《第5章-基于稳态模型的异步电动机调速系统ppt课件.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第5章-基于稳态模型的异步电动机调速系统ppt课件.ppt（118页珍藏版）》请在三一办公上搜索。
1、电力拖动自动控制系统 运动控制系统,第5章,基于稳态模型的异步电动机调速系统,基于稳态模型的异步电动机调速,在基于稳态模型的异步电动机调速系统中，采用稳态等值电路来分析异步电动机在不同电压和频率供电条件下的转矩与磁通的稳态关系和机械特性，并在此基础上设计异步电动机调速系统。,基于稳态模型的调速方法,常用的基于稳态模型的异步电动机调速方法有调压调速和变压变频调速两类。,5.1 异步电动机稳态数学模型和调速方法,异步电动机稳态数学模型包括异步电动机稳态等值电路和机械特性，两者既有联系，又有区别。稳态等值电路描述了在一定的转差率下电动机的稳态电气特性。机械特性则表征了转矩与转差率（或转速）的稳态关系
2、。,5.1.1异步电动机稳态数学模型,转差率与转速的关系,或,电动机极对数,供电电源频率,同步转速,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示于图5-1。,一、异步电动机等效电路,R s、R r 定子每相电阻和折合到定子侧的 转子每相电阻；L l s、L l r 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。,二、异步电动机的机械特性,异步电动机传递的电磁功率,机械同步角速度,异步电动机的电磁转矩（机械特性方程式）,上式表明，当转速或
3、转差率一定时，电磁转矩与定子电压的平方成正比。,对s求导，并令,1、最大转矩，又称临界转矩：,2、临界转差率：对应最大转矩的转差率,假如将机械特性方程式分母展开,当s很小时，忽略分母中含s各项,转矩近似与s成正比，机械特性近似为直线,当s较大时，忽略分母中s的一次项和零次项,转矩近似与s成反比，机械特性是一段双曲线,异步电动机的机械特性,异步电动机由额定电压、额定频率供电，且无外加电阻和电抗时的机械特性方程式，称作固有特性。,图5-3 异步电动机的机械特性,5.1.2异步电动机的调速方法与气隙磁通,异步电动机的调速方法 所谓调速，就是人为地改变机械特性的参数，使电动机的稳定工作点偏离固有特性，
4、工作在人为机械特性上，以达到调速的目的。,异步电动机的调速方法,由异步电动机的机械特性方程式,可知，改变的参数可分为3类：1、电动机参数；2、电源电压；3、电源频率（或角频率）。,异步电动机的气隙磁通,三相异步电动机定子每相电动势的有效值,忽略定子绕组电阻和漏磁感抗压降,气隙磁通,为了保持气隙磁通恒定，应使,或近似为,5.2 异步电动机调压调速,保持电源频率为额定频率，只改变定子电压的调速方法称作调压调速，又称作降压调速。,5.2.1 异步电动机调压调速的主电路,图5-4 晶闸管交流调压器调速,TVC 双向晶闸管交流调压器 a)不可逆电路b)可逆电路,5.2.2 异步电动机调压调速的机械特性,
5、调压调速的机械特性表达式,电磁转矩与定子电压的平方成正比,不同电压下的机械特性便如图5-5所示，UsN表示额定定子电压。,n0,TL,UsN,0.7UsN,A,B,C,F,D,E,0.5UsN,风机类负载特性,恒转矩负载特性,图5-5 异步电动机不同电压下的机械特性,为了能在恒转矩负载下扩大调速范围，并使电机能在较低转速下运行而不致过热，就要求电机转子有较高的电阻值，这样的电机在变电压时的机械特性绘于图5-6。显然，带恒转矩负载时的变压调速范围增大了，堵转工作也不致烧坏电机，这种电机又称作交流力矩电机。,交流力矩电机的机械特性,n0,UsN,0.7UsN,A,B,C,0.5UsN,恒转矩负载特
6、性,图5-5 高转子电阻电动机（交流力矩电动机）在不同电压下的机械特性,5.2.3 闭环控制的调压调速系统,要求带恒转矩负载的调压系统具有较大的调速范围时，往往须采用带转速反馈的闭环控制系统。,图5-7 带转速负反馈闭环控制的交流调压调速系统,系统静特性,*5.2.4 降压控制应用（略）,5.3 异步电动机变压变频调速,变压变频调速是改变异步电动机同步转速的一种调速方法，同步转速随频率而变化,在进行电机调速时，常须考虑的一个重要因素是：希望保持电机中每极磁通量 m 为额定值不变。如果磁通太弱，没有充分利用电机的铁心，是一种浪费；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
