第十章變壓變頻調(diào)速.

1、籠型異步電機(jī)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)籠型異步電機(jī)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)（VVVF系統(tǒng)）系統(tǒng)）轉(zhuǎn)差功率不變型調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)差功率不變型調(diào)速系統(tǒng) 概概 述述 異步電機(jī)的變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)一般簡(jiǎn)稱為變頻調(diào)速系統(tǒng)。由于在調(diào)速時(shí)轉(zhuǎn)差功率不隨轉(zhuǎn)速而變化，調(diào)速范圍寬，無論是高速還是低速時(shí)效率都較高，在采取一定的技術(shù)措施后能實(shí)現(xiàn)高動(dòng)態(tài)性能，可與直流調(diào)速系統(tǒng)媲美。因此現(xiàn)在應(yīng)用面很廣，是本篇的重點(diǎn)。本章提要本章提要n變壓變頻調(diào)速的基本控制方式n異步電動(dòng)機(jī)電壓頻率協(xié)調(diào)控制時(shí)的機(jī)械特性n*電力電子變壓變頻器的主要類型n變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)中的脈寬調(diào)制（PWM）技術(shù)n基于異步電動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)模型的變壓變頻調(diào)速n異步電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型和坐標(biāo)變換n基

2、于動(dòng)態(tài)模型按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的矢量控制系統(tǒng)n基于動(dòng)態(tài)模型按定子磁鏈控制的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng) 1 變壓變頻調(diào)速的基本控制方式變壓變頻調(diào)速的基本控制方式 在進(jìn)行電機(jī)調(diào)速時(shí)，常須考慮的一個(gè)重要因素是：希望保持電機(jī)中每極磁通量 m 為額定值不變。如果磁通太弱，沒有充分利用電機(jī)的鐵心，是一種浪費(fèi)；如果過分增大磁通，又會(huì)使鐵心飽和，從而導(dǎo)致過大的勵(lì)磁電流，嚴(yán)重時(shí)會(huì)因繞組過熱而損壞電機(jī)。n對(duì)于直流電機(jī)，勵(lì)磁系統(tǒng)是獨(dú)立的，只要對(duì)電樞反應(yīng)有恰當(dāng)?shù)难a(bǔ)償， m 保持不變是很容易做到的。n在交流異步電機(jī)中，磁通 m 由定子和轉(zhuǎn)子磁勢(shì)合成產(chǎn)生，要保持磁通恒定就需要費(fèi)一些周折了。 定子每相電動(dòng)勢(shì)mNs1g44. 4SkNfE

3、（6-1） 式中：Eg 氣隙磁通在定子每相中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的有效值，單位為V； 定子頻率，單位為Hz； 定子每相繞組串聯(lián)匝數(shù)； 基波繞組系數(shù)； 每極氣隙磁通量，單位為Wb。 f1NskNsm 由式（6-1）可知，只要控制好 Eg 和 f1 ，便可達(dá)到控制磁通m 的目的，對(duì)此，需要考慮基頻（額定頻率）以下和基頻以上兩種情況。 1. 基頻以下調(diào)速 由式（6-1）可知，要保持 m 不變，當(dāng)頻率 f1 從額定值 f1N 向下調(diào)節(jié)時(shí)，必須同時(shí)降低 Eg ，使 1gfE常值 （6-2） 即采用恒值電動(dòng)勢(shì)頻率比的控制方式采用恒值電動(dòng)勢(shì)頻率比的控制方式。 恒壓頻比的控制方式 然而，繞組中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)是難以直接控制

4、的，當(dāng)電動(dòng)勢(shì)值較高時(shí)，可以忽略定子繞組的漏磁阻抗壓降，而認(rèn)為定子相電壓 Us Eg，則得（6-3） 這是恒壓頻比的控制方式恒壓頻比的控制方式。常值1fUs 但是，在低頻時(shí) Us 和 Eg 都較小，定子阻抗壓降所占的份量就比較顯著，不再能忽略。這時(shí)，需要人為地把電壓 Us 抬高一些，以便近似地補(bǔ)償定子壓降近似地補(bǔ)償定子壓降。 帶定子壓降補(bǔ)償?shù)暮銐侯l比控制特性示于下圖中的 b 線，無補(bǔ)償?shù)目刂铺匦詣t為a 線。 OUsf 1圖6-1 恒壓頻比控制特性 帶壓降補(bǔ)償?shù)暮銐侯l比控制特性UsNf 1Na 無補(bǔ)償無補(bǔ)償 b 帶定子壓降補(bǔ)償帶定子壓降補(bǔ)償 2. 基頻以上調(diào)速 在基頻以上調(diào)速時(shí)，頻率應(yīng)該從 f1N

5、 向上升高，但定子電壓Us 卻不可能超過額定電壓UsN ，最多只能保持Us = UsN ，這將迫使磁通與頻率成反比地降低，相當(dāng)于直流電機(jī)弱磁升速的情況。 把基頻以下和基頻以上兩種情況的控制特性畫在一起，如下圖所示。 f1N 變壓變頻控制特性圖6-2 異步電機(jī)變壓變頻調(diào)速的控制特性 恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速UsUsNmNm恒功率調(diào)速恒功率調(diào)速mUsf1O 如果電機(jī)在不同轉(zhuǎn)速時(shí)所帶的負(fù)載都能使電流達(dá)到額定值，即都能在允許溫升下長(zhǎng)期運(yùn)行，則轉(zhuǎn)矩基本上隨磁通變化，按照電力拖動(dòng)原理，在基頻以下，磁通恒定時(shí)轉(zhuǎn)矩也恒定，屬于“恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速”性質(zhì)，而在基頻以上，轉(zhuǎn)速升高時(shí)轉(zhuǎn)矩降低，基本上屬于“恒功率調(diào)速”。返回目錄

6、返回目錄2 異步電動(dòng)機(jī)電壓頻率協(xié)調(diào)控制時(shí)異步電動(dòng)機(jī)電壓頻率協(xié)調(diào)控制時(shí) 的機(jī)械特性的機(jī)械特性本節(jié)提要本節(jié)提要n恒壓恒頻正弦波供電時(shí)異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械恒壓恒頻正弦波供電時(shí)異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性特性n基頻以下電壓基頻以下電壓-頻率協(xié)調(diào)控制時(shí)的機(jī)械特性頻率協(xié)調(diào)控制時(shí)的機(jī)械特性n基頻以上恒壓變頻時(shí)的機(jī)械特性基頻以上恒壓變頻時(shí)的機(jī)械特性n恒流正弦波供電時(shí)的機(jī)械特性恒流正弦波供電時(shí)的機(jī)械特性6.2.1 恒壓恒頻正弦波供電時(shí)異步電動(dòng)機(jī)的恒壓恒頻正弦波供電時(shí)異步電動(dòng)機(jī)的 機(jī)械特性機(jī)械特性 第5章式（5-3）已給出異步電機(jī)在恒壓恒頻正弦波供電時(shí)的機(jī)械特性方程式 Te= f (s)。 當(dāng)定子電壓 Us 和電源角頻率 1

7、 恒定時(shí)，可以改寫成如下形式： 2rs2122rsr121spe)()(3llLLsRsRRsUnT（6-4） 特性分析當(dāng)s很小時(shí)，可忽略上式分母中含s各項(xiàng)，則（6-5） 也就是說，當(dāng)s很小時(shí)，轉(zhuǎn)矩近似與s成正比，機(jī)械特性 Te = f（s）是一段直線，見圖6-3。sRsUnTr121spe3 特性分析（續(xù)） 當(dāng) s 接近于1時(shí)，可忽略式（6-4）分母中的Rr ，則 sLLRsRUnTll1)(32rs212sr121spe（6-6）即s接近于1時(shí)轉(zhuǎn)矩近似與s成反比，這時(shí)， Te = f（s）是對(duì)稱于原點(diǎn)的一段雙曲線。 機(jī)械特性 當(dāng) s 為以上兩段的中間數(shù)值時(shí)，機(jī)械特性從直線段逐漸過渡到雙曲線

