基于穩(wěn)態(tài)模型的交流電動機調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計及校正畢業(yè)論文初稿

1、. . 畢業(yè)設(shè)計（論文） 題目 基于穩(wěn)態(tài)模型的交流電動機調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計及校正 學(xué)生姓名： 張 三 學(xué) 號： 2006105226 專 業(yè)： 機械設(shè)計制造及其自動化 指導(dǎo)教師： 評閱教師： 完成日期2010 年 5 月 30 日 學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明 . . 本人鄭重聲明：所呈交的論文是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨立進行研究所取得的研究成 果。除了文中特別加以標(biāo)注引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表 或撰寫的成果作品。本人完全意識到本聲明的法律后果由本人承擔(dān)。 作者簽名： 2010 年 月 日 學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書 本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保障、使用學(xué)位論文的規(guī)定，同意學(xué)校保留并向

2、有關(guān)學(xué)位論文管理部門或機構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本 人授權(quán)省級優(yōu)秀學(xué)士學(xué)位論文評選機構(gòu)將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫 進行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。 本學(xué)位論文屬于 1、保密 ，在_年解密后適用本授權(quán)書。 2、不保密 。 （請在以上相應(yīng)方框內(nèi)打“” ） 作者簽名： 2010 年 月 日 導(dǎo)師簽名： 2010 年 月 日 . . 目目 錄錄 摘要1 前 言3 1 緒論5 1.1 運動控制及其相關(guān)學(xué)科5 1.2 現(xiàn)代運動控制系統(tǒng)中的運動控制器及其應(yīng)用6 1.3 交流調(diào)速系統(tǒng)7 1.4 本文研究的主要內(nèi)容和意義12 2 異步電

3、動機穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型13 2.1 等效電路參數(shù)折算13 2.2 穩(wěn)態(tài)等效電路15 3 異步電動機變壓變頻調(diào)速基本原理17 3.1 變壓變頻調(diào)速基本原理17 3.2 基頻以下電壓-頻率協(xié)調(diào)控制時的機械特性18 3.3 基頻以下的電流補償控制22 3.4 本章小結(jié)25 4 交流 pwm 變頻技術(shù)26 4.1 變頻器概念26 4.2 變頻器的基本構(gòu)成26 4.3 交-直-交 pwm 變頻器27 4.4 交流 pwm 三種控制方式的簡單介紹29 4.5 pwm 變換器的選擇30 4.6 正弦波脈寬調(diào)制（spwm）技術(shù)30 5 基于異步電動機穩(wěn)態(tài)模型的變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)34 . . 5.1 轉(zhuǎn)速開環(huán)變壓變頻調(diào)

4、速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)34 5.2 轉(zhuǎn)速閉環(huán)轉(zhuǎn)差頻率控制的變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)36 5.3 小結(jié)39 6 通用 spwm 變頻調(diào)速系統(tǒng)的仿真研究40 6.1 matlab/simulink仿真簡介40 6.2 通用 spwm 變頻調(diào)速系統(tǒng)構(gòu)成41 6.3 輸入輸出關(guān)系41 6.4 降低轉(zhuǎn)矩脈動的具體措施42 6.5 spwm 調(diào)速系統(tǒng)建模43 6.6 spwm 變頻調(diào)速系統(tǒng)的計算機仿真44 7 總結(jié)與展望52 致 謝53 參考文獻54 . . 基于穩(wěn)態(tài)模型的交流電動機調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計及校正基于穩(wěn)態(tài)模型的交流電動機調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計及校正 學(xué) 生：林 攀 導(dǎo) 師：曾孟雄 教學(xué)單位：三峽大學(xué)機械與材料學(xué)院 摘要：交流電

5、機包括異步電機和同步電機。同步電機的轉(zhuǎn)差率恒為零，現(xiàn)實中只能采 用變壓變頻調(diào)速。異步電動機具有結(jié)構(gòu)簡單、制造容易、轉(zhuǎn)速高、容量大、維修工作量 小等優(yōu)點。本論文主要就異步電動機調(diào)速系統(tǒng)有關(guān)方面進行探討，研究基于穩(wěn)態(tài)模型的 交流調(diào)速系統(tǒng)?；诜€(wěn)態(tài)模型的交流電動機調(diào)速系統(tǒng)在一定范圍內(nèi)可以實現(xiàn)平滑調(diào)速， 動態(tài)性能要求不高，主要采用變壓變頻調(diào)速。 論文從異步電動機穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型入手，首先介紹了變壓變頻調(diào)速基本原理，分析了 基頻以下的電流補償控制，以及異步電動機電壓頻率協(xié)調(diào)控制時的機械特性。 其次，論文著重分析 pwm 控制技術(shù)在交流調(diào)速領(lǐng)域的應(yīng)用，討論三種 pwm 控制方 式，選擇和設(shè)計橋式可逆 pwm

6、變換器。 然后，論文分別介紹了兩種基于穩(wěn)態(tài)模型的異步電動機調(diào)速系統(tǒng)：轉(zhuǎn)速開環(huán)的變壓 變頻調(diào)速系統(tǒng)和轉(zhuǎn)速閉環(huán)的轉(zhuǎn)差頻率控制系統(tǒng)。 最后，論文利用 matlab/simulink 建立了該矢量控制系統(tǒng)的仿真模型并通過仿真模 型分析基于穩(wěn)態(tài)模型的交流電動機調(diào)速系統(tǒng)的性能。 關(guān)鍵詞：交流電動機 穩(wěn)態(tài)模型 變壓變頻調(diào)速 pwm 建模 設(shè)計與仿真 . . the design of speed control system of ac motor based on the steady-state model abstract: ac motor includes asynchronous motor a

7、nd synchronous motor. the slip of synchronous motor is zero. in fact，it can only adopt vvvf speed control. asynchronous motor has simple structure and can be easily made and has high speed, large capacity and small maintenance workload. in this paper, we mainly explore on the induction motor speed c

8、ontrol system and research the speed control system of ac motor based on the steady-state model. this system can be achieved with smooth speed control in a certain range.its request of dynamic performance is not high. it mainly adopts vvvf speed control. the pessage starts from the steady-state math

9、ematical model of induction motor . first, it introduces the basic principles of speed control of vvvf, and analysis the current compensation control under the fundamental frequency and mechanical properties of voltage - frequency coordination control of induction motor . secondly, the paper focuses

10、 on the exchange of pwm speed control technology in the field of application ,and discusses the three pwm control mode , and selects and designs the reversible bridge pwm converter . thirdly , the pessage introdues two induction motor speed control systems based on the steady-state model : speed ope

11、n-loop speed control system of vvvf and speed closed-loop control system of the slip frequency . lastly , we use matlab / simulink to establish a vector control system of the simulation model . keywords : ac motor；steady-state model；variable frequency control; pwm; modeling design and simulation . .

