC速度调节器电流限制速度传感器_+_+frfr*Us*H104、V/F控制的特点： 控制系统简单，容易实现；负载变化时稳速性能差，难以准确控制电机转速（转速闭环除外）。 动态性能差，加、减速过快会造成电机失速（转差频率fsl超过最大转矩所对应的转差频率fslm）。 另外，对电压型逆变器来说，加速过快会引起输出过流，减速过快会引起输出过流和中间直流侧过压。115、V/F控制的应用： V/F控制是一种基于异步电动机稳态

6、模型的控制方案，用于不需要很高动态性能的场合，如风机、水泵的调速。通用变频器通常采用这种控制方案。 所谓“通用”包含两个方面的含义：一是可以和普通笼型异步电动机配套使用；二是具有多种可供选择的功能，适合于不同性质的负载。如：125-2 转差频率控制 一、转差频率控制的提出 (V/F)开环控制的缺陷：开环变频调速系统，可以满足一般平滑调速的要求，但静态、动态性能都有限。 静态性能的提高可通过转速闭环控制来实现。13 要提高调速系统的动态性能，主要依靠控制转速的变化率d/dt，因此调速系统的动态性能归根结底要改善对转矩的控制。 分析： 任何电气传动自动控制系统都服从基本运动方程式：动态性能如何提高

7、? 14回顾第3讲内容异步电动机稳态运行时所产生的转矩：如何控制转矩？！恒磁通运行结论1：电磁转矩由转差频率fsl决定，与定子频率fs无关。！恒磁通运行结论2：当转差频率fsl 较小时，电机转矩与转差频率fsl成正比。 15也就是说，在转差频率fsl很小时，只要维持Eg/fs=const，即维持气隙磁通m不变，则异步电动机的电磁转矩近似与转差频率成正比，因此通过控制转差频率可达到间接控制电磁转矩的Te目的。16注意：转差频率控制转矩的两个条件 保持气隙磁通m一定； 转差频率很小（即fslfslm）。二、转差频率控制的基本原理 保持气隙磁通m一定，在转差频率很小的范围内（即fslfslm范围内）

8、异步电机的电磁转矩Te与转差频率fsl近似成正比，通过控制转差频率fsl间接控制电磁转矩Te。17气隙磁通m恒定的实现方法 通过控制电压/频率比实现； 如何实现气隙磁通m恒定？恒磁通运行的条件：18 通过控制定子电流Is来实现。 按右图所示的关系调节定子电流就能保持励磁电流（磁通）不变！图5-4 激磁电流Im不变时定子电流与转差频率的关系 wslIsIm0191、电压型逆变器转差频率控制 (1)系统框图三、转差频率控制系统图5-5 使用电压型逆变器的异步电机转差频率控制二极管整流器PWM逆变器IMfs*PI调节器速度传感器G_+Us*fr*frfsl*fr20 给定信号电机速度指令fr*； 速

9、度指令fr*与实际速度fr相比较得速度误差信号，速度误差经过带限幅输出的PI调节器(速度调节器)后得到转差频率指令f*sl。该转差频率指令与实际转速fr相加产生定子频率指令f*s； PI调节器具有限幅功能(使fsl*fsm)。二极管整流器PWM逆变器IMfs*PI调节器速度传感器G_+Us*fr*frfsl*fr21 控制该频率指令f*s再通过一个V/F函数发生器产生电压指令值U*s，该发生器含有低频定子电压补偿。图5-5 使用电压型逆变器的异步电机转差频率控制二极管整流器PWM逆变器IMfs*PI调节器速度传感器G_+Us*fr*frfsl*frs*U0Ufs*G环节的功能示意图22f*s=

10、f*sl+fr这个关系是转差频率控制的突出特点。它表明，在调速过程中定子频率随着实际转速同步上升或下降，因此加、减速平滑、稳定。同时，由于动态过程中PI调节器饱和，系统能用对应于电机最大转差频率的最大限幅电磁转矩进行控制，保证了快速性。23注意：图5-5与图5-2，PI调节器的输出量不同，这使得两者在定子频率给定上存在本质性区别。图5-2 使用PWM电压型逆变器的异步电机转速闭环恒压频比控制fs*G二极管整流器PWM逆变器IMAC速度调节器电流限制速度传感器_+_+frfr*Us*H图5-2的频率给定与实际转速关联性不大；图5-5的频率给定与实际转速直接相关。24252、（电流控制型）电压型逆