8、段，如圖所示。smnn0sTe010TeTemaxTemax圖6-3 恒壓恒頻時(shí)異步電機(jī)的機(jī)械特性6.2.2 基頻以下電壓基頻以下電壓-頻率協(xié)調(diào)控制時(shí)的頻率協(xié)調(diào)控制時(shí)的 機(jī)械特性機(jī)械特性 由式（6-4）機(jī)械特性方程式可以看出，對(duì)于同一組轉(zhuǎn)矩 Te 和轉(zhuǎn)速 n（或轉(zhuǎn)差率s）的要求，電壓 Us 和頻率 1 可以有多種配合。 在 Us 和 1 的不同配合下機(jī)械特性也是不一樣的，因此可以有不同方式的電壓頻率協(xié)調(diào)控制。 1. 恒壓頻比控制（ Us /1 ） 在第6-1節(jié)中已經(jīng)指出，為了近似地保持氣隙磁通不變，以便充分利用電機(jī)鐵心，發(fā)揮電機(jī)產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的能力，在基頻以下須采用恒壓頻比控制。這時(shí)，同步轉(zhuǎn)速自然要

9、隨頻率變化。 p10260nn（6-7） 在式（6-5）所表示的機(jī)械特性近似直線段上，可以導(dǎo)出 21sper13UnTRs（6-9） 帶負(fù)載時(shí)的轉(zhuǎn)速降落為 1p0260snsnn（6-8） 由此可見，當(dāng) Us /1 為恒值時(shí)，對(duì)于同一轉(zhuǎn)矩 Te ，s1 是基本不變的，因而 n 也是基本不變的。這就是說，在恒壓頻比的條件下改變頻率 1 時(shí)，機(jī)械特性基本上是平行下移，如圖6-4所示。它們和直流他勵(lì)電機(jī)變壓調(diào)速時(shí)的情況基本相似。 所不同的是，當(dāng)轉(zhuǎn)矩增大到最大值以后，轉(zhuǎn)速再降低，特性就折回來了。而且頻率越低時(shí)最大轉(zhuǎn)矩值越小，可參看第5章式（5-5），對(duì)式（5-5）稍加整理后可得 2rs21s1s21s

10、pmaxe)(123llLLRRUnT（6-10） 可見最大轉(zhuǎn)矩 Temax 是隨著的 1 降低而減小的。頻率很低時(shí)，Temax太小將限制電機(jī)的帶載能力，采用定子壓降補(bǔ)償，適當(dāng)?shù)靥岣唠妷篣s，可以增強(qiáng)帶載能力，見圖6-4。 機(jī)械特性曲線eTOnN0n03n02n01nN1111213131211N1圖6-4 恒壓頻比控制時(shí)變頻調(diào)速的機(jī)械特性補(bǔ) 償 定 子 壓降后的特性2. 恒 Eg / 1 控制 下圖再次繪出異步電機(jī)的穩(wěn)態(tài)等效電路，圖中幾處感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的意義如下： Eg 氣隙（或互感）磁通在定子每相繞組中 的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)； Es 定子全磁通在定子每相繞組中的感應(yīng)電 動(dòng)勢(shì)； Er 轉(zhuǎn)子全磁通在轉(zhuǎn)子繞

11、組中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì) （折合到定子邊）。 圖6-5 異步電動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)等效電路和感應(yīng)電動(dòng)勢(shì) Us1RsLlsLlrLmRr /sIsI0Ir 異步電動(dòng)機(jī)等效電路EgEsEr 特性分析 如果在電壓頻率協(xié)調(diào)控制中，恰當(dāng)?shù)靥岣唠妷?Us 的數(shù)值，使它在克服定子阻抗壓降以后，能維持 Eg /1 為恒值（基頻以下），則由式（6-1）可知，無論頻率高低，每極磁通 m 均為常值。 特性分析（續(xù)）由等效電路可以看出 2r212rgrlLsREI（6-11）代入電磁轉(zhuǎn)矩關(guān)系式，得2 r2122 rr121gpr2r212r2g1pe33llLsRRsEnsRLsREnT（6-12） 特性分析（續(xù)） 利用與前相似的分析方

12、法，當(dāng)s很小時(shí)，可忽略式（6-12）分母中含 s 項(xiàng)，則 sRsEnTr121gpe3（6-13） 這表明機(jī)械特性的這一段近似為一條直線。特性分析（續(xù)） 當(dāng) s 接近于1時(shí)，可忽略式（6-12）分母中的 Rr2 項(xiàng)，則 sLsREnTl132 r1r21gpe（6-14） s 值為上述兩段的中間值時(shí)，機(jī)械特性在直線和雙曲線之間逐漸過渡，整條特性與恒壓頻比特性相似。 性能比較 但是，對(duì)比式（6-4）和式（6-12）可以看出，恒 Eg /1 特性分母中含 s 項(xiàng)的參數(shù)要小于恒 Us /1 特性中的同類項(xiàng)，也就是說， s 值要更大一些才能使該項(xiàng)占有顯著的份量，從而不能被忽略，因此恒 Eg /1 特性

13、的線性段范圍更寬。性能比較（續(xù)） 將式（6-12）對(duì) s 求導(dǎo)，并令 dTe / ds = 0，可得恒Eg /1控制特性在最大轉(zhuǎn)矩時(shí)的轉(zhuǎn)差率 r1rmlLRs（6-15） 和最大轉(zhuǎn)矩r21gpmaxe123lLEnT（6-16） 性能比較（續(xù)） 值得注意的是，在式（6-16）中，當(dāng)Eg /1 為恒值時(shí)，Temax 恒定不變，如下圖所示，其穩(wěn)態(tài)性能優(yōu)于恒 Us /1 控制的性能。 這正是恒 Eg /1 控制中補(bǔ)償定子壓降所追求的目標(biāo)。 機(jī)械特性曲線eTOnN0n03n02n01nN1111213131211N1Temax恒 Eg /1 控制時(shí)變頻調(diào)速的機(jī)械特性3. 恒 Er / 1 控制 如果把

14、電壓頻率協(xié)調(diào)控制中的電壓再進(jìn)一步提高，把轉(zhuǎn)子漏抗上的壓降也抵消掉，得到恒 Er /1 控制，那么，機(jī)械特性會(huì)怎樣呢？由此可寫出 sREI/rrr（6-17） 代入電磁轉(zhuǎn)矩基本關(guān)系式，得 r121rpr2r2r1pe33RsEnsRsREnT（6-18） 現(xiàn)在，不必再作任何近似就可知道，這時(shí)的機(jī)械特性完全是一條直線，見圖6-6。0s10Te 幾種電壓頻率協(xié)調(diào)控制方式的特性比較圖6-6 不同電壓頻率協(xié)調(diào)控制方式時(shí)的機(jī)械特性恒 Er /1 控制恒 Eg /1 控制恒 Us /1 控制ab c 顯然，恒 Er /1 控制的穩(wěn)態(tài)性能最好，可以獲得和直流電機(jī)一樣的線性機(jī)械特性。這正是高性能交流變頻調(diào)速所要

15、求的性能。 現(xiàn)在的問題是，怎樣控制變頻裝置的電壓和頻率才能獲得恒定的 Er /1 呢？ 按照式（6-1）電動(dòng)勢(shì)和磁通的關(guān)系，可以看出，當(dāng)頻率恒定時(shí)，電動(dòng)勢(shì)與磁通成正比。在式（6-1）中，氣隙磁通的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì) Eg 對(duì)應(yīng)于氣隙磁通幅值 m ，那么，轉(zhuǎn)子全磁通的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì) Er 就應(yīng)該對(duì)應(yīng)于轉(zhuǎn)子全磁通幅值 rm ：rmNs1r44. 4skNfE （6-19） 由此可見，只要能夠按照轉(zhuǎn)子全磁通幅值 rm = Constant 進(jìn) 行控制，就可以獲得恒 Er /1 了。這正是矢量控制系統(tǒng)所遵循的原則，下面在第6-7節(jié)中將詳細(xì)討論。 4幾種協(xié)調(diào)控制方式的比較 綜上所述，在正弦波供電時(shí)，按不同規(guī)律實(shí)現(xiàn)電