12、 前言 電氣傳動從總體上分為調(diào)速和不調(diào)速兩大類。按照電動機的類型不同，電氣傳動又 分為直流和交流兩大類，直流電動機在 19 世紀先后誕生，但當(dāng)時的電氣傳動系統(tǒng)是不 調(diào)速系統(tǒng)，隨著社會化大生產(chǎn)的不斷發(fā)展，生產(chǎn)技術(shù)越來越復(fù)雜，對生產(chǎn)工藝的要求也 越來越高，這就要求生產(chǎn)機械能夠在工作速度，快速啟動和制動，正反轉(zhuǎn)等方面具有較 好的運行性能。從而推動了電動機的調(diào)速不斷向前發(fā)展，自從 1834 年直流電動機出現(xiàn) 以后，直流電動機作為調(diào)速電動機的代表，在工業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。它的優(yōu)點主要 在于調(diào)速范圍廣，靜差小，穩(wěn)定性能好以及具有良好的動態(tài)性能，晶閘管變流裝置的應(yīng) 用使直流拖動發(fā)展到了一個很高的水平，在可

13、逆，可調(diào)速與高精度的拖動技術(shù)領(lǐng)域中相 當(dāng)長時間內(nèi)幾乎都采用直流拖動系統(tǒng)。盡管如此，直流調(diào)速系統(tǒng)卻解決不了直流電動機 本身的換向問題和在惡劣環(huán)境下的不適應(yīng)問題，同時，制造大容量，高轉(zhuǎn)速以及高電壓 直流電動機也十分困難，這就限制了直流傳動系統(tǒng)的進一步發(fā)展。 交流電動機在 1885 年出現(xiàn)后，由于一直沒有理想的調(diào)速方案，只被應(yīng)用于恒速拖 動系統(tǒng)，從上世紀 30 年代起，不少國家才開始提出各種交流調(diào)速的原始方案，晶閘管 的出現(xiàn)使交流電動調(diào)速的發(fā)展出現(xiàn)了一個質(zhì)的飛躍，使得半導(dǎo)體變流技術(shù)的交流調(diào)速得 以實現(xiàn)，國際上在 60 年代后期解決了交流電動機調(diào)速方案中的關(guān)鍵問題，70 年代開始 就實現(xiàn)了產(chǎn)品的高壓，

14、大容量，小型化，且已經(jīng)逐漸取代了大部分傳統(tǒng)的直流電動機的 應(yīng)用領(lǐng)域。交流調(diào)速系統(tǒng)發(fā)展迅速的很大一部分原因在于交流電動機本身的優(yōu)點：沒有 電刷和換向器，結(jié)構(gòu)簡單，壽命長。近年以來大功率半導(dǎo)體器件，大規(guī)模集成電路，電 子計算機技術(shù)的發(fā)展，加上交流電動機本身的優(yōu)越特性，為交流調(diào)速提供了廣泛的應(yīng)用 前景。目前交流電力拖動系統(tǒng)已具備了較寬的調(diào)速范圍，較高的穩(wěn)態(tài)精度，較快的動態(tài) 響應(yīng)，較高的工作效率以及可以在四象限運行等優(yōu)越性能，其動態(tài)性能均可與直流電動 機拖動系統(tǒng)相比美。 交流調(diào)速系統(tǒng)與直流調(diào)速系統(tǒng)相比較，具有如下特點： （1）容量大 這是電動機本身的容量所決定的。直流電動機的單機容量能達到 1214m

15、w，而交流電動機的容量卻遠遠的高與此數(shù)值。 （2）轉(zhuǎn)速高，而且耐壓 直流電動機受到換向器的限制，最高電壓只能達到 1000 多伏，而交流電動機容量可達到 610kv，甚至更高。一般直流電動機最高轉(zhuǎn)速只 能達到 3000 轉(zhuǎn)/min 左右，而交流電動機則可以高達每分鐘幾萬轉(zhuǎn)。這使得交流電動機 的調(diào)速系統(tǒng)具有耐高壓，轉(zhuǎn)速高的特點。 （3）交流電動機本身的體積，重量，價格比同等容量的直流電動機要小，且交流 電動機結(jié)構(gòu)簡單，堅固耐用，經(jīng)濟可靠，慣性小成了交流調(diào)速系統(tǒng)的一大優(yōu)點。 . . （4）交流電動機的調(diào)速裝置環(huán)境適應(yīng)性廣。直流電動機由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，換向器工 作要求高，使用中受到很多限制，如工廠里的酸

16、洗車間，由于腐蝕嚴重，使用直流電動 機每周都要檢查碳刷，維修起來比較困難，而交流電動機卻可以用在十分惡劣的環(huán)境下 不至于損壞。 （5）由于高性能，高精度，新型調(diào)速系統(tǒng)的出現(xiàn)和不斷發(fā)展，交流拖動系統(tǒng)已達 到同直流拖動系統(tǒng)一樣的性能指標(biāo)，越來越廣泛的應(yīng)用于 國民經(jīng)濟的各個生產(chǎn)領(lǐng)域。 （6）交流調(diào)速裝置能顯著的節(jié)能。工業(yè)上大量使用的風(fēng)機，水泵，壓縮機類負載 都是靠交流電動機拖動的，這類裝置的用電量占工業(yè)用電量的 50%，以往都不對電動機 調(diào)速，而僅采用擋板，節(jié)流閥來控制風(fēng)量或流量。大量的電能被白白的浪費掉，如果采 用交流電動機調(diào)速系統(tǒng)來改變風(fēng)量或流量的話，效率就會大大的提高，從各方面來看， 改造恒速

17、交流電動機為交流調(diào)速電動機，有著可觀的能源效益。 交流電動機因其結(jié)構(gòu)簡單，運行可靠，價格低廉，維修方便，故而應(yīng)用面很廣，幾 乎所有的調(diào)速傳動都采用交流電動機。盡管從 1930 年開始，人們就致力于交流調(diào)速系 統(tǒng)的研究，然而主要局限于利用開關(guān)設(shè)備來切換主回路達到控制電動機啟動，制動和有 級調(diào)速的目的。變極對調(diào)速，電抗或自藕降壓啟動以及繞線式異步電動機轉(zhuǎn)子回路串電 阻的有級調(diào)速都還處于開發(fā)的階段。交流調(diào)速緩慢的主要原因是決定電動機轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)主 要因素的交流電源頻率的改變和電動機的轉(zhuǎn)距控制都是非常困難的，使交流調(diào)速的穩(wěn)定 性，可靠性，經(jīng)濟性以及效率均不能滿足生產(chǎn)要求 。后來發(fā)展起來的調(diào)壓，調(diào)頻控制 只

18、控制了電動機的氣隙磁通，而不能調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)距。轉(zhuǎn)差頻率控制在一定程度上能控制電動 機的轉(zhuǎn)距。 . . 1 緒論 運動控制系統(tǒng)（motion control system）也可稱作電力拖動控制系統(tǒng)（control system of electric drive） 。運動控制系統(tǒng)的任務(wù)是通過對電動機電壓、電流、頻率等輸入電量的 控制，來改變工作機械的轉(zhuǎn)矩、速度、位移等機械量，使各種工作機械按人們期望的要 求運行，以滿足生產(chǎn)工藝及其它應(yīng)用的需要。工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展對運動控制系 統(tǒng)提出了日益復(fù)雜的要求，同時也為研制和生產(chǎn)各種新型的控制裝置提供了可能。供水 變頻節(jié)能調(diào)速系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)電動機電壓大小以調(diào)速

