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1、第六章 笼型异步电动机变压变频调速系统-转差功率不变型系统,6.5 基于异步电动机稳态模型的变压 变频调速,转速开环恒压频比控制调速系统通用变频器-异步电动机调速系统转速闭环转差频率控制的变压变频调速系统,转速开环恒压频比控制调速系统, 引言,直流电机的主磁通和电枢电流分布的空间位置是确定的，而且可以独立进行控制，交流异步电机的磁通则由定子与转子电流合成产生，它的空间位置相对于定子和转子都是运动的，除此以外，在笼型转子异步电机中，转子电流还是不可测和不可控的。因此，异步电机的动态数学模型要比直流电机模型复杂得多，在相当长的时间里，人们对它的精确表述不得要领。,好在不少机械负载，例如风机和水泵，
2、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。,如果要求更高一些的调速范围和起制动性能，可以采用转速闭环转差频率控制的方案。 本节中将分别介绍这两类基于稳态数学模型的变压变频调速系统。,转速开环恒压频比控制调速系统,异步电机的稳态数学模型如本章第6.2节所述，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。,转速开环恒压频比控制调速系统,6.5.1 转速开环恒压频比控制调速系统,概述 现代通用变频器大都是采用二极管整流和由快速全控开关器件 IGBT 或功率模块IPM 组成
3、的PWM逆变器，构成交-直-交电压源型变压变频器，已经占领了全世界0.5-500KVA 中、小容量变频调速装置的绝大部分市场。,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的负载。,转速开环恒压频比控制调速系统,1. 系统组成,图6-37绘出了一种典型的数字控制通用变频器-异步电动机调速系统原理图。,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。,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
4、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将其短路，以免长期接入时影响变频器的正常工作，并产生附加损耗。,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通路，所以除特殊情况外，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。,转速开环恒压频比控制调速系统,图6-38 三相二极管整流电路的输入电流波形,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，
5、因此输入电流呈脉冲波形，如图6-38所示。,这样的电流波形具有较大的谐波分量，使电源受到污染。 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。,控制电路现代PWM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。微机芯片主要采用8位或16位的单片机，或用32位的DSP。,PWM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
6、成电路芯片。,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。,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。,转速开环恒压频比控制调速系统,一种是在微机中存储多条不同斜率和折线段的U / f 函数，由用户根据需要选择最佳特性；另一种办法是采用霍耳电流传感器检测定子电流或直流回路电流，按电流大小自动补偿定子电压。但无论如何都存在过补偿或欠补偿的可能，这是开环控制系统的不
7、足之处。,给定积分由于系统本身没有自动限制起、制动电流的作用，因此，频率设定信号必须通过给定积分算法产生平缓升速或降速信号，升速和降速的积分时间可以根据负载需要由操作人员分别选择。,实现补偿的方法有两种：,工作频率设定,升降速时间设定,电压补偿设定,PWM产生,图6-39 PWM变压变频器的基本控制作用,综上所述，,转速开环恒压频比控制调速系统,转速闭环转差频率控制调速系统,问题的提出 前节所述的转速开环变频调速系统可以满足平滑调速的要求，但静、动态性能都有限，要提高静、动态性能，首先要用转速反馈闭环控制。转速闭环系统的静特性比开环系统强，这是很明显的，但是，是否能够提高系统的动态性能呢？还得
8、进一步探讨一下。,电力传动的基本控制规律,任何电力拖动自动控制系统都服从于基本运动方程式 提高调速系统动态性能主要依靠控制转速的变化率 d / dt ，根据基本运动方程式，控制电磁转矩就能控制 d / dt ，因此，归根结底，调速系统的动态性能就是控制转矩的能力。,转速闭环转差频率控制调速系统,在异步电机变压变频调速系统中，需要控制的是电压（或电流）和频率，以便提高动态性能。,转速闭环转差频率控制调速系统,怎样能够通过控制电压（电流）和频率来控制电磁转矩呢?,主要从三个方面加以分析1转差频率控制的基本概念2.稳态模型的转差频率控制规律 3. 组成系统,1. 转差频率控制的基本概念,直流电机的转