16、壓頻率協(xié)調(diào)控制可得不同類型的機(jī)械特性。 （1）恒壓頻比（ Us /1 = Constant ）控制最容易實(shí)現(xiàn)，它的變頻機(jī)械特性基本上是平行下移，硬度也較好，能夠滿足一般的調(diào)速要求，但低速帶載能力有些差強(qiáng)人意，須對(duì)定子壓降實(shí)行補(bǔ)償。 （2）恒Eg /1 控制是通常對(duì)恒壓頻比控制實(shí)行電壓補(bǔ)償?shù)臉?biāo)準(zhǔn)，可以在穩(wěn)態(tài)時(shí)達(dá)到rm = Constant，從而改善了低速性能。但機(jī)械特性還是非線性的，產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的能力仍受到限制。 （3）恒 Er /1 控制可以得到和直流他勵(lì)電機(jī)一樣的線性機(jī)械特性，按照轉(zhuǎn)子全磁通 rm 恒定進(jìn)行控制，即得 Er /1 = Constant 而且，在動(dòng)態(tài)中也盡可能保持 rm 恒定是矢量

17、控制系統(tǒng)的目標(biāo)，當(dāng)然實(shí)現(xiàn)起來是比較復(fù)雜的。6.2.3 基頻以上恒壓變頻時(shí)的機(jī)械特性基頻以上恒壓變頻時(shí)的機(jī)械特性 性能分析性能分析 在基頻以上變頻調(diào)速時(shí)，由于定子電壓 Us= UsN 不變，式（6-4）的機(jī)械特性方程式可寫成 2rs2122rs1r2sNpe)()(3llLLsRsRsRUnT（6-20） 性能分析（續(xù)） 而式（6-10）的最大轉(zhuǎn)矩表達(dá)式可改寫成（6-21） 同步轉(zhuǎn)速的表達(dá)式仍和式（6-7）一樣。2rs212ss12sNpmaxe)(123llLLRRUnT 機(jī)械特性曲線恒功率調(diào)速恒功率調(diào)速eTOnN0nc0nb0na0nN1a1b1c1c1b1a1N1 由此可見，當(dāng)角頻率提高時(shí)

18、，同步轉(zhuǎn)速隨之提高，最大轉(zhuǎn)矩減小，機(jī)械特性上移，而形狀基本不變，如圖所示。圖6-7 基頻以上恒壓變頻調(diào)速的機(jī)械特性 由于頻率提高而電壓不變，氣隙磁通勢(shì)必減弱，導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩的減小，但轉(zhuǎn)速升高了，可以認(rèn)為輸出功率基本不變。所以基頻以上變頻調(diào)速屬于弱磁恒功率調(diào)速。 最后，應(yīng)該指出，以上所分析的機(jī)械特性都是在正弦波電壓供電下的情況。如果電壓源含有諧波，將使機(jī)械特性受到扭曲，并增加電機(jī)中的損耗。因此在設(shè)計(jì)變頻裝置時(shí)，應(yīng)盡量減少輸出電壓中的諧波。 小小 結(jié)結(jié)n電壓Us與頻率1是變頻器異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的兩個(gè)獨(dú)立的控制變量，在變頻調(diào)速時(shí)需要對(duì)這兩個(gè)控制變量進(jìn)行協(xié)調(diào)控制。n在基頻以下，有三種協(xié)調(diào)控制方式。采用不同

19、的協(xié)調(diào)控制方式，得到的系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性能不同，其中恒Er /1控制的性能最好。n在基頻以上，采用保持電壓不變的恒功率弱磁調(diào)速方法。返回目錄返回目錄 基于異步電動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)模型的變壓基于異步電動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)模型的變壓 變頻調(diào)速變頻調(diào)速本節(jié)提要本節(jié)提要n轉(zhuǎn)速開環(huán)恒壓頻比控制調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)速開環(huán)恒壓頻比控制調(diào)速系統(tǒng)通通用變頻器用變頻器-異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)n轉(zhuǎn)速閉環(huán)轉(zhuǎn)差頻率控制的變壓變頻調(diào)速轉(zhuǎn)速閉環(huán)轉(zhuǎn)差頻率控制的變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)系統(tǒng) 引 言 直流電機(jī)的主磁通和電樞電流分布的空間位置是確定的，而且可以獨(dú)立進(jìn)行控制，交流異步電機(jī)的磁通則由定子與轉(zhuǎn)子電流合成產(chǎn)生，它的空間位置相對(duì)于定子和轉(zhuǎn)子都是運(yùn)動(dòng)的，除此以

20、外，在籠型轉(zhuǎn)子異步電機(jī)中，轉(zhuǎn)子電流還是不可測(cè)和不可控的。因此，異步電機(jī)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型要比直流電機(jī)模型復(fù)雜得多，在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間里，人們對(duì)它的精確表述不得要領(lǐng)。 好在不少機(jī)械負(fù)載，例如風(fēng)機(jī)和水泵，并不需要很高的動(dòng)態(tài)性能，只要在一定范圍內(nèi)能實(shí)現(xiàn)高效率的調(diào)速就行，因此可以只用電機(jī)的穩(wěn)態(tài)模型來設(shè)計(jì)其控制系統(tǒng)。 異步電機(jī)的穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型如本章第6.2節(jié)所述，為了實(shí)現(xiàn)電壓-頻率協(xié)調(diào)控制，可以采用轉(zhuǎn)速開環(huán)恒壓頻比帶低頻電壓補(bǔ)償?shù)目刂品桨福@就是常用的通用變頻器控制系統(tǒng)。 如果要求更高一些的調(diào)速范圍和起制動(dòng)性能，可以采用轉(zhuǎn)速閉環(huán)轉(zhuǎn)差頻率控制的方案。 本節(jié)中將分別介紹這兩類基于穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型的變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)。 轉(zhuǎn)速

21、開環(huán)恒壓頻比控制調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)速開環(huán)恒壓頻比控制調(diào)速系統(tǒng) 通用變頻器通用變頻器-異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)n概述概述 現(xiàn)代通用變頻器大都是采用二極管整流和由快速全控開關(guān)器件 IGBT 或功率模塊IPM 組成的PWM逆變器，構(gòu)成交-直-交電壓源型變壓變頻器，已經(jīng)占領(lǐng)了全世界0.5500KVA 中、小容量變頻調(diào)速裝置的絕大部分市場(chǎng)。 所謂“通用”，包含著兩方面的含義：（1）可以和通用的籠型異步電機(jī)配套使用；（2）具有多種可供選擇的功能，適用于各種不同性質(zhì)的負(fù)載。通用變頻器的類型n1、風(fēng)機(jī)、水泵、空調(diào)專用型通用變頻器U/f控制n2、高性能矢量控制型通用變頻器啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，過載能力高，較硬的機(jī)械特

22、性和動(dòng)態(tài)性能n3、專用變頻器為滿足某些特定應(yīng)用場(chǎng)合設(shè)計(jì)生產(chǎn)的。（電梯、伺服、塑料機(jī)械等）n4、高頻變頻器超過400Hz則稱高頻變頻器，最高輸出頻率達(dá)3000Hz。n5、中、高壓變頻器負(fù)載額定電壓為690V13.8kV，國(guó)內(nèi)1500V、3KV、6KV、10KV。n6、單相變頻器單相進(jìn)，三相出，采用IPM模塊，體積小。 1. 系統(tǒng)組成M3電壓檢測(cè)泵升限制電流檢測(cè)溫度檢測(cè)電流檢測(cè)單片機(jī)顯示設(shè)定接口PWM發(fā)生器驅(qū)動(dòng)電路URUIR0R1R2RbVTbKR0R1RbR2 2. 電路分析l主電路主電路由二極管整流器UR、PWM逆變器UI和中間直流電路三部分組成，一般都是電壓源型的，采用大電容C濾波，同時(shí)兼有