19、來實現(xiàn)運動控制，因此該系統(tǒng)主要的 問題應(yīng)該是如何實現(xiàn)電機調(diào)速。運動控制(motion control) 是在電機驅(qū)動的基礎(chǔ)上, 隨 著相關(guān)學(xué)科技術(shù)發(fā)展而形成的一門多學(xué)科交叉技術(shù)。它指在復(fù)雜條件下, 將預(yù)定的控制 方案、指令轉(zhuǎn)變成期望的機械運動, 實現(xiàn)機械運動精確的位置控制、速度控制或轉(zhuǎn)矩控 制。下面將就運動控制系統(tǒng)及交流調(diào)速系統(tǒng)的相關(guān)問題作簡要論述。 1.1 運動控制及其相關(guān)學(xué)科 現(xiàn)代運動控制已成為電機學(xué)、電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)、計算機控制技術(shù)、控制 理論、信號檢測與處理技術(shù)等多門學(xué)科相互交叉的綜合性學(xué)科2。 （1）電機學(xué) 電動機是運動控制系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu)，電動機的機構(gòu)和原理決定了運動控制系統(tǒng)

20、的設(shè) 計方法和運行性能，新型電機的發(fā)明就會帶出新的運動控制系統(tǒng)。 （2）電力電子技術(shù) 以電力電子器件為基礎(chǔ)的功率放大與變換裝置是弱電控制強電的媒介，在運動控制 系統(tǒng)中作為電動機的可控電源，其輸出電源質(zhì)量直接影響運動控制系統(tǒng)的運行狀態(tài)和性 能。新型電力電子器件的誕生必將產(chǎn)生新型的功率放大與變換裝置，對改善電動機供電 電源質(zhì)量，提高系統(tǒng)運行性能，起到積極推進作用。 （3）微電子技術(shù) 微電子技術(shù)的快速發(fā)展，導(dǎo)致各種高性能的大規(guī)?；虺笠?guī)模的集中電路層出不窮， 方便和簡化了運動控制的硬件電路設(shè)計及調(diào)試工作，提高了運動控制系統(tǒng)的可靠行。高 速、大內(nèi)存容量、多功能的微處理器或單片微機的問世，使各種復(fù)雜的控

21、制算法在運動 控制系統(tǒng)中的應(yīng)用成為可能，并大大提高了控制精度。 （4）計算機控制技術(shù) 計算機具有強大的邏輯判斷、數(shù)據(jù)計算和處理、信息傳輸?shù)饶芰?，能進行各種復(fù)雜 的運算，可以實現(xiàn)不同于一般線性調(diào)節(jié)的控制規(guī)律，達到模擬控制系統(tǒng)難以實現(xiàn)的控制 功能和效果。計算機控制技術(shù)的應(yīng)用使對象參數(shù)辯識、控制系統(tǒng)的參數(shù)自整定和自學(xué)習(xí)、 智能控制、故障診斷等成為可能，大大提高了運動控制系統(tǒng)的智能化和系統(tǒng)的可靠行。 . . 在工程實際中，對于一些難以求得其精確解析解的問題，可以通過計算機求得其數(shù) 值解，這就是計算機數(shù)字仿真。計算機數(shù)字仿真具有成本低、結(jié)構(gòu)靈活、結(jié)果直觀、便 于儲存和進行數(shù)據(jù)分析等優(yōu)點。計算機輔助設(shè)計（

22、cad）是在數(shù)字仿真的基礎(chǔ)上發(fā)展起 來的，在系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上進行仿真，按給定指標(biāo)尋優(yōu)進行計算機輔助設(shè)計，已成為 運動控制系統(tǒng)常用的分析和設(shè)計工具。 （5）信號檢測與處理技術(shù) 運動控制系統(tǒng)的本質(zhì)是反饋控制，即根據(jù)給定和輸出的偏差實施控制，最終縮小或 消除偏差，運動控制系統(tǒng)需要通過傳感器實時檢測系統(tǒng)的運行狀態(tài)，構(gòu)成反饋控制，并 進行故障分析和故障保護。 實際檢測信號往往帶有隨機的擾動，這些擾動信號對控制系統(tǒng)的運行產(chǎn)生不利影響， 嚴重時甚至?xí)茐南到y(tǒng)的穩(wěn)定性。為了保證系統(tǒng)安全可靠的運行，必須對實際檢測的信 號進行濾波等處理，提高系統(tǒng)的抗干擾能力。此外，傳感器輸出信號的電壓、極性和信 號類型往往與控

23、制器的需求不相吻合。所以，傳感器輸出信號一般不能直接用于控制， 需要進行信號轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)處理。 （6）控制理論 控制理論是運動控制的理論基礎(chǔ)，是指導(dǎo)系統(tǒng)分析和設(shè)計的依據(jù)?？刂葡到y(tǒng)實際問 題的解決常常能推動理論的發(fā)展，而新的控制理論的誕生，諸如非線性控制、自適應(yīng)控 制、智能控制等，又為研究和設(shè)計各種新型的運動控制系統(tǒng)提供了理論依據(jù)。 1.2 現(xiàn)代運動控制系統(tǒng)中的運動控制器及其應(yīng)用 運動控制系統(tǒng)1機為控制對象, 以控制器為核心, 以電力電子、功率變換裝置為執(zhí) 行機構(gòu), 在控制理論指導(dǎo)下組成的電氣傳動控制系統(tǒng) 。從基本結(jié)構(gòu)上看, 一個典型的 現(xiàn)代運動控制系統(tǒng)的硬件主要由上位計算機、運動控制器、功率驅(qū)動

24、裝置、電動機和傳 感器反饋檢測裝置和被控對象等幾部分組成, 如圖 1-1 所示。電動機及其功率驅(qū)動裝置 作為執(zhí)行器主要為被控對象提供動力, 特別設(shè)計應(yīng)用于伺服系統(tǒng)的電機稱之為伺服電機, 通常內(nèi)含位置反饋裝置, 如光電編碼器。 pc運動控制 器 功率驅(qū)動放大裝 置 伺服電動 機 負載 載 傳感器反饋信號 . . 圖1-1 典型運動控制系統(tǒng)組成 運動控制器是以中央邏輯控制單元為核心、以傳感器為信號敏感元件、以電機或動 力裝置和執(zhí)行單元為控制對象的一種控制裝置。其功能在于提供整個伺服系統(tǒng)的閉路控 制, 如位置控制、速度控制和轉(zhuǎn)矩控制等。 1.3 交流調(diào)速系統(tǒng) 目前，交流調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)用方向可分為以下三大