11、变器转差频率控制 速度调节器的作用与上个例子相同。转差频率指令fsl*经过函数发生器产生逆变器的电流指令Is*。图5-6 使用电压型逆变器的异步电机转差频率控制二极管整流器PWM逆变器IMPWM发生器PWM发生器PWM发生器+_+_+_波形发生器+函数发生器+_PI调节器fr*frfrfsl*Is*fs*ia*ib*ic*iaibic26四、转差频率控制的优点与不足1、与V/F控制相比具有以下优点：由于频率控制环节的输入是转差频率信号，而定子频率信号是由转差频率信号与实际转速信号相加后得到的，因此定子频率fs随着实际转速n(fr)同步地上升或下降，加、减速比较平滑，且容易使系统稳定（不会出现失

12、速）；在动态调节过程中转速调节器饱和，系统以最大转矩进行控制，保证了动态调节的快速性；转速调节器采用无静差调节器，可实现无静差控制。272、与直流电机双闭环系统相比，动态性能还存在差距，原因有以下几点： 主要原因1转差频率控制规律建立在异步电机稳态等值电路和稳态转矩公式的基础上，因此所得到的“恒磁通条件”只在稳态情况下才能成立。在动态过程中，由于电机电磁惯性的作用，m肯定不会恒定，这将影响系统的实际动态性能； 主要原因2只控制了定子电流的幅值，没有控制定子电流的相位，而在动态调节中电流相位如果不能及时跟上，将延缓动态转矩的变化；28 函数Is=f(sl) 是非线性的，产生这样的函数肯定会有误差

13、； 系统特性在很大程度上依赖于转速的检测精度，因为很小的转速误差便会引起很大的转差频率误差，使系统偏离理想情况。wslIsIm029 基于上述问题，许多学者提出了各种改进方案，但最具革命性的方案当属矢量控制（磁场定向控制）。矢量控制理论建立在异步电动机的动态模型基础上，基本思想是把异步电动机的转矩控制模拟成直流电动机的转矩控制。30本章应掌握的主要内容：V/F控制的原理及特点转差频率控制的原理及控制框图采用转差频率控制时，在电机起动、停止或负载转矩变化时转差频率的变化。31专题报告2：异步电动机起动过程分析利用MATLAB Simulink中SimPowerSystem模块，进行异步电动机起动

14、过程仿真：直接起动降压起动恒压频比控制32电机为2.2kW三相鼠笼式异步电动机，参数如下：参数名称数值单位额定功率2.2kW额定转速1430rpm定子电阻2.92 转子电阻1.92 定子漏感0.013H转子漏感0.013H定转子互感0.358H极对数2转动惯量0.1kg*m2恒转矩负载5N*m33仿真激励源参数如下：直接起动时，电机端电压为380Vrms/50Hz；降压起动时，电机端电压频率为50Hz，有效值由0Vrms增加至380Vrms；恒压频比控制采用电压源型逆变器，直流侧电压为540Vdc，电机端电压频率为由0Hz增加至50Hz，交流电压有效值由0Vrms增加至380Vrms。34仿真

15、结果：主要对起动的速度、起动电流、起动转矩进行对比分析降压起动中升压时间、V/f比控制中加速时间对起动电流及起动转矩的影响进行分析形成仿真报告。 35评价标准：项目仿真结果对比分析报告规范性比例6%2%2%评价标准完成全部三个仿真且结果正确对各种起动过程中起动电流、转矩形成原因分析正确符合科技报告格式361、通用变频器-异步电动机系统采用转速开环的V/F控制， 加速时间过短会造成什么后果？ 减速时间过短会造成什么后果？ 低频补偿电压设置的不合适会造成什么后果？ 起动频率设置过大会造成什么后果？ 思 考 题参考解答： 变频器过电流 变频器过电压流及过电压 低频补偿电压设置过低会造成电机起动转矩不

16、足及负载电流过大，引起变频器过电流；补偿电压设置过高会造成励磁电流过大，引起变频器过电流。 起动频率设置过大会引起变频器过电流。 372、变频调速系统采用转差频率控制时是否还需要设置加、减速时间？3、恒磁通的条件是什么？如何实现恒磁通？参考解答： 不需要参考解答：(1)恒磁通的条件：(2)实现方法通过控制电压/频率比实现；通过控制定子电流Is来实现。思 考 题384、交流异步电机的转差频率控制基本具备了直流电机双闭环控制的优点，但在动态性能方面还存在差距，其主要原因是什么？参考解答：(1)主要原因1转差频率控制规律建立在异步电机稳态等值电路和稳态转矩公式的基础上，因此所得到的“恒磁通条件”只在稳态情况下才能成立。在动态过程中，由于电机电磁惯性的作用，m肯定不会恒定，这将影响系统的实际动态性能；(2)主要原因2只控制了定子电流的幅值，没有控制定子电流的相位，而