23、無功功率交換的作用。主電路（續(xù)）u限流電阻限流電阻：為了避免大電容C在通電瞬間產(chǎn)生過大的充電電流，在整流器和濾波電容間的直流回路上串入限流電阻（或電抗），通上電源時(shí)，先限制充電電流，再延時(shí)用開關(guān)K將短路，以免長(zhǎng)期接入時(shí)影響變頻器的正常工作，并產(chǎn)生附加損耗。主電路（續(xù)）u泵升限制電路泵升限制電路由于二極管整流器不能為異步電機(jī)的再生制動(dòng)提供反向電流的通路，所以除特殊情況外，通用變頻器一般都用電阻吸收制動(dòng)能量。減速制動(dòng)時(shí)，異步電機(jī)進(jìn)入發(fā)電狀態(tài)，首先通過逆變器的續(xù)流二極管向電容C充電，當(dāng)中間直流回路的電壓（通稱泵升電壓）升高到一定的限制值時(shí)，通過泵升限制電路使開關(guān)器件導(dǎo)通，將電機(jī)釋放的動(dòng)能消耗在制動(dòng)電

24、阻上。為了便于散熱，制動(dòng)電阻器常作為附件單獨(dú)裝在變頻器機(jī)箱外邊。圖6-38 三相二極管整流電路的輸入電流波形主電路（續(xù)）u進(jìn)線電抗器進(jìn)線電抗器 二極管整流器雖然是全波整流裝置，但由于其輸出端有濾波電容存在，因此輸入電流呈脈沖波形，如圖6-38所示。 這樣的電流波形具有較大的諧波分量，使電源受到污染。 為了抑制諧波電流，對(duì)于容量較大的PWM變頻器，都應(yīng)在輸入端設(shè)有進(jìn)線電抗器，有時(shí)也可以在整流器和電容器之間串接直流電抗器。還可用來抑制電源電壓不平衡對(duì)變頻器的影響。電路分析（續(xù)）l控制電路控制電路現(xiàn)代PWM變頻器的控制電路大都是以微處理器為核心的數(shù)字電路，其功能主要是接受各種設(shè)定信息和指令，再根據(jù)它

25、們的要求形成驅(qū)動(dòng)逆變器工作的PWM信號(hào)，再根據(jù)它們的要求形成驅(qū)動(dòng)逆變器工作的PWM信號(hào)。微機(jī)芯片主要采用8位或16位的單片機(jī)，或用32位的DSP，現(xiàn)在已有應(yīng)用RISC的產(chǎn)品出現(xiàn)?？刂齐娐罚ɡm(xù)）uPWM信號(hào)產(chǎn)生信號(hào)產(chǎn)生可以由微機(jī)本身的軟件產(chǎn)生，由PWM端口輸出，也可采用專用的PWM生成電路芯片。u檢測(cè)與保護(hù)電路檢測(cè)與保護(hù)電路各種故障的保護(hù)由電壓、電流、溫度等檢測(cè)信號(hào)經(jīng)信號(hào)處理電路進(jìn)行分壓、光電隔離、濾波、放大等綜合處理，再進(jìn)入A/D轉(zhuǎn)換器，輸入給CPU作為控制算法的依據(jù)，或者作為開關(guān)電平產(chǎn)生保護(hù)信號(hào)和顯示信號(hào)?？刂齐娐罚ɡm(xù)）u信號(hào)設(shè)定信號(hào)設(shè)定需要設(shè)定的控制信息主要有：U/f 特性、工作頻率、頻率

26、升高時(shí)間、頻率下降時(shí)間等，還可以有一系列特殊功能的設(shè)定。由于通用變頻器-異步電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)是轉(zhuǎn)速或頻率開環(huán)、恒壓頻比控制系統(tǒng)，低頻時(shí)，或負(fù)載的性質(zhì)和大小不同時(shí)，都得靠改變 U / f 函數(shù)發(fā)生器的特性來補(bǔ)償，使系統(tǒng)達(dá)到恒定，甚至恒定的功能（見第6.2.2節(jié)），在通用產(chǎn)品中稱作“電壓補(bǔ)償”或“轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償”。補(bǔ)償方法 實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償?shù)姆椒ㄓ袃煞N：n一種是在微機(jī)中存儲(chǔ)多條不同斜率和折線段的U / f 函數(shù)，由用戶根據(jù)需要選擇最佳特性；n另一種辦法是采用霍耳電流傳感器檢測(cè)定子電流或直流回路電流，按電流大小自動(dòng)補(bǔ)償定子電壓。但無論如何都存在過補(bǔ)償或欠補(bǔ)償?shù)目赡?，這是開環(huán)控制系統(tǒng)的不足之處?？刂齐娐罚ɡm(xù)）u給定積分給

27、定積分由于系統(tǒng)本身沒有自動(dòng)限制起制動(dòng)電流的作用，因此，頻定設(shè)定信號(hào)必須通過給定積分算法產(chǎn)生平緩升速或降速信號(hào)，升速和降速的積分時(shí)間可以根據(jù)負(fù)載需要由操作人員分別選擇。 綜上所述，PWM變壓變頻器的基本控制作用如圖6-39所示。近年來，許多企業(yè)不斷推出具有更多自動(dòng)控制功能的變頻器，使產(chǎn)品性能更加完善，質(zhì)量不斷提高?？刂齐娐罚ɡm(xù)）tff *ufu斜坡函數(shù)U / f 曲線脈沖發(fā)生器驅(qū)動(dòng)電路工作頻率設(shè)定升降速時(shí)間設(shè)定電壓補(bǔ)償設(shè)定PWM產(chǎn)生圖6-39 PWM變壓變頻器的基本控制作用 3、應(yīng)用、應(yīng)用松下小型變頻器外部接線圖1）操作面板 參數(shù)設(shè)定 運(yùn)行速度設(shè)定 運(yùn)行控制 運(yùn)行參數(shù)顯示MODERUNSETST

28、OP50.050.0HzMINMAX電源輸入電壓輸出外部速度設(shè)定與控制輸入自帶操作面板2）變頻器供電與電動(dòng)機(jī)的連接空氣斷路器：電源總開關(guān)以及過載、短路保護(hù)接觸器：電源接通或斷開控制三相交流電動(dòng)機(jī)：被控制的對(duì)象？單相交流電供電，三相交流電輸出3）外部電位器速度設(shè)定外部接線調(diào)節(jié)電位器的位置可改變?cè)O(shè)定速度的大小參數(shù)設(shè)定在這款變頻器中，有一個(gè)參數(shù)（參數(shù)號(hào)為P09）專門用來設(shè)定速度輸入方式。參數(shù)號(hào)為P09設(shè)定數(shù)據(jù)控制方式設(shè)定內(nèi)容操作方式0面板電位器設(shè)定頻率設(shè)定電位器1數(shù)字設(shè)定鍵設(shè)定2外控電位器端子1、2、3連接的電位器305V電壓端子2、3間的電壓信號(hào)4010V電壓端子2、3間的電壓信號(hào)5420mA電流