25、類2: （1）以節(jié)能為目的的改恒速為調(diào)速 （2）以少維護省力為目的的取代直流調(diào)速系統(tǒng) （3）直流調(diào)速難以實現(xiàn)的領(lǐng)域 交流調(diào)速控制作為對電動機控制的一種手段。作用相當(dāng)明顯，這里就不再多做介紹， 就交流調(diào)速系統(tǒng)目前的發(fā)展水平而言，可概括的如下： （1）已從中容量等級發(fā)展到了大容量、特大容量等級。并解決了交流調(diào)速的性能 指標(biāo)問題，填補了直流調(diào)速系統(tǒng)在特大容量調(diào)速的空白。 （2）可以使交流調(diào)速系統(tǒng)具有高的可靠性和長期的連續(xù)運行能力，從而滿足有些 場合不停機檢修的要求或?qū)煽啃缘奶厥庖蟆?（3）可以使交流調(diào)速系統(tǒng)實現(xiàn)高性能、高精度的轉(zhuǎn)速控制。除了控制部分可以得 到和直流調(diào)速控制同樣良好的性能外，異步電

26、動機本身固有的優(yōu)點，又使整個系統(tǒng)得到 更好的動態(tài)性能。采用數(shù)字鎖相控制的異步電動機變頻調(diào)速系統(tǒng)，調(diào)速精度可以達到 0.002%。 根據(jù)異步電動機的轉(zhuǎn)速表達式 n=(1-s)60f/p=n03，當(dāng)極對 p 不變時，均勻的改 變定子供電的頻率 f，則可以連續(xù)的改變異步電動機的同步轉(zhuǎn)速 n0。達到平滑調(diào)節(jié)電動 機實際運行轉(zhuǎn)速 n 的目的。這種調(diào)速方法稱為變頻調(diào)速。變頻調(diào)速具有很好的調(diào)速性能， 應(yīng)用相當(dāng)廣泛，是交流調(diào)速的主流。 交流電機有異步電動機（即感應(yīng)電動機）和同步電動機兩大類。異步電動機是把交 流電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能的動力機械，廣泛應(yīng)用于工業(yè)（如：機床、紡織機械、起重機、礦 山機械等） 、農(nóng)業(yè)（脫粒

27、機、粉碎機、水泵及加工機械等） 、家用電器（電風(fēng)扇、空調(diào)、 洗衣機、電冰箱及小功率電動工具等） 。本設(shè)計所選用的就是異步電動機，將在第二章 . . 詳細介紹它的工作原理和調(diào)速方式。 1.3.1 交流調(diào)速系統(tǒng)的基本類型 現(xiàn)代交流調(diào)速系統(tǒng)由交流電動機，電力電子功率變換器，控制器和檢測器等四大部 分組成。如下圖所示。電力電子功率變換器與控制器及電量檢測器集中于一體，稱為變 頻器，如圖內(nèi)框虛線所框部分。從系統(tǒng)方面定義，圖外框線所框部分稱為交流調(diào)速系統(tǒng)。 圖 1-4 交流調(diào)速系統(tǒng)組成 現(xiàn)代交流調(diào)速系統(tǒng)可分為異步電動機調(diào)速系統(tǒng)和同步電動機調(diào)速系統(tǒng)。 1.3.1.1 同步電動機調(diào)速系統(tǒng)的基本類型 由同步電動

28、機轉(zhuǎn)速公式 n=60fs/np(fs定子供電頻率，np電動機極對數(shù))可知， 同步電動機唯一依靠變頻調(diào)速。根據(jù)頻率控制方式的不同，同步調(diào)速系統(tǒng)可分為兩類， 即他控式同步電動機調(diào)速系統(tǒng)和自控式同步電動機調(diào)速系統(tǒng)。 （1）他控式同步電動機調(diào)速系統(tǒng) 用獨立的變頻裝置作為同步電動機的變頻電源叫做他控式同步電動機調(diào)速系統(tǒng)4式 恒壓頻比的同步電動機調(diào)速系統(tǒng)目前多用于小容量場合，例如永磁同步電動機，磁阻同 步電動機。 （2）自控式同步電動機調(diào)速系統(tǒng) 采用頻率閉環(huán)方式的同步電動機系統(tǒng)叫做自控式同步電動機調(diào)速系統(tǒng)，是用電機軸 上所裝轉(zhuǎn)子位置檢測器來控制變頻裝置觸發(fā)脈沖，使同步電動機工作在自同步狀態(tài)。 自控式同步電

29、動機調(diào)速系統(tǒng)可分為兩種類型：負載換向自控式同步電動機調(diào)速系統(tǒng) 和交交變頻同步供電的同步電動機調(diào)速系統(tǒng)。 1.3.1.2 異步電動機調(diào)速系統(tǒng)的基本類型 異步電動機定子對稱的三相繞組中通人對稱的三相交流電，在電機氣隙內(nèi)會產(chǎn)生一 . . 個旋轉(zhuǎn)磁場，其旋轉(zhuǎn)速度為同步轉(zhuǎn)速 （1-1） p f n 1 0 60 式中 定子繞組電源頻率。1f 電機磁極對數(shù)p 異步電動機轉(zhuǎn)差率 (1-2) 0 0 n nn s 則異步電動機轉(zhuǎn)速 (1-3)1 ( 60 )1 ( 1 0 s p f snn 因而，異步機的調(diào)速方法可分為變頻調(diào)速、變極對數(shù)調(diào)速和變轉(zhuǎn)差率調(diào)速三種，其 中變轉(zhuǎn)差率的方法又可以通過定子電壓、轉(zhuǎn)子電阻

30、、轉(zhuǎn)差電壓等方法來實現(xiàn)。歸納異步 機的基本調(diào)速方法5 : 交變頻調(diào)速直交 交變頻調(diào)速交 變頻調(diào)速 型轉(zhuǎn)子變極對數(shù)調(diào)速對鼠籠 電磁轉(zhuǎn)差離合器調(diào)速 機串級調(diào)速繞線式異步 調(diào)壓調(diào)速 步機串電阻調(diào)速繞線式異 變轉(zhuǎn)差調(diào)速 由電機學(xué)可知，轉(zhuǎn)差功率 (1-4) 2cuemspspp 式中電磁功率；轉(zhuǎn)子銅耗。emp2cup 由式可知，變極調(diào)速與變頻調(diào)速為轉(zhuǎn)差功率不變型，不論其轉(zhuǎn)速高低，轉(zhuǎn)差功率消 耗基本不變，因此調(diào)速效率為最高。 在變轉(zhuǎn)差率 s 的調(diào)速方法中，定子調(diào)壓、轉(zhuǎn)子串電阻及電磁轉(zhuǎn)差離合器這三種調(diào)速 為轉(zhuǎn)差功率消耗型。因為 ns，所以隨轉(zhuǎn)速的降低，轉(zhuǎn)差功率將轉(zhuǎn)換成熱sp 能消耗掉,調(diào)速效率為最低。串級調(diào)

31、速的指導(dǎo)思想是回收轉(zhuǎn)差功率，它屬于轉(zhuǎn)差功率回 . . 饋型。在。在低速時，一部分能量消耗在轉(zhuǎn)子中，大部分能量回饋給電網(wǎng)或轉(zhuǎn)化成機械 能，調(diào)速效率為居中。在電力電子技術(shù)與計算機控制技術(shù)突飛猛進的今天，交流調(diào)速的 主流為變頻調(diào)速。下表將各種調(diào)速方法的性能指標(biāo)作一比較，以便了解。 表 1-1 異步電動機各種調(diào)速方法性能指標(biāo)的評價 變轉(zhuǎn)差率 調(diào)速方法 變極變頻 調(diào)壓調(diào)速 轉(zhuǎn)子串電 阻 電磁轉(zhuǎn)差離 合器 串極調(diào)速 是否改變 同步轉(zhuǎn)速 變變不變不變不變不變 靜差率（轉(zhuǎn)速 相對穩(wěn)定性） ?。ê茫┬。ê茫?開環(huán)時大 閉環(huán)時小 大（差） 開環(huán)時大 閉環(huán)時小 ?。ê茫?在一般靜差率 要求下的調(diào)速 范圍 較小 （d