7、因绕组过热而损坏电机。,5.3.1 变压变频调速的基本原理,异步电动机的实际转速,稳态速降,随负载大小而变化,气隙磁通控制,只要控制,由式5-11可知，只要控制好 Eg 和 f1，便可达到控制磁通m 的目的，对此，需要考虑基频（额定频率）以下和基频以上两种情况。,1.基频以下调速,由式（5-11）可知，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,常值（5-26）,即采用恒值电动势频率比的控制方式。,恒压频比的控制方式,然而，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，则得（6-3）
8、这是恒压频比的控制方式。,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。这时，需要人为地把电压 Us 抬高一些，以便近似地补偿定子压降。带定子压降补偿的恒压频比控制特性示于下图中的 b 线，无补偿的控制特性则为a 线。,带压降补偿的恒压频比控制特性,a 无补偿,b 带定子压降补偿,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。把基频以下和基频以上两种情况的控制特性画在一起，如下图所示。,变压变频控制特性,图6-
9、2 异步电机变压变频调速的控制特性,Us,mN,m,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。按照电力拖动原理，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”。,5.3.2 变压变频调速时的机械特性,基频以下采用恒压频比控制 异步电动机机械特性方程式改写为,基频以下调速：,当s很小时，忽略上式分母中含s各项，,或,基频以下调速,对于同一转矩，转速降落基本不变,在恒压频比的条件下把频率向下调节时，机械特性基本上是平行下移的。,基频以下调速,临界转矩,随着频率的降低而
10、减小。当频率较低时，电动机带载能力减弱，采用低频定子压降补偿，适当地提高电压，可以增强带载能力。,基频以下调速,转差功率,与转速无关，故称作转差功率不变型。,基频以上调速,电压不能从额定值再向上提高，只能保持不变，机械特性方程式可写成,临界转矩表达式,基频以上调速,临界转差,当s很小时，忽略上式分母中含s各项,或,基频以上调速,带负载时的转速降落,对于相同的电磁转矩，角频率越大，转速降落越大，机械特性越软，与直流电动机弱磁调速相似。,基频以上调速,转差功率,带恒功率负载运行时,转差功率基本不变，所以看书。,变压变频调速时的机械特性,图5-11 异步电动机变压变频调速机械特性,变压变频调速,在基
11、频以下，由于磁通恒定，允许输出转矩也恒定，属于“恒转矩调速”方式。在基频以上，转速升高时磁通减小，允许输出转矩也随之降低，由于转速上升，允许输出功率基本恒定，属于“近似的恒功率调速”方式。,5.3.3 基频以下电压补偿控制,在基频以下运行时，采用恒压频比的控制方法具有控制简便的优点。但负载的变化时定子压降不同，将导致磁通改变，须采用定子电压补偿控制。根据定子电流的大小改变定子电压，以保持磁通恒定。,异步电动机等效电路,三种磁通:,气隙磁通在定子每相绕组中的感应电动势,定子全磁通在定子每相绕组中的感应电动势,转子全磁通在定子每相绕组中的感应电动势,1、恒定子磁通控制,保持定子磁通恒定：,定子电动
12、势不好直接控制，能够直接控制的只有定子电压，按,补偿定子电阻压降，就能够得到恒定子磁通。,常值,2、恒气隙磁通控制,保持气隙磁通恒定：,定子电压：,除了补偿定子电阻压降外，还应补偿定子漏抗压降。,常值,3、恒转子磁通控制,如果希望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。那么，机械特性会怎样呢？由此可写出：,（5-53）,代入电磁转矩基本关系式，得,（5-54）,现在，不必再作任何近似就可知道，这时的机械特性完全是一条直线，见图5-13。,几种电压频率协调控制方式的特性比较,图5-13 不同电压频率协调控制方式时的机械特性,恒 Er/1 控制,恒
13、 Eg/1 控制,恒 Us/1 控制,a,b,c,4、几种协调控制方式的比较,综上所述，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性，按照转子全磁通 rm 恒定