29、端子2、3間的電流信號(hào)參數(shù)設(shè)定在這款變頻器中，有一個(gè)參數(shù)（參數(shù)號(hào)為P08）專門用來設(shè)定運(yùn)行控制方式。4）外部控制方式外部接線兩個(gè)信號(hào)控制電動(dòng)機(jī)正、反轉(zhuǎn)和運(yùn)行、停止參數(shù)號(hào)為P08設(shè)定數(shù)據(jù)控制方式操作面板復(fù)位功能操作方式0面板有運(yùn)行：RUN 停止：STOP正、反轉(zhuǎn)用dr模式設(shè)定1正轉(zhuǎn)：RUN 反轉(zhuǎn)：RUN停止：STOP2外控?zé)o5與3端：ON運(yùn)行 OFF停止6與3端：ON正轉(zhuǎn) OFF反轉(zhuǎn)4有3外控?zé)o5與3端：ON正轉(zhuǎn)運(yùn)行6與3端：ON反轉(zhuǎn)運(yùn)行5有5）總體連線與控制P08參數(shù)：3P09參數(shù)：2外部接線參數(shù)設(shè)定 異步電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型和坐標(biāo)變換異步電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型和坐標(biāo)變換 本節(jié)提要n問題的提出n

30、異步電動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型的性質(zhì)n三相異步電動(dòng)機(jī)的多變量非線性數(shù)學(xué)模型n坐標(biāo)變換和變換矩陣n三相異步電動(dòng)機(jī)在兩相坐標(biāo)系上的數(shù)學(xué)模型n三相異步電動(dòng)機(jī)在兩相坐標(biāo)系上的狀態(tài)方程 0 問題的提出問題的提出 前節(jié)論述的基于穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型的異步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)雖然能夠在一定范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速，但是，如果遇到軋鋼機(jī)、數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人、載客電梯等需要高動(dòng)態(tài)性能的調(diào)速系統(tǒng)或伺服系統(tǒng)，就不能完全適應(yīng)了。要實(shí)現(xiàn)高動(dòng)態(tài)性能的系統(tǒng)，必須首先認(rèn)真研究異步電機(jī)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型。 1 異步電動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型的性質(zhì)異步電動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型的性質(zhì)1. 直流電機(jī)數(shù)學(xué)模型的性質(zhì)直流電機(jī)數(shù)學(xué)模型的性質(zhì) 直流電機(jī)的磁通由勵(lì)磁繞組產(chǎn)生，可以在電樞合上電

31、源以前建立起來而不參與系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過程（弱磁調(diào)速時(shí)除外），因此它的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型只是一個(gè)單輸入和單輸出系統(tǒng)。直流電機(jī)直流電機(jī)模型模型Udnl 直流電機(jī)模型變量和參數(shù)n輸入變量電樞電壓 Ud ；n輸出變量轉(zhuǎn)速 n ；n控制對(duì)象參數(shù)：p機(jī)電時(shí)間常數(shù) Tm ；p電樞回路電磁時(shí)間常數(shù) Tl ；p電力電子裝置的滯后時(shí)間常數(shù) Ts 。l 控制理論和方法 在工程上能夠允許的一些假定條件下，可以描述成單變量（單輸入單輸出）的三階線性系統(tǒng)，完全可以應(yīng)用經(jīng)典的線性控制理論和由它發(fā)展出來的工程設(shè)計(jì)方法進(jìn)行分析與設(shè)計(jì)。 但是，同樣的理論和方法用來分析與設(shè)計(jì)交流調(diào)速系統(tǒng)時(shí)，就不那么方便了，因?yàn)榻涣麟姍C(jī)的數(shù)學(xué)模型和直流電機(jī)模

32、型相比有著本質(zhì)上的區(qū)別。 2. 交流電機(jī)數(shù)學(xué)模型的性質(zhì)（1）異步電機(jī)變壓變頻調(diào)速時(shí)需要進(jìn)行電壓（或電流）和頻率的協(xié)調(diào)控制，有電壓（電流）和頻率兩種獨(dú)立的輸入變量。在輸出變量中，除轉(zhuǎn)速外，磁通也得算一個(gè)獨(dú)立的輸出變量。因?yàn)殡姍C(jī)只有一個(gè)三相輸入電源，磁通的建立和轉(zhuǎn)速的變化是同時(shí)進(jìn)行的，為了獲得良好的動(dòng)態(tài)性能，也希望對(duì)磁通施加某種控制，使它在動(dòng)態(tài)過程中盡量保持恒定，才能產(chǎn)生較大的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩。l多變量、強(qiáng)耦合的模型結(jié)構(gòu) 由于這些原因，異步電機(jī)是一個(gè)多變量（多輸入多輸出）系統(tǒng)，而電壓（電流）、頻率、磁通、轉(zhuǎn)速之間又互相都有影響，所以是強(qiáng)耦合的多變量系統(tǒng)，可以先用右圖來定性地表示。A1A2Us1(Is)圖6

33、-43 異步電機(jī)的多變量、強(qiáng)耦合模型結(jié)構(gòu) l 模型的非線性（2）在異步電機(jī)中，電流乘磁通產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)速乘磁通得到感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，由于它們都是同時(shí)變化的，在數(shù)學(xué)模型中就含有兩個(gè)變量的乘積項(xiàng)。這樣一來，即使不考慮磁飽和等因素，數(shù)學(xué)模型也是非線性的。l 模型的高階性（3）三相異步電機(jī)定子有三個(gè)繞組，轉(zhuǎn)子也可等效為三個(gè)繞組，每個(gè)繞組產(chǎn)生磁通時(shí)都有自己的電磁慣性，再算上運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)電慣性，和轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)角的積分關(guān)系，即使不考慮變頻裝置的滯后因素，也是一個(gè)八階系統(tǒng)。n總起來說，異步電機(jī)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型是一個(gè)高階、非線性、強(qiáng)耦高階、非線性、強(qiáng)耦合的多變量系統(tǒng)合的多變量系統(tǒng)。2 三相異步電動(dòng)機(jī)的多變量非線性數(shù)學(xué)模型三相

34、異步電動(dòng)機(jī)的多變量非線性數(shù)學(xué)模型n 假設(shè)條件：假設(shè)條件： （1）忽略空間諧波，設(shè)三相繞組對(duì)稱，在空間互差120電角度，所產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)沿氣隙周圍按正弦規(guī)律分布； （2）忽略磁路飽和，各繞組的自感和互感都是恒定的； （3）忽略鐵心損耗； （4）不考慮頻率變化和溫度變化對(duì)繞組電阻的影響。 n物理模型物理模型 無論電機(jī)轉(zhuǎn)子是繞線型還是籠型的，都將它等效成三相繞線轉(zhuǎn)子，并折算到定子側(cè)，折算后的定子和轉(zhuǎn)子繞組匝數(shù)都相等。這樣，實(shí)際電機(jī)繞組就等效成下圖所示的三相異步電機(jī)的物理模型。 三相異步電動(dòng)機(jī)的物理模型ABCuAuBuC1uaubucabc圖6-44 三相異步電動(dòng)機(jī)的物理模型 圖中，定子三相繞組軸線 A

35、、B、C 在空間是固定的，以 A 軸為參考坐標(biāo)軸；轉(zhuǎn)子繞組軸線 a、b、c 隨轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子 a 軸和定子A 軸間的電角度 為空間角位移變量。 規(guī)定各繞組電壓、電流、磁鏈的正方向符合電動(dòng)機(jī)慣例和右手螺旋定則。這時(shí)，異步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型由下述電壓方程、磁鏈方程、轉(zhuǎn)矩方程和運(yùn)動(dòng)方程組成。1. 電壓方程三相定子繞組的電壓平衡方程為 tRiuddAsAAtRiuddBsBBtRiuddCsCC電壓方程（續(xù)） 與此相應(yīng)，三相轉(zhuǎn)子繞組折算到定子側(cè)后的電壓方程為 tRiuddaraatRiuddbrbbtRiuddcrcc 上述各量都已折算到定子側(cè)，為了簡(jiǎn)單起見，表示折算的上角標(biāo)“ ”均省略，以下同此。 式中