32、=2-4） 較大 （d=10） 閉環(huán)時較大 （d=10） 小 （d=2） 閉環(huán)時較大 （d=10） 較小 （d=2-4） 調(diào)速平滑性 差 有級調(diào)速 好 無級調(diào)速 好 無級調(diào)速 差 有級調(diào)速 好 無級調(diào)速 好 無級調(diào)速 低速時效率高高低低低中 適應(yīng)負載類型 恒轉(zhuǎn)矩 恒功率 恒轉(zhuǎn)矩 恒功率 通風(fēng)機 恒轉(zhuǎn)矩 恒轉(zhuǎn)矩 通風(fēng)機 恒轉(zhuǎn)矩 恒轉(zhuǎn)矩 設(shè)備投資少多較少少較少較多 調(diào) 速 指 標(biāo) 電能損耗小較小大大大較小 運用電機類型 多速電機 鼠籠式 鼠籠式 一般為 繞線式 繞線式滑差電機繞線式 1.3.1 交流調(diào)速系統(tǒng)的基本控制結(jié)構(gòu) 交流調(diào)速系統(tǒng)的控制量基本上是轉(zhuǎn)矩、速度、位置，根據(jù)不同的用途適當(dāng)組合可構(gòu) 成

33、各種閉環(huán)系統(tǒng)。一般按圖 組成轉(zhuǎn)矩、速度、位置由內(nèi)向外的閉環(huán)系統(tǒng)，但并不是所 有的控制系統(tǒng)都需要三個閉環(huán)，可按照控制對象適當(dāng)選擇控制環(huán)。 . . 控制器一般采用 pid（比例、積分、微分）控制，控制硬件從模擬電路發(fā)展到數(shù)字 電路，現(xiàn)在主要采用計算機數(shù)字控制技術(shù)。引入現(xiàn)代控制理論使控制形式發(fā)生了質(zhì)的變 化，例如用外擾動轉(zhuǎn)矩觀測器的前饋補償控制、模型參考自適應(yīng)控制、自由度控制、多 慣性體運動系統(tǒng)的振動抑制控制、自學(xué)習(xí)控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等。因此控制 環(huán)往往也并不是像圖 1-2 那樣單純。 圖 1-2 運動控制系統(tǒng)閉環(huán)節(jié)結(jié)構(gòu)示意圖 （1）轉(zhuǎn)矩控制 在運動控制系統(tǒng)中轉(zhuǎn)矩控制是最基本的控制，交流調(diào)

34、速之所以能普及是因為交流電 機能像直流電機那樣可以進行轉(zhuǎn)矩控制。一般在運動控制系統(tǒng)中，控制環(huán)的最內(nèi)側(cè)是轉(zhuǎn) 矩環(huán)，這顯示了轉(zhuǎn)矩控制環(huán)的重要性。 直流電機由于其結(jié)構(gòu)特點可以很容易進行轉(zhuǎn)矩控制，只要保持勵磁一定，則轉(zhuǎn)矩與 電樞電流成正比，因此轉(zhuǎn)矩控制可以轉(zhuǎn)化為電樞電流控制。但是交流電機的轉(zhuǎn)矩控制并 不簡單，要采用矢量控制理論，邊進行高精度的計算，邊進行轉(zhuǎn)矩控制。在進行矢量控 制時還需要速度信息，因此需要安裝速度傳感器。隨著控制理論與計算機控制技術(shù)的發(fā) 展，出現(xiàn)了無速度傳感器矢量控制。在轉(zhuǎn)矩控制中存在精度和動態(tài)響應(yīng)兩個問題，交流 電機可以快速電流響應(yīng)，因此轉(zhuǎn)矩控制的響應(yīng)比直流電機更優(yōu)越。在轉(zhuǎn)矩精度方面

35、，控 制依存于理論計算，所以受電機參數(shù)的精度影響。轉(zhuǎn)矩控制一般不采用轉(zhuǎn)矩檢測器，而 采用電流反饋控制。 （2）速度控制 在變頻器與交流電動機組成的調(diào)速系統(tǒng)中，根據(jù)所需的速度控制精度可采用開環(huán)或 閉環(huán)方式。異步電動機用變頻器可以簡單地進行開環(huán)速度控制，但是會產(chǎn)生速度誤差。 現(xiàn)在的變頻器改進了性能，根據(jù)電壓電流值的運算可以修正其誤差，或采用無速度傳感 器矢量控制，可以獲得 左右的精度。速度閉環(huán)控制，需要安裝速度傳感器。根據(jù)速度 . . 傳感器與變頻器的性能，可以獲得高精度的速度控制系統(tǒng)。 （3）位置控制 位置控制也有開環(huán)與閉環(huán)兩種方式。開環(huán)方式需要用步進電機之類的專用電機。采 用步進電機就可以組成

36、一個非常簡單的位置控制系統(tǒng)。閉環(huán)方式需要在控制對象中安裝 位置傳感器，傳感器的精度越高，位置控制系統(tǒng)的性能就越好。 1.4 本文研究的主要內(nèi)容和意義 異步電動機具有結(jié)構(gòu)簡單、結(jié)構(gòu)容易、轉(zhuǎn)速高、容量大、維修工作量小等優(yōu)點，早 期多用于不可調(diào)傳動。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展和靜止式變頻器的誕生，異步電動機在 可調(diào)傳動中逐漸等到廣泛的應(yīng)用。變壓變頻調(diào)速是異步電動機常用的一種調(diào)速方式，具 有效率高、調(diào)速范圍大等優(yōu)點。在這種系統(tǒng)中，要調(diào)節(jié)電動機的轉(zhuǎn)速，須同時調(diào)節(jié)定子 供電電源的電壓和頻率，可以使機械特性平滑地上下移動，并獲得很高的運行效率。但 是，這種系統(tǒng)需要一臺專用的變壓變頻電源，增加了系統(tǒng)的成率。近來，

37、由于交流調(diào)速 日益普及，對變壓變頻器的需求量不斷增長，加上市場競爭的因素，其售價逐漸走低， 使得變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用與日俱增。交流電機變頻調(diào)速技術(shù)是當(dāng)今節(jié)電、改善工藝 流程以提高產(chǎn)品質(zhì)量和改善環(huán)境、推動技術(shù)進步的一種主要手段.變頻調(diào)速以其有益的 調(diào)速和起制動性能、高效率、高功率因數(shù)的節(jié)電效果、適用范圍廣等優(yōu)點 ,而被國內(nèi)外 公認為最有發(fā)展前途的調(diào)速方式. 基于穩(wěn)態(tài)模型的交流電動機調(diào)速系統(tǒng)在一定范圍內(nèi)可以實現(xiàn)平滑調(diào)速，動態(tài)性能要 求不高，主要采用變壓變頻調(diào)速。本文將初步探討異步電動機基于穩(wěn)態(tài)模型的調(diào)速系統(tǒng)。 （1）首先介紹交流調(diào)速系統(tǒng)的基本特點及其基本類型， （2）從建立異步電動機穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型

