自动控制系统课件第六章陈伯时

北京工商大学计算机与信息工程学院BeijingTechnology&BusinessUniversity第6章笼型异步电机变压变频调速系统北京工商大学计算机与信息工程学院BeijingTechnology&BusinessUniversity本章提要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北京工商大学计算机与信息工程学院BeijingTechnology&BusinessUniversity6.1变压变频调速的基本控制方式电机调速希望保持电机中每极磁通量m为额定值不变。磁通太弱，没有充分利用电机的铁心；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。直流电机的励磁系统独立，只要对电枢反应有恰当的补偿，容易达到m保持不变。交流异步电机中的磁通m由定子和转子磁势合成产生，难以保持磁通恒定。三相异步电机定子每相电动势mNs1gΦ44.4SkNfE式中：Eg—气隙磁通在定子每相中感应电动势的有效值，单位为V；—定子频率，单位为Hz；—定子每相绕组串联匝数；—基波绕组系数；—每极气隙磁通量，单位为Wb。f1NskNsm北京工商大学计算机与信息工程学院BeijingTechnology&BusinessUniversity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，使1gfE常值恒值电动势频率比的控制方式绕组中的感应电动势难以直接控制，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，则得常值1fUs恒压频比的控制方式北京工商大学计算机与信息工程学院BeijingTechnology&BusinessUniversity带压降补偿的恒压频比控制特性OUsf1UsNf1Na—无补偿b—带定子压降补偿在低频时Us和Eg都较小，定子阻抗压降所占的份量就比较显著，不再能忽略，需要人为地抬高电压Us。近似地补偿定子压降。北京工商大学计算机与信息工程学院BeijingTechnology&BusinessUniversity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。北京工商大学计算机与信息工程学院BeijingTechnology&BusinessUniversity异步电机变压变频调速的控制特性f1N恒转矩调速UsUsNΦmNΦm恒功率调速ΦmUsf1O在基频以下，磁通恒定时转矩也恒定，“恒转矩调速”在基频以上，转速升高时转矩降低，“恒功率调速”北京工商大学计算机与信息工程学院BeijingTechnology&BusinessUniversity6.2异步电动机电压－频率协调控制时的机械特性恒压恒频正弦波供电时异步电动机的机械特性基频以下电压-频率协调控制时的机械特性基频以上恒压变频时的机械特性恒流正弦波供电时的机械特性北京工商大学计算机与信息工程学院BeijingTechnology&BusinessUniversity恒压恒频正弦波供电时异步电动机的机械特性当定子电压Us和电源角频率1恒定时，异步电机正弦波供电时的机械特性方程：2'rs2122'rs'r121spe)()(3llLLsRsRRsUnT当s很小时，可忽略上式分母中含s各项，则sRsUnT'r121spe3当s很小时，转矩近似与s成正比，机械特性Te=f（s）是一段直线当s接近于1时，可忽略上式分母中的Rr'，则sLLRsRUnTll1])([32'rs212s'r121spe即s接近于1时转矩近似与s成反比，机械特性Te=f（s）是对称于原点的一段双曲线。北京工商大学计算机与信息工程学院BeijingTechnology&BusinessUniversity恒压恒频正弦波供电时异步电机的机械特性smnn0sTe010TeTemaxTemax北京工商大学计算机与信息工程学院BeijingTechnology&BusinessUniversity基频以下电压-频率协调控制时的机械特性（1）恒压频比控制（Us/1=恒值）p10260nn21sper13UnTRs'带负载时的转速降落为1p0260snsnn同步转速随频率变化当Us/1为恒值时，对于同一转矩Te，s1基本不变，因而n也基本不变。即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。和直流他励电机变压调速时的情况基本相似。2'rs21s1s21spmaxe)(123llLLRRUnT北京工商大学计算机与信息工程学院BeijingTechnology&BusinessUniversity恒压频比控制时变频调速的机械特性eTOnN0n03n02n01nN1111213131211N1补偿定子压降后的特性最大转矩Temax随着的1降低而减小。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。北京工商大学计算机与信息工程学院BeijingTechnology&BusinessUniversity异步电动机稳态等效电路和感应电动势Us1RsLlsL’lrLmR’r/sIsI0I’rEgEsErEg—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）。