36、Rs, Rr定子和轉(zhuǎn)子繞組電阻。A, B, C, a, b, c 各相繞組的全磁鏈；iA, iB, iC, ia, ib, ic 定子和轉(zhuǎn)子相電流的瞬時(shí)值；uA, uB, uC, ua, ub, uc 定子和轉(zhuǎn)子相電壓的瞬時(shí)值； 電壓方程的矩陣形式 將電壓方程寫成矩陣形式，并以微分算子 p 代替微分符號(hào) d /dtcbaCBAcbaCBArrrssscbaCBA000000000000000000000000000000piiiiiiRRRRRRuuuuuu（6-67a） 或?qū)懗?Riup（6-67b） 2. 磁鏈方程 每個(gè)繞組的磁鏈?zhǔn)撬旧淼淖愿写沛満推渌@組對(duì)它的互感磁鏈之和，因此，六個(gè)繞

37、組的磁鏈可表達(dá)為 cbaCBAcCcbcacCcBcAbcbbbabCbBbAacabaaaCaBaACcCbCaCCCBCABcBbBaBCBBBAAcAbAaACABAAcbaCBAiiiiiiLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLL（6-68a） 或?qū)懗?Li（6-68b） l 電感矩陣式中，L 是66電感矩陣，其中對(duì)角線元素 LAA， LBB， LCC，Laa，Lbb，Lcc 是各有關(guān)繞組的自感，其余各項(xiàng)則是繞組間的互感。 實(shí)際上，與電機(jī)繞組交鏈的磁通主要只有兩類：一類是穿過氣隙的相間互感磁通，另一類是只與一相繞組交鏈而不穿過氣隙的漏磁通，前者是主要的。

38、 l 電感的種類和計(jì)算n定子漏感 Lls 定子各相漏磁通所對(duì)應(yīng)的電感，由于繞組的對(duì)稱性，各相漏感值均相等；n轉(zhuǎn)子漏感 Llr 轉(zhuǎn)子各相漏磁通所對(duì)應(yīng)的電感。n定子互感 Lms與定子一相繞組交鏈的最大互感磁通；n轉(zhuǎn)子互感 Lmr與轉(zhuǎn)子一相繞組交鏈的最大互感磁通。 由于折算后定、轉(zhuǎn)子繞組匝數(shù)相等，且各繞組間互感磁通都通過氣隙，磁阻相同，故可認(rèn)為 Lms = Lmr 自感表達(dá)式 對(duì)于每一相繞組來說，它所交鏈的磁通是互感磁通與漏感磁通之和，因此，定子各相自感為smsCCBBAAlLLLLL（6-69） 轉(zhuǎn)子各相自感為 rmsccbbaalLLLLL（6-70） 互感表達(dá)式 兩相繞組之間只有互感?；ジ杏址?/p>

39、為兩類：（1）定子三相彼此之間和轉(zhuǎn)子三相彼此之間位置都是固定的，故互感為常值； （2）定子任一相與轉(zhuǎn)子任一相之間的位置是變化的，互感是角位移 的函數(shù)。 p 第一類固定位置繞組的互感 三相繞組軸線彼此在空間的相位差是120，在假定氣隙磁通為正弦分布的條件下，互感值應(yīng)為， 于是 msmsms21)120cos(120cosLLLmsACCBBACABCAB21LLLLLLL（6-71） msaccbbacabcab21LLLLLLL（6-72） p 第二類變化位置繞組的互感 定、轉(zhuǎn)子繞組間的互感，由于相互間位置的變化（見圖6-44），可分別表示為 cosmscCCcbBBbaAAaLLLLLLL)

40、120cos(msaCCacBBcbAAbLLLLLLL)120cos(msbCCbaBBacAAcLLLLLLL 當(dāng)定、轉(zhuǎn)子兩相繞組軸線一致時(shí)，兩者之間的互感值最大，就是每相最大互感 Lms 。 （6-73）（6-74）（6-75）l 磁鏈方程 將式（6-69）式（6-75）都代入式（6-68a），即得完整的磁鏈方程，顯然這個(gè)矩陣方程是比較復(fù)雜的，為了方便起見，可以將它寫成分塊矩陣的形式 rsrrrssrssrsiiLLLL（6-76） TCBAsTcbarTiiiCBAsiTiiicbari式中smsmsmsmssmsmsmssms212121212121llmslLLLLLLLLLLLL

41、ssL（6-77） rmsmsmsmsrmsmsmsmsrms212121212121lllLLLLLLLLLLLLrrL（6-78） 值得注意的是， 和 兩個(gè)分塊矩陣互為轉(zhuǎn)置，且均與轉(zhuǎn)子位置 有關(guān)，它們的元素都是變參數(shù)，這是 系統(tǒng)非線性的一個(gè)根系統(tǒng)非線性的一個(gè)根源源。為了把變參數(shù)轉(zhuǎn)換成常參數(shù)須利用坐標(biāo)變換，后面將詳細(xì)討論這個(gè)問題。 cos)120cos()120cos()120cos(cos)120cos()120cos()120cos(cosmsLTsrrsLL（6-79） rsLsrLl 電壓方程的展開形式 如果把磁鏈方程（6-68b）代入電壓方程（6-67b）中，即得展開后的電壓方程

42、iLiLRiiLiLRiLiRiudddddddd)(tttp（6-80） 式中，Ldi /dt 項(xiàng)屬于電磁感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)中的脈變電動(dòng)勢(shì)（或稱變壓器電動(dòng)勢(shì)），(dL / d)i 項(xiàng)屬于電磁感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)中與轉(zhuǎn)速成正比的旋轉(zhuǎn)電動(dòng)勢(shì)。 3. 轉(zhuǎn)矩方程 根據(jù)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換原理，在多繞組電機(jī)中，在線性電感的條件下，磁場(chǎng)的儲(chǔ)能和磁共能為 LiiiTTWW2121mm（6-81） .constmp.constmmeiiWnWT（6-82） 而電磁轉(zhuǎn)矩等于機(jī)械角位移變化時(shí)磁共能的變化率 （電流約束為常值），且機(jī)械角位移 m = / np ，于是 mmW 轉(zhuǎn)矩方程的矩陣形式 將式（6-81）代入式（6-82），并考慮到

43、電感的分塊矩陣關(guān)系式（6-77）（6-79），得iLLiiLi002121rssrppeTTnnT（6-83） 又由于 代入式（6-83）得 rsrssrsrpe21iLiiLiTTnT（6-84） cbaCBArsiiiiiiTTTiii 轉(zhuǎn)矩方程的三相坐標(biāo)系形式 以式（6-79）代入式（6-84）并展開后，舍去負(fù)號(hào)，意即電磁轉(zhuǎn)矩的正方向?yàn)槭?減小的方向，則 )120sin()()120sin()(sin)(bCaBcAaCcBbAcCbBaAmspeiiiiiiiiiiiiiiiiiiLnT（6-85） 應(yīng)該指出，上述公式是在線性磁路、磁動(dòng)勢(shì)在空間按正弦分布的假定條件下得出來的，但對(duì)定、轉(zhuǎn)

44、子電流對(duì)時(shí)間的波形未作任何假定，式中的 i 都是瞬時(shí)值。 因此，上述電磁轉(zhuǎn)矩公式完全適用于變壓變頻器供電的含有電流諧波的三相異步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)。4. 電力拖動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方程 在一般情況下，電力拖動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程式是 pppLenKnDdtdnJTT（6-86） TL 負(fù)載阻轉(zhuǎn)矩； J 機(jī)組的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；D 與轉(zhuǎn)速成正比的阻轉(zhuǎn)矩阻尼系數(shù)；K 扭轉(zhuǎn)彈性轉(zhuǎn)矩系數(shù)。 運(yùn)動(dòng)方程的簡(jiǎn)化形式對(duì)于恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，D = 0 ， K = 0 ，則tnJTTddpLe（6-87） 5. 三相異步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型 將式（6-76），式（6-80），式（6-85）和式（6-87）綜合起來，再加上 tdd（6-88） 便構(gòu)成在恒轉(zhuǎn)