38、入手， （3）重點講述變壓變頻調(diào)速的基本原理及優(yōu)點， （4）論述交流 pwm 變頻技術(shù)， （5）分析兩種基本的基于穩(wěn)態(tài)模型的異步電動機調(diào)速系統(tǒng)， （6）通過 matlab 建立系統(tǒng)仿真模型，驗證系統(tǒng)的動態(tài)性能。 . . 2 異步電動機穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型 2.1 等效電路參數(shù)折算 三相異步電動機的定子電路與轉(zhuǎn)子電路也只有磁的聯(lián)系，并無直接電的來聯(lián)系。如 果像變壓器將二次電路向一次電路折算一樣，將轉(zhuǎn)子電路向電路折算，使折算后的電動 勢等于定子電動勢,就可以得到三相異步電動機的等效電路，便于進行電動機的 2s e . 1 e 運行分析，與相等包括頻率和大小都相等，因此折算6下兩步進行。 2s e . 1

39、e 2.1.1 頻率的折算 將頻率為 f2 的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子電路折算為與定子頻率 f1 相同的等效靜止轉(zhuǎn)子電路，稱為 頻率折算，轉(zhuǎn)子靜止不動時 s1，f2f1。因此，只要將實際上轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)子電路折算 為靜止不動的等效轉(zhuǎn)子電路，便可達到頻率折算的目的。為此將下式實際運行的轉(zhuǎn)子電 流 （2- . . 22 2 2222 s s s ese i rjxrjsx 1） 分子分母同除以轉(zhuǎn)差率s得 （2-2 . . 22 2 2 2 222 1 ee i rs jxrrjx ss ） 以上兩式的電流數(shù)值仍是相等的，但是兩式的物理意義不同。式（2-1）中實際轉(zhuǎn) 子電流的頻率為 f2，式（2-2）中為等效靜止的轉(zhuǎn)子所

40、具有的電流，其頻率為 f1。前者 為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時的實際情況，后者為轉(zhuǎn)子靜止不動時的等效情況。由于頻率折算前后轉(zhuǎn)子 電流的數(shù)值未變，所以磁動勢的大小不變。同時磁動勢的轉(zhuǎn)速是同步轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速無 關(guān)，所以式（2-2）的頻率折算保證了電磁效應(yīng)的不變。 由式中可看出頻率折算前后轉(zhuǎn)子的電磁效應(yīng)不變，即轉(zhuǎn)子電流的大小、相位不變， . . 除了改變與頻率有關(guān)的參數(shù)以外，只要用等效轉(zhuǎn)子的電阻 代替實際轉(zhuǎn)子中的電阻 2 r s r2 即可。 （2-3 2 22 1rs rr ss ） 式中,為異步電動機的等效負載電阻，等效負載電阻上消耗的電功率為 2 1s r s ，這部分損耗在實際電路中并不存在，實質(zhì)上是表征了

41、異步電動機輸出的機 2 22 1 () s i r s 械功率。頻率折算后的電路如圖 2-1 所示。 圖 2-1 轉(zhuǎn)子繞組頻率折算后的異步電動機的定、轉(zhuǎn)子電路 2.1.2 繞組的折算 進行頻率折算以后，雖然已將旋轉(zhuǎn)的異步電動機轉(zhuǎn)子電路轉(zhuǎn)化為了等效的靜止電路， 但還不能把定、轉(zhuǎn)子電路連接起來，因為兩個電路的電動勢還不相等。和變壓器的繞組 折算一樣，異步電動機繞組折算也就是人為地用一個相數(shù)、每相串聯(lián)匝數(shù)以及繞組系數(shù) 和定子繞組一樣的繞組代替相數(shù)為 m2，每相串聯(lián)匝數(shù)為 n1以及繞組系數(shù)為而經(jīng)過頻率 折算的轉(zhuǎn)子繞組。但仍然要保證折算前后轉(zhuǎn)子對定子的電磁效應(yīng)不變，即轉(zhuǎn)子的磁動勢、 轉(zhuǎn)子總的視在功率、銅

42、耗及轉(zhuǎn)子漏磁場儲能均保持不變。轉(zhuǎn)子折算值上均加“ ”表示。 （1）折算后的轉(zhuǎn)子相電流 2 i 由保持轉(zhuǎn)子磁通勢不變的原則，即 22 ff （2-4） 12 11 2222 0.90.9 22 ww mm n kin ki pp 折算后的轉(zhuǎn)子電流有效值為 （2-5 222 222 111 1 w wi m n k iii m n kk ） f1 f1 . . 式中稱電流比。 111 222 w i w m n k k m n k （2）折算后的轉(zhuǎn)子電動勢 2 e 由于定、轉(zhuǎn)子磁動勢在繞組折算前后都不變，故氣隙中的主磁通也不變，繞組折算 前后的轉(zhuǎn)子電動勢分別為 （2- 2122 4.44 wm e

43、f n k 6） 2111 4.44 wm ef n k （2-7） 比較上兩式得 （2-8） 11 2221 22 w e w n k eek ee n k 式中稱電壓比。 11 22 w e w n k k n k （3）折算后的轉(zhuǎn)子阻抗 2 z 由折算前后轉(zhuǎn)子銅耗不變的原則有 （2- 22 111222 222 121222 w w m n kmim rrr mimm n k 9） 同理由繞組折算前后轉(zhuǎn)子電路的無功功率不變可導(dǎo)出 （2- 22ei xk k x 10） 22ei zk k z （2-11） 以上可見，轉(zhuǎn)子電路向定子電路進行繞組折算的規(guī)律是；電流除以電流比，電 i k 壓乘

44、以電壓比，阻抗 乘以電壓比與電流比的乘積。 e k e k i k 注意；折算只改變相關(guān)的值大小，而不改變其相位的大小。 2.2 穩(wěn)態(tài)等效電路 根據(jù)電機學(xué)原理，在下述三個條件下，異步電動機的穩(wěn)態(tài)模型5t 型等效電路表示。 （1）忽略空間和時間諧波；（2）忽略磁飽和；（3）忽略鐵損。 根據(jù)折算前后各物理量的關(guān)系，可以作出折算后的 t 型等效電路，如圖 2-2 所示。 . . ? 1 =e 2 0 ? 圖 2-2 三相異步電動機的 t 型等效電路 利用與 t 形等效電路一致的折算后的基本方程式，根據(jù)前面的分析可將折算后三相 異步電動機的基本方程式歸納如下： （2-12） . 0 . 01 2 .