14、进行控制，即得 Er/1=Constant 而且，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。,5.4 电力电子变压变频器,异步电动机变频调速需要电压与频率均可调的交流电源，常用的交流可调电源是由电力电子器件构成的静止式功率变换器，一般称为变频器。,交-直-交变频器：先将恒压恒频的交流电整成直流，再将直流电逆变成电压与频率均为可调的交流，称作间接变频。交-交变频器：将恒压恒频的交流电直接变换为电压与频率均为可调的交流电，无需中间直流环节，称作直接变频。,图 交-直-交（间接）变压变频器,5.4.1 PWM变频器主回路,脉冲宽度调制技术：,现代变频器中用得最多
15、的控制技术是脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation），简称PWM。基本思想是控制逆变器中电力电子器件的开通或关断，输出电压为幅值相等、宽度按一定规律变化的脉冲序列，用这样的高频脉冲序列代替期望的输出电压。,PWM变频器主回路：,图5-15 交-直-交变频器主回路结构图,左边是不可控整流桥，将三相交流电整流成电压恒定的直流电压。右边是逆变器，将直流电压变换为频率与电压均可调的交流电。中间的滤波环节是为了减小直流电压脉动而设置的。,优点：主回路只有一套可控功率级，具有结构、控制方便的优点，采用脉宽调制的方法，输出谐波分量小。缺点：当电动机工作在回馈制动状态时能量不能回馈至电网，
16、造成直流侧电压上升，称作泵升电压。,5.4.2 正弦波脉宽调制(SPWM)技术,SPWM调制原理:1、以正弦波作为逆变器输出的期望波形；2、以频率比期望波高得多的等腰三角波作为载波（Carrier wave）；3、并用频率和期望波相同的正弦波作为调制波（Modulation wave）；4、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。,PWM逆变器主电路及输出波形,图5-17 三相桥式PWM逆变器的双极性SPWM波形,5.5 转速开环变压变频控制调速系统 通用变频器-异步电动机调速系统,概述 现代通用
17、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0.5500KVA 中、小容量变频调速装置的绝大部分市场。,对于风机、水泵等调速性能要求不高的负载，可以根据电动机的稳态模型，采用转速开环电压频率协调控制的方案。通用变频器控制系统：可以和通用的笼型异步电动机配套使用；具有多种可供选择的功能，适用于各种不同性质的 负载。,由于系统本身没有自动限制起制动电流的作用，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，,电压-频率特性,电压/频率特性,1、当实际频率大于或等于额定频率时，只能保持额定电压
18、不变。2、而当实际频率小于额定频率时，一般是带低频补偿的恒压频比控制。,系统结构,图5-40 转速开环变压变频调速系统,1.系统组成,电路分析：,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。,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通路，所以除特殊情况外，通用变频器一
19、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。,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，现在已有应用RISC的产品出现。,PWM信号产生可以由微机本
20、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。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。,5.6 转速闭环转差频率控制的变压变频调速系统,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？还得进一步探讨一下。,异步电动机恒气隙磁通的电磁转矩公式,将,
21、代入电磁转矩公式，得,电机结构常数,定义转差角频率,电磁转矩,转差率s较小，转矩可近似表示,转差频率控制的基本思路：,保持气隙磁通不变，在s值较小的稳态运行范围内，异步电动机的转矩就近似与转差角频率成正比。在保持气隙磁通不变的前提下，可以通过控制转差角频率来控制转矩，这就是转差频率控制的基本思想。,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。,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5-42 按恒m值控制的 Te=f(s)特性,取 dTe/ds=0 可得,在转差频率控制系统中，只要给s 限幅，使