9、矩与电枢电流成正比，控制电流就能控制转矩，因此，把直流双闭环调速系统转速调节器的输出信号当作电流给定信号，也就是转矩给定信号。在交流异步电机中，影响转矩的因素较多，控制异步电机转矩的问题也比较复杂。,转速闭环转差频率控制调速系统,将,按照第6.2.2节恒 Eg /1 控制（即恒 m 控制）时的电磁转矩公式（6-12）为,（6-12）,转速闭环转差频率控制调速系统,代入上式，得,（6-59）,转速闭环转差频率控制调速系统,则 当电机稳态运行时，s 值很小，因而 s也很小，只有1的百分之几，可以认 为 s Llr Rr ，则转矩可近似表示为,转速闭环转差频率控制调速系统,（6-61）,式（6-61
10、）表明，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。这就是说，在异步电机中控制s ，就和直流电机中控制电流一样，能够达到间接控制转矩的目的。,转速闭环转差频率控制调速系统,控制转差频率就代表控制转矩，这就是转差频率控制的基本概念。,2. 基于异步电机稳态模型的转差频率控制规律,上面分析所得的转差频率控制概念是在转矩近似公式（6-61）上得到的，当s 较大时，就得采用式（6-60）的精确转矩公式。,（6-61）,可以看出：在s 较小的稳态运行段上，转矩 Te基本上与s 成正比，当Te 达到其最大值Temax 时，s 达到smax值。,图6
11、-40 按恒m值控制的 Te=f (s ) 特性,转速闭环转差频率控制调速系统,对于式（6-60），取 dTe / ds = 0 可得,（6-63）,（6-62）,转速闭环转差频率控制调速系统,在转差频率控制系统中，只要给s 限幅，使其限幅值为,（6-64）,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。这是转差频率控制的基本规律之一。,转速闭环转差频率控制调速系统,（6-65）,转速闭环转差频率控制调速系统,上述规律是在保持m恒定的前提下才成立的，于是问题又转化为，如何能保持m 恒定？,我们知道，按恒 Eg/1 控制时可保持m恒定。在下面图6-5的等效电路中可得
12、：,图6-5 异步电动机稳态等效电路和感应电动势,由此可见，要实现恒 Eg/1控制，须在Us/1 = 恒值的基础上再提高电压 Us 以补偿定子电流压降。 如果忽略电流相量相位变化的影响，不同定子电流时恒 Eg/1 控制所需的电压-频率特性 Us = f (1, Is) 如下图所示。,转速闭环转差频率控制调速系统,图6-41 不同定子电流时恒控制所需的电压-频率特性,O,Us /1=Const.,Eg/1=Const.,定子电流增大的趋势,转速闭环转差频率控制调速系统,上述关系表明，只要 Us 和1及 Is 的关系符合上图所示特性，就能保持 Eg/1 恒定，也就是保持 m 恒定。这是转差频率控制
13、的基本规律之二。,（2）在不同的定子电流值时，按上图的函数关系 Us = f (1 , Is) 控制定子电压和频率，就能保持气 隙磁通m恒定。,转速闭环转差频率控制调速系统,总结起来，转差频率控制的规律是：,（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。,3. 转差频率控制的变压变频调速系统,系统组成控制原理性能评价,转速闭环转差频率控制调速系统,系统组成,FBS,电压型逆变器,M3 ,ASR,图6-42 转差频率控制的转速闭环变压变频调速系统结构原理图,PWM,转速闭环转差频率控制调速系统,控制原理,实现上述转差频率控制规律的转速闭环变压变频调速系统结构
14、原理图如图6-42所示。频率控制转速调节器ASR的输出信号是转差频率给定 s* ，与实测转速信号 相加，即得定子频率给定信号 1* ，即,（6-66）,转速闭环转差频率控制调速系统,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PWM电压型逆变器，即得异步电机调速所需的变压变频电源。,转速闭环转差频率控制调速系统,性能评价,式（6-66）所示的转差角频率 s*与实测转速信号 相加后得到定子频率输入信号 1* 这一关系是转差频率控制系统突出的特点或优点。它表明，在调速过程中，实际频率1随着实际
15、转速 同步地上升或下降，有如水涨而船高，因此加、减速平滑而且稳定。,转速闭环转差频率控制调速系统,同时，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。,（6-66）,由此可见，转速闭环转差频率控制的交流变压变频调速系统能够象直流电机双闭环控制系统那样具有较好的静、动态性能，是一个比较优越的控制策略，结构也不算复杂。,转速闭环转差频率控制调速系统,然而，它的静、动态性能还不能完全达到直流双闭环系统的水平，存在差距的原因有以下几个方面：,（1）在分析转差频率控制规律时，是从异步电机稳态等效电路和稳态转矩公式出发的，所谓的“保持磁
16、通 m恒定”的结论也只在稳态情况下才能成立。在动态中 m如何变化还没有深入研究，但肯定不会恒定，这不得不影响系统的实际动态性能。,转速闭环转差频率控制调速系统,（2）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。,（3）在频率控制环节中，取 1 = s + ，使频率得以与转速同步升降，这本是 转差频率控制的优点。然而，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，因为所有这些偏差和干扰都以正反馈的形式毫无衰减地传递到频率控制信号上来了。,讲作业,习题： 要求： 1. 按时交作业，过期不改； 2. 书写认真，文字整齐，抄题目； 3. 数据精确到小数点后两位； 4. 不会做可以空着，不需要抄袭； 5. 可以几人讨论后一起答题，作业本上注明。,