45、1 . 0 2 . 1 . . 2 2 2 . 2 1 . 11 . 1 )(0 ize ee iii ijx s r e izeu （1）當(dāng)空載運行時，由圖可見相當(dāng)于轉(zhuǎn)子開路。 12 1 ,0, s nn sr s （2）轉(zhuǎn)子堵轉(zhuǎn)時（接上電源轉(zhuǎn)子被堵住轉(zhuǎn)不動時），相當(dāng)于 2 1 0,1,0 s nsr s 變壓器二次側(cè)短路情況。因此在異步電動機啟動初始接上電源時，就相當(dāng)于短路狀態(tài)， 會使電動機電流很大，這在電機實驗及使用電動機時應(yīng)多加注意。 . . 3 異步電動機變壓變頻調(diào)速基本原理 異步電機的變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)一般簡稱變頻調(diào)速系統(tǒng)。由于在變頻調(diào)速時轉(zhuǎn)差功率 不變，在各種異步電動機調(diào)速系統(tǒng)中效

46、率最高，同時性能也最好，故是交流調(diào)速的主要 發(fā)展方向。 3.1 變壓變頻調(diào)速基本原理 變壓變頻調(diào)速是改變同步轉(zhuǎn)速的一種調(diào)速方法，同步轉(zhuǎn)速隨頻率而變化，即 （3-1 11 1 6060 2 pp f n nn ） 異步電動機轉(zhuǎn)速為 （3- 1111 (1)nnsnsnnn 2） 其中，穩(wěn)態(tài)速降與負載有關(guān)。 1 nsn 為了達到良好的控制效果，常采用電壓-頻率協(xié)調(diào)控制。三相異步電動機定子每相 電 動勢的有效值為 1 4.44 s gsnm ef n k （3-3） 式中：氣隙磁通在定子每相中感應(yīng)電動勢的有效值，定子頻率， g e 1 f 定子每相繞組匝數(shù)，定子基波繞組系數(shù)，每極氣隙磁通量。 s n

47、 s n k m 由式（3-3）可知，主要控制好和，便可達到控制氣隙磁通的目的，對此，需 g e 1 f 要考慮基頻（額定頻率）以下和基頻以上兩種情況。 3.1.1 基頻以下調(diào)速 基頻以下運行時，如果磁通太弱，就沒有充分利用電機的鐵心，是一種浪費；如果 磁通過大，又會使鐵心飽和，從而導(dǎo)致過大的勵磁電流，嚴重時會因繞組過熱而損壞電 機。最好是保持每極磁通量為額定值不變。因此，當(dāng)頻率從額定值向下調(diào) m mn 1 f 1n f 節(jié)時，必須同時降低，使常值 g e 1 4.44 s g snmn e n k f (3-4) 即采用電動勢頻率比為恒值的控制方式。 然而，異步電動機繞組中的電動勢是難以直接

48、控制的，當(dāng)電動勢值較高時，可以忽 . . 略定子電阻和漏磁感抗壓降，而認為定子相電壓，則得 sg ue 常值 （3-5 1 / s uf ） 這就是恒壓頻比的控制方式。 低頻時，和都較小，定子電阻和漏磁感抗壓降所占的分量比較顯著，不能再 s u g e 忽略。這時，可以人為地把定子電壓抬高一些，以便近似地補償定子阻抗壓降，稱 s u 作低頻補償，也可稱作低頻轉(zhuǎn)矩提升。帶定子壓降補償?shù)暮銐侯l比控制特性示于圖 3-1 中 b 線，無補償?shù)目刂铺匦詣t為 a 線。 o us f 1 usnusn f 1n f 1n a無無補補償償 b帶帶定定子子壓壓降降補補償償 圖 3-1 恒壓頻比控制特性 a無償補

49、 b帶定子壓降補償 3.1.2 基頻以上調(diào)速 在基頻以上調(diào)速時，頻率從向上升高，受到電機絕緣耐壓的限制，定子電壓 n f1 不能隨之升高，只能保持額定電壓不變，這將導(dǎo)致磁通與頻率成反比地降低，us sn u 使得異步電動機工作在弱磁狀態(tài)。 3.2 基頻以下電壓-頻率協(xié)調(diào)控制時的機械特性 3.2.1 恒壓恒頻正弦波供電時異步電動機的機械特性 當(dāng)定子電壓和電源角頻率恒定時，可以改寫成如下形式： s u 1 22 1 22 1 2 1 )()( 3 lrlsrs rs pe llsrsr rsu nt 當(dāng) s 很小時，忽略分母中含 s 各項，則，轉(zhuǎn)矩近似與 s 成正比，s r su nt r s p

50、e 1 2 1 3 . . 機械特性是一段直線，見圖 6-3。當(dāng) s 接近于 1 時，可忽略分母中的，則)(sfte r r ，s 接近于 1 時轉(zhuǎn)矩近似與 s 成反比，這時， sllrs ru nt lrlss rs pe 1 )( 3 22 1 2 1 2 1 是對稱于原點的一段雙曲線。當(dāng) s 為以上兩段的中間數(shù)值時，機械特性從直線)(sfte 段逐漸過渡到雙曲線段，如圖 3-3 所示。 sm n n0 s te 1 0 0 te n n0 s te 1 0 0 te temax temax temax temax 圖 3-3 恒壓恒頻時異步電機的機械特性 3.2.2 基頻以下電壓一頻率協(xié)

51、調(diào)控制時的機械特性 由式（3-8)的機械特性方程式可以看出，當(dāng)負載要求某一組轉(zhuǎn)矩te和轉(zhuǎn)速n(或轉(zhuǎn)差 率s)的數(shù)值時，電壓us和頻率可以有多種配合。在us和的不同配合下，機械特性 1 1 也是不一樣的，因此可以有不同方式的電壓一頻率協(xié)調(diào)控制。 (1) 恒壓頻比控制(us=恒值)前已指出。 1 同步轉(zhuǎn)速隨頻率變化，帶負載時的轉(zhuǎn)速降落，在機 0 n p 0 n n 2 60 1 1 2 60 s n snn p o 械特性近似直線段上，可以導(dǎo)出，由此可見，當(dāng)為恒值時，對 2 1 1 3 s p er u n tr s 1 / s u 于同一轉(zhuǎn)矩，是基本不變的，也是基本不變的。在恒壓頻比的條件下改變

52、頻率 e t 1 sn 時，機械特性基本上是平行下移，如圖 6-4 所示。 1 頻率越低時最大轉(zhuǎn)矩值越小，最大轉(zhuǎn)矩是隨著的降低而減小的。頻率很低 maxe t 1 時，太小將限制電動機的帶載能力，采用定子壓降補償，適當(dāng)?shù)靥岣唠妷海?maxe t s u . . 以增強帶載能力，見圖 3-4。 e t o n e t o n n0 n 03 n 02 n 01 n n1 n1 11 11 12 12 13 13 131211n1 補償定子壓 降后的特性 圖 3-4 恒壓頻比控制時變頻調(diào)速的機械特性 (2) 恒eg1控制 氣隙磁通在定子每相繞組中的感應(yīng)電動勢；定子全磁通在定子每相繞組 g e s