45、矩負(fù)載下三相異步電機(jī)的多變量非線性數(shù)學(xué)模型，用結(jié)構(gòu)圖表示出來如下圖所示 異步電機(jī)的多變量非線性動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖 (R+Lp)-1L1( )2( )1eruiTeTL npJp 它是圖6-43模型結(jié)構(gòu)的具體體現(xiàn)，表明異步電機(jī)數(shù)學(xué)模型的下列具體性質(zhì)： （1）異步電機(jī)可以看作一個(gè)雙輸入雙輸出的系統(tǒng)，輸入量是電壓向量和定子輸入角頻率，輸出量是磁鏈向量和轉(zhuǎn)子角速度。電流向量可以看作是狀態(tài)變量，它和磁鏈?zhǔn)噶恐g有由式（6-76）確定的關(guān)系。 （2）非線性因素存在于1（）和2（） 中，即存在于產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)電動(dòng)勢(shì) er 和電磁轉(zhuǎn)矩 Te 兩個(gè)環(huán)節(jié)上，還包含在電感矩陣 L 中，旋轉(zhuǎn)電動(dòng)勢(shì)和電磁轉(zhuǎn)矩的非線性關(guān)系和直流電機(jī)弱

46、磁控制的情況相似，只是關(guān)系更復(fù)雜一些。 （3）多變量之間的耦合關(guān)系主要也體現(xiàn)在 1（）和2（） 兩個(gè)環(huán)節(jié)上，特別是產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)電動(dòng)勢(shì)的1對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部的影響最大。 3 坐標(biāo)變換和變換矩陣坐標(biāo)變換和變換矩陣 上節(jié)中雖已推導(dǎo)出異步電機(jī)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型，但是，要分析和求解這組非線性方程顯然是十分困難的。在實(shí)際應(yīng)用中必須設(shè)法予以簡(jiǎn)化，簡(jiǎn)化的基本方法是坐標(biāo)變坐標(biāo)變換換。 1. 坐標(biāo)變換的基本思路 從上節(jié)分析異步電機(jī)數(shù)學(xué)模型的過程中可以看出，這個(gè)數(shù)學(xué)模型之所以復(fù)雜，關(guān)鍵是因?yàn)橛幸粋€(gè)復(fù)雜的 66 電感矩陣，它體現(xiàn)了影響磁鏈和受磁鏈影響的復(fù)雜關(guān)系。因此，要簡(jiǎn)化數(shù)學(xué)模型，須從簡(jiǎn)化磁鏈關(guān)系入手。 直流電機(jī)的物理模型 直流電

47、機(jī)的數(shù)學(xué)模型比較簡(jiǎn)單，先分析一下直流電機(jī)的磁鏈關(guān)系。圖6-46中繪出了二極直流電機(jī)的物理模型，圖中 F為勵(lì)磁繞組，A 為電樞繞組，C 為補(bǔ)償繞組。 F 和 C 都在定子上，只有 A 是在轉(zhuǎn)子上。 把 F 的軸線稱作直軸或 d 軸（direct axis），主磁通的方向就是沿著 d 軸的；A和C的軸線則稱為交軸或q 軸（quadrature axis）。圖6-46 二極直流電機(jī)的物理模型dqFACifiaic勵(lì)磁繞組電樞繞組補(bǔ)償繞組 雖然電樞本身是旋轉(zhuǎn)的，但其繞組通過換向器電刷接到端接板上，電刷將閉合的電樞繞組分成兩條支路。當(dāng)一條支路中的導(dǎo)線經(jīng)過正電刷歸入另一條支路中時(shí)，在負(fù)電刷下又有一根導(dǎo)線補(bǔ)

48、回來。 這樣，電刷兩側(cè)每條支路中導(dǎo)線的電流方向總是相同的，因此，電樞磁動(dòng)勢(shì)的軸線始終被電刷限定在 q 軸位置上，其效果好象一個(gè)在 q 軸上靜止的繞組一樣。 但它實(shí)際上是旋轉(zhuǎn)的，會(huì)切割 d 軸的磁通而產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)電動(dòng)勢(shì)，這又和真正靜止的繞組不同，通常把這種等效的靜止繞組稱作“偽靜止繞組”（pseudo - stationary coils）。 分析結(jié)果 電樞磁動(dòng)勢(shì)的作用可以用補(bǔ)償繞組磁動(dòng)勢(shì)抵消，或者由于其作用方向與 d 軸垂直而對(duì)主磁通影響甚微，所以直流電機(jī)的主磁通基本上唯一地由勵(lì)磁繞組的勵(lì)磁電流決定，這是直流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型及其控制系統(tǒng)比較簡(jiǎn)單的根本原因。 交流電機(jī)的物理模型 如果能將交流電機(jī)的物理

49、模型（見下圖）等效地變換成類似直流電機(jī)的模式，分析和控制就可以大大簡(jiǎn)化。坐標(biāo)變換正是按照這條思路進(jìn)行的。 在這里，不同電機(jī)模型彼此等效的原則是：在不同坐標(biāo)下所產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)完全一致。 眾所周知，交流電機(jī)三相對(duì)稱的靜止繞組 A 、B 、C ，通以三相平衡的正弦電流時(shí)，所產(chǎn)生的合成磁動(dòng)勢(shì)是旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)F，它在空間呈正弦分布，以同步轉(zhuǎn)速 1 （即電流的角頻率）順著 A-B-C 的相序旋轉(zhuǎn)。這樣的物理模型繪于下圖a中。 （1）交流電機(jī)繞組的等效物理模型ABCABCiAiBiCF1a）三相交流繞組 旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)的產(chǎn)生 然而，旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)并不一定非要三相不可，除單相以外，二相、三相、四相、 等任意對(duì)稱的多相繞組，

50、通以平衡的多相電流，都能產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)，當(dāng)然以兩相最為簡(jiǎn)單。 （2）等效的兩相交流電機(jī)繞組Fii1b）兩相交流繞組 圖b中繪出了兩相靜止繞組 和 ，它們?cè)诳臻g互差90，通以時(shí)間上互差90的兩相平衡交流電流，也產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì) F 。 當(dāng)圖a和b的兩個(gè)旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)大小和轉(zhuǎn)速都相等時(shí)，即認(rèn)為圖b的兩相繞組與圖a的三相繞組等效。 （3）旋轉(zhuǎn)的直流繞組與等效直流電機(jī)模型1FMTimitMTc）旋轉(zhuǎn)的直流繞組 再看圖c中的兩個(gè)匝數(shù)相等且互相垂直的繞組 M 和 T，其中分別通以直流電流 im 和it，產(chǎn)生合成磁動(dòng)勢(shì) F ，其位置相對(duì)于繞組來說是固定的。 如果讓包含兩個(gè)繞組在內(nèi)的整個(gè)鐵心以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，則磁動(dòng)勢(shì)

51、 F 自然也隨之旋轉(zhuǎn)起來，成為旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)。 把這個(gè)旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)的大小和轉(zhuǎn)速也控制成與圖 a 和圖 b 中的磁動(dòng)勢(shì)一樣，那么這套旋轉(zhuǎn)的直流繞組也就和前面兩套固定的交流繞組都等效了。當(dāng)觀察者也站到鐵心上和繞組一起旋轉(zhuǎn)時(shí)，在他看來，M 和 T 是兩個(gè)通以直流而相互垂直的靜止繞組。 如果控制磁通的位置在 M 軸上，就和直流電機(jī)物理模型沒有本質(zhì)上的區(qū)別了。這時(shí)，繞組M相當(dāng)于勵(lì)磁繞組，T 相當(dāng)于偽靜止的電樞繞組。 等效的概念 由此可見，以產(chǎn)生同樣的旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)為準(zhǔn)則，圖a的三相交流繞組、圖b的兩相交流繞組和圖c中整體旋轉(zhuǎn)的直流繞組彼此等效。或者說，在三相坐標(biāo)系下的 iA、iB 、iC，在兩相坐標(biāo)系下的 i、i