22、其限幅值为,（5-108）,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。,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。在前面的等效电路中可得：,（5-109）,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。,图5-43 不同定子电流时恒控制所需的电压-频率特性,O,Us/1=Const
23、.,Eg/1=Const.,定子电流增大的趋势,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。这是转差频率控制的基本规律之二。,因此，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。（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。,5.6.2 转差频率控制系统结构及性能分析,系统组成,FBS,电压型逆变器,PWM,M3,ASR,图5-44 转差频率控制的转速闭环变压变频调速系统结构原理图,控制原理,频率控制转速
24、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,（5-112）,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。,起动过程,在t=0时，突加给定，转速调节器ASR很快进入饱和，输出为限幅值，转速和电流尚未建立，给定定子频率,定子电压,起动过程,当t=t1时，电流达到最大值，起动电流等于最大的允许电流,起动转矩等于系统最大的允许输出转矩,起动过程,随着电流的建立和转速的上升，定子电压和频率上升，转差频率不变,
25、起动电流和起动转矩也不变，电动机在允许的最大输出转矩下加速运行。因此，转差频率控制变压变频调速系统通过最大转差频率间接限制了最大的允许电流。,起动过程,当t=t2时，转速达到给定值，ASR开始退饱和，转速略有超调后，到达稳态,转差频率与负载有关,定子电压频率,起动过程,与直流调速系统相似，起动过程可分为转矩上升、恒转矩升速与转速调节三个阶段。在恒转矩升速阶段内，转速调节器ASR不参与调节，相当于转速开环，在正反馈内环的作用下，保持加速度恒定。转速超调后，ASR退出饱和，进入转速调节阶段，最后达到稳态。,加载过程,系统已进入稳定运行，转速等于给定值，电磁转矩等于负载转矩,负载转矩增大为:,定子电
26、压频率:,加载过程,在负载转矩的作用下转速下降，正反馈内环的作用使定子电压频率下降;但在外环的作用下，给定转差频率上升，定子电压频率上升，电磁转矩增大，转速回升，到达新的稳态。,起动过程,图5-45 转差频率控制的转速闭环变压变频调速系统静态特性,5.6.3 最大转差频率的计算,从理论上说，只要使系统最大的允许转差频率小于临界转差频率，,就可使系统稳定运行，并通过转差频率来控制电磁转矩。,最大转差频率与起动电流和起动转矩有关。,要求的起动转矩倍数:,允许的过流倍数:,使系统具有一定的重载起动和过载能力，且起动电流小于允许电流，则最大转差频率,一般先根据起动转矩倍数确定最大转差频率；然后由最大转
27、差频率求得过流倍数；最后由此来确定变频器主回路的容量。,5.6.4 转差频率控制系统的特点,转差角频率与实测转速相加后得到定子频率。在调速过程中，实际频率随着实际转速同步地上升或下降，加、减速平滑。在动态过程中转速调节器ASR饱和，系统以对应于最大转差频率的最大转矩起、制动，并限制了最大电流，保证了在允许条件下的快速性。,但转速闭环转差频率控制的交流变压变频调速系统的性能还不能完全达到直流双闭环系统的水，其原因如下：（1）转差频率控制系统是基于异步电动机稳态模型的，所谓的“保持磁通恒定”的结论也只在稳态情况下才能成立。在动态中难以保持磁通恒定，这将影响到系统的动态性能。,（2）电压频率函数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）频率与转速同步升降，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。,因此，要进一步提高异步电动机调速性能，必须从异步电动机动态模型出发，研究其控制规律。,