53、 e 中的感應(yīng)電動勢；轉(zhuǎn)子全磁通在轉(zhuǎn)子繞組中的感應(yīng)電動勢（折合到定子邊） 。 r e 在電壓-頻率協(xié)調(diào)控制中，恰當(dāng)?shù)靥岣唠妷?，克服定子阻抗壓降以后，能維持 s u 為恒值（基頻以下） ，則無論頻率高低，每極磁通均為常值，由等效電路得轉(zhuǎn) 1 / g e m 子電流和電磁轉(zhuǎn)矩 , 2 2 1 2 lr r g r l s r e i 2 2 1 22 1 2 1 2 2 1 2 2 1 3 3 lrr r g p r lr r gp e lsr rs e n s r l s r en t 這就是恒時的機械特性方程式。 1 / g e 當(dāng) s 很小時，忽略分母中含 s 項，則，機械特性的這一段近似s

54、 r s e nt r g pe 1 2 1 3 為一條直線。當(dāng) s 接近于 1 時，可忽略分母中的項，則，這 2 r r sls r e nt lr r g pe 1 3 2 1 2 1 是一段雙曲線。 將對 s 求導(dǎo)，并令，可得恒控制特性在最大轉(zhuǎn)矩時的轉(zhuǎn)差率 e t0/dsdte 1 / g e . . 和最大轉(zhuǎn)矩，當(dāng)為恒值時，恒定不變?？梢?1 lr r m l r s 2 1 max 1 2 3 lr g pe l e nt 1 / g e maxe t 恒恒控制的穩(wěn)態(tài)性能是優(yōu)于恒控制的，它正是恒控制中補償定子壓降 1 / g e 1 / s u 1 / s u 所追求的目標(biāo)。 (3)

55、 恒er1 控制 如果把電壓-頻率協(xié)調(diào)控制中的電壓再進一步提高，把轉(zhuǎn)子漏抗的壓降也抵消掉， s u 得到恒控制，電磁轉(zhuǎn)矩，機械 1 / r e sr e i r r r / 1 2 1 2 2 1 3 3 r r p r r r p e r se n s r s r e n t 特性完全是一條直線，也把它畫在圖 6-6 上。顯然，恒控制的穩(wěn)態(tài)性能)(sfte 1 / r e 最好，可以獲得和直流電動機一樣的線性機械特性。 氣隙磁通的感應(yīng)電動勢對應(yīng)于氣隙磁通幅值，轉(zhuǎn)子全磁通的感應(yīng)電動勢對 g e m r e 應(yīng)于轉(zhuǎn)子全磁通幅值：，只要能夠按照轉(zhuǎn)子全磁通幅值 rm rmnsr knfe s 1 4

56、4 . 4 進行控制，就可以獲得恒。恒值 rm 1 / r e 0 s 1 0te 0 s 1 0te 恒 er/1 控制 恒 eg/1 控制 恒 us/1 控制 a b c 圖 3-5 不同電壓頻率協(xié)調(diào)控制方式時的機械特性 小結(jié)： 恒壓頻比（=恒值）控制最容易實現(xiàn)，變頻機械特性基本上是平行下移，硬 1 / s u 度也較好，能夠滿足一般的調(diào)速要求，但低速帶載能力有些差強人意，須對定子壓降實 行補償。 恒控制是通常對恒壓頻比控制實行電壓補償?shù)臉?biāo)準，可以在穩(wěn)態(tài)時達到 1 / g e . . ，從而改善了低速性能。但機械特性還是非線性的，產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的能力仍受到恒值 m 限制。 恒控制可以得到和直流他

57、勵電動機一樣的線性機械特性，按照轉(zhuǎn)子全磁通 1 / r e 恒定進行控制即得=恒值，在動態(tài)中也盡可能保持恒定是矢量控制系統(tǒng)所 rm 1 / r e rm 追求的目標(biāo)，當(dāng)然實現(xiàn)起來是比較復(fù)雜的。 3.3 基頻以下的電流補償控制 基頻以下運行時，采用恒壓頻比5式具有控制簡便的優(yōu)點，但負載的變化將導(dǎo)致磁 通的改變，因此采用定子電流補償控制，根據(jù)定子電流的大小改變定子電壓，可保持磁 通恒定。將異步電動機 t 型等效電路再次繪出如下圖。為了使參考極性與電動狀態(tài)下的 實際極性相吻合，感應(yīng)電動勢采用電壓降的表示方法，由高電位指向抵電位。 圖3-6 異步電動機的穩(wěn)態(tài)等效電路和感應(yīng)電動勢 氣隙磁通在定子每相繞組

58、中的感應(yīng)電動勢如式：m （3-mnsgsknfe144 . 4 19） 定子全磁通在定子每相繞組中的感應(yīng)電動勢為：ms （3-msnsssknfe144 . 4 20） 轉(zhuǎn)子全磁通在轉(zhuǎn)子繞組中的感應(yīng)電動勢（折合到定子邊）為：mr （3-mrnsrsknfe144. 4 21） 以下分別討論保持定子磁通、氣隙磁通和轉(zhuǎn)子磁通恒定的控制方法及msmmr 機械特性。 3.3.1恒定子磁通控制 ms . . 由式（3-20）可知，只要使=常值，即保證定子磁通恒定，則定子電壓1/ fesms 為 （3-ssseiru 1 22） 外加電壓應(yīng)按式（3-22）提高以補償定子電阻壓降。忽略勵磁電流時，由圖 3-

59、2 0i 等效電路可得 （3- 2 11 2 1 2 )()(rs r s r ll s r e i 23） 代入電磁轉(zhuǎn)矩關(guān)系式，得 （3- 2 11 2 1 22 1 2 1 2 11 2 1 2 2 1 )( )(3 )()( 3 rsr rs p r rs r sp e llsr rse n s r ll s r en t 24） 與異步電動機的電磁轉(zhuǎn)矩式相比較，橫定子磁通控制是轉(zhuǎn)矩表達式的分母小于ms 恒控制特性中的同類項。當(dāng)轉(zhuǎn)差率 s 相同時，恒定子磁通控制的電磁轉(zhuǎn)矩大1/sums 于恒控制方式，或者說，當(dāng)負載轉(zhuǎn)矩相同時，恒定子磁通控制的轉(zhuǎn)速降落小1/sums 于恒控制方式。1/su

60、 將式（3-24）對 s 求導(dǎo)，并令，可求出臨界轉(zhuǎn)差率0 s e d dt （3- )(111rs r m ll r s 25） 和臨界轉(zhuǎn)矩 （3- )( 1 )( 2 3 11 2 1rs sp em ll en t 26） 與式臨界轉(zhuǎn)差率和臨界轉(zhuǎn)矩相比較，恒定子磁通控制的臨界轉(zhuǎn)差率和臨界轉(zhuǎn)矩 ms 均大于恒控制方式。當(dāng)頻率變化時，臨界轉(zhuǎn)矩恒定不變，機械特性見下圖： 1/suemt . . 3.3.2 恒氣隙磁通控制 m 維持為恒值，保持氣隙磁通為常值，定子電壓為1/gem （3-gssseiljru 111)( 27） 除了補償定子電阻壓降外，還應(yīng)補償定子漏抗電阻壓降，由等效電路可得 （3