北京工商大学计算机与信息工程学院BeijingTechnology&BusinessUniversity（2）恒Eg/1控制在电压－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），可知，无论频率高低，每极磁通m均为常值。2'r212'rg'rlLsREI2'r2122'r'r121gp'r2'r212'r2g1pe33llLsRRsEnsRLsREnT当s很小时，可忽略上式分母中含s项，则sRsEnT'r121gpe3这表明机械特性的这一段近似为一条直线。当s接近于1时，可上式分母中的Rr'2项，则sLsREnTl132'r1'r21gpe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。北京工商大学计算机与信息工程学院BeijingTechnology&BusinessUniversity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，即s值要更大一些才能使该项占有显著的份量，从而不能忽略，因此恒Eg/1特性的线性段范围更宽。对s求导，并令dTe/ds=0，可得恒Eg/1控制特性在最大转矩时的转差率'r1'rmlLRs最大转矩'r21gpmaxe123lLEnT当Eg/1为恒值时，Temax恒定不变，稳态性能优于恒Us/1控制的性能。北京工商大学计算机与信息工程学院BeijingTechnology&BusinessUniversity恒Eg/1控制时变频调速的机械特性eTOnN0n03n02n01nN1111213131211N1Temax北京工商大学计算机与信息工程学院BeijingTechnology&BusinessUniversity（3）恒Er/1控制如果把电压－频率协调控制中的电压再进一步提高，把转子漏抗上的压降也抵消掉，得到恒Er/1控制，则sREI/'rr'r'r121rp'r2'r2r1pe33RsEnsRsREnT机械特性是一条直线，稳态性能最好，与直流电机的线性机械特性一样，即高性能交流变频调速性能北京工商大学计算机与信息工程学院BeijingTechnology&BusinessUniversity不同电压－频率协调控制方式时的机械特性0s10Te恒Er/1控制恒Eg/1控制恒Us/1控制abc北京工商大学计算机与信息工程学院BeijingTechnology&BusinessUniversity按照电动势和磁通的关系，可知，当频率恒定时，电动势与磁通成正比。气隙磁通的感应电动势Eg对应于气隙磁通幅值m，那么，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：rmNs1rΦ44.4skNfE由此可见，只要能够按照转子全磁通幅值rm为常数进行控制，就可以获得恒Er/1。这正是矢量控制系统所遵循的原则。北京工商大学计算机与信息工程学院BeijingTechnology&BusinessUniversity几种协调控制方式的比较（1）恒压频比（Us/1=Constant）控制最容易实现，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，但低速带载能力较差，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，产生转矩的能力受到限制。（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性，按照转子全磁通rm恒定进行控制，即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，实现复杂。北京工商大学计算机与信息工程学院BeijingTechnology&BusinessUniversity基频以上恒压变频时的机械特性在基频以上变频调速时，定子电压Us=UsN不变，机械特性方程式为2'rs2122'rs1'r2sNpe)()(3llLLsRsRsRUnT最大转矩表达式为2'rs212ss12sNpmaxe)(123llLLRRUnTp10260nn同步转速为北京工商大学计算机与信息工程学院BeijingTechnology&BusinessUniversity基频以上恒压变频调速的机械特性恒功率调速eTOnN0nc0nb0na0nN1a1b1c1c1b1a1N1由于频率提高而电压不变，气隙磁通势必减弱，导致转矩减小，转速升高，认为输出功率基本不变。基频以上变频调速属于弱磁恒功率调速北京工商大学计算机与信息工程学院BeijingTechnology&BusinessUniversity恒流正弦波供电时的机械特性在变频调速时，保持异步电机定子电流的幅值恒定，叫作恒流控制，电流幅值恒定是通过带PI调节器的电流闭环控制实现的，系统不仅安全可靠而且具有良好的动静态性能。转子电流计算设电流波形为正弦波，即忽略电流谐波，可得)()('rm1'rm1s'r1'r'r1'rm1'r1'rm1s'rllllLLjsRLjILjsRLjsRLjLjsRLjII电流幅值为2'rm212'rsm1'r)(lLLsRILI北京工商大学计算机与信息工程学院BeijingTechnology&BusinessUniversity电磁转矩公式2'rm212'r'r2s2m211p'r2'r1pe)()(33lLLsRsRILnsRInT2'rm2122'r'r2s2m1p)(3lLLsRsRILn最大转矩