52、 和在旋轉(zhuǎn)兩相坐標(biāo)系下的直流 im、it 是等效的，它們能產(chǎn)生相同的旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)。 有意思的是：就圖c 的 M、T 兩個(gè)繞組而言，當(dāng)觀察者站在地面看上去，它們是與三相交流繞組等效的旋轉(zhuǎn)直流繞組；如果跳到旋轉(zhuǎn)著的鐵心上看，它們就的的確確是一個(gè)直流電機(jī)模型了。這樣，通過坐標(biāo)系的變換，可以找到與交流三相繞組等效的直流電機(jī)模型。 現(xiàn)在的問題是，如何求出iA、iB 、iC 與 i、i 和 im、it 之間準(zhǔn)確的等效關(guān)系，這就是坐標(biāo)變換的任務(wù)。 2. 三相-兩相變換（3/2變換） 現(xiàn)在先考慮上述的第一種坐標(biāo)變換在三相靜止繞組A、B、C和兩相靜止繞組、 之間的變換，或稱三相靜止坐標(biāo)系和兩相靜止坐標(biāo)系間的變換，

53、簡(jiǎn)稱 3/2 變換。 下圖中繪出了 A、B、C 和 、 兩個(gè)坐標(biāo)系，為方便起見，取 A 軸和 軸重合。設(shè)三相繞組每相有效匝數(shù)為N3，兩相繞組每相有效匝數(shù)為N2，各相磁動(dòng)勢(shì)為有效匝數(shù)與電流的乘積，其空間矢量均位于有關(guān)相的坐標(biāo)軸上。由于交流磁動(dòng)勢(shì)的大小隨時(shí)間在變化著，圖中磁動(dòng)勢(shì)矢量的長(zhǎng)度是隨意的。 三相和兩相坐標(biāo)系與繞組磁動(dòng)勢(shì)的空間矢量 AN2iN3iAN3iCN3iBN2i60o60oCB 設(shè)磁動(dòng)勢(shì)波形是正弦分布的，當(dāng)三相總磁動(dòng)勢(shì)與二相總磁動(dòng)勢(shì)相等時(shí)，兩套繞組瞬時(shí)磁動(dòng)勢(shì)在 、 軸上的投影都應(yīng)相等， )2121(60cos60cosCBA3C3B3A32iiiNiNiNiNiN)(2360sin6

54、0sinCB3C3B32iiNiNiNiN寫成矩陣形式，得CBA232323021211iiiNNii（6-89） 考慮變換前后總功率不變，在此前提下，可以證明（見附錄2），匝數(shù)比應(yīng)為3223NN（6-90） 代入式（6-89），得CBA232302121132iiiii（6-91） 令 C3/2 表示從三相坐標(biāo)系變換到兩相坐標(biāo)系的變換矩陣，則 2323021211322/3C（6-92） 三相兩相坐標(biāo)系的變換矩陣 如果三相繞組是Y形聯(lián)結(jié)不帶零線，則有 iA + iB + iC = 0，或 iC = iA iB 。代入式（6-92）和（6-93）并整理后得BA221023iiii（6-94）

55、BA2161032iiii（6-95） 按照所采用的條件，電流變換陣也就是電壓變換陣，同時(shí)還可證明，它們也是磁鏈的變換陣。3. 兩相兩相旋轉(zhuǎn)變換（2s/2r變換） 從上圖等效的交流電機(jī)繞組和直流電機(jī)繞組物理模型的圖 b 和圖 c 中從兩相靜止坐標(biāo)系到兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系 M、T 變換稱作兩相兩相旋轉(zhuǎn)變換，簡(jiǎn)稱 2s/2r 變換，其中 s 表示靜止，r 表示旋轉(zhuǎn)。 把兩個(gè)坐標(biāo)系畫在一起，即得下圖。l 兩相靜止和旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系與磁動(dòng)勢(shì)（電流）空間矢量 it siniFs1imcosimimsinitcosiitMT 圖中，兩相交流電流 i、i 和兩個(gè)直流電流 im、it 產(chǎn)生同樣的以同步轉(zhuǎn)速1旋轉(zhuǎn)的合成磁動(dòng)

56、勢(shì) Fs 。由于各繞組匝數(shù)都相等，可以消去磁動(dòng)勢(shì)中的匝數(shù)，直接用電流表示，例如 Fs 可以直接標(biāo)成 is 。但必須注意，這里的電流都是空間矢量，而不是時(shí)間相量。 M，T 軸和矢量 Fs（ is ）都以轉(zhuǎn)速 1 旋轉(zhuǎn)，分量 im、it 的長(zhǎng)短不變，相當(dāng)于M，T繞組的直流磁動(dòng)勢(shì)。 但 、 軸是靜止的， 軸與 M 軸的夾角 隨時(shí)間而變化，因此 is 在 、 軸上的分量的長(zhǎng)短也隨時(shí)間變化，相當(dāng)于繞組交流磁動(dòng)勢(shì)的瞬時(shí)值。由圖可見， i、 i 和 im、it 之間存在下列關(guān)系 sincostmiiicossintmiii 2s/2r變換公式寫成矩陣形式，得 tms2/ r2tmcossinsincosii

57、Ciiii（6-96） cossinsincoss2/ r2C（6-97） 是兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系變換到兩相靜止坐標(biāo)系的變換陣。 式中 兩相旋轉(zhuǎn)兩相靜止坐標(biāo)系的變換矩陣 對(duì)式（6-96）兩邊都左乘以變換陣的逆矩陣，即得 1tmcossinsincoscossinsincosiiiiii (6-98) cossinsincosr2/ s2C (6-99) 則兩相靜止坐標(biāo)系變換到兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的變換陣是 電壓和磁鏈的旋轉(zhuǎn)變換陣也與電流（磁動(dòng)勢(shì)）旋轉(zhuǎn)變換陣相同。 兩相靜止兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的變換矩陣 變換過程 具體的變換運(yùn)算比較復(fù)雜，此處從略，需要時(shí)可參看附錄3。ABC坐標(biāo)系 坐標(biāo)系dq坐標(biāo)系3/2變換C2s

58、/2r 基于動(dòng)態(tài)模型按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的基于動(dòng)態(tài)模型按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的 矢量控制系統(tǒng)矢量控制系統(tǒng)本節(jié)提要本節(jié)提要n矢量控制系統(tǒng)的基本思路n按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的矢量控制方程及其解耦作用n轉(zhuǎn)子磁鏈模型n轉(zhuǎn)速、磁鏈閉環(huán)控制的矢量控制系統(tǒng)直接矢量控制系統(tǒng)n磁鏈開環(huán)轉(zhuǎn)差型矢量控制系統(tǒng)間接矢量控制系統(tǒng)p 概 述 上一節(jié)中表明，異步電機(jī)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型是一個(gè)高階、非線性、強(qiáng)耦合的多變量系統(tǒng)，通過坐標(biāo)變換，可以使之降階并化簡(jiǎn)，但并沒有改變其非線性、多變量的本質(zhì)。需要高動(dòng)態(tài)性能的異步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)必須在其動(dòng)態(tài)模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)，但要完成這一任務(wù)并非易事。經(jīng)過多年的潛心研究和實(shí)踐，有幾種控制方案已經(jīng)獲得了成功的應(yīng)用，目

59、前應(yīng)用最廣的就是按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的矢量控制系統(tǒng)。1 矢量控制系統(tǒng)的基本思路矢量控制系統(tǒng)的基本思路 在第6.6.3節(jié)中已經(jīng)闡明，以產(chǎn)生同樣的旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)為準(zhǔn)則，在三相坐標(biāo)系上的定子交流電流 iA、 iB 、iC ，通過三相/兩相變換可以等效成兩相靜止坐標(biāo)系上的交流電流 i、i ，再通過同步旋轉(zhuǎn)變換，可以等效成同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系上的直流電流 im 和 it 。 如果觀察者站到鐵心上與坐標(biāo)系一起旋轉(zhuǎn)，他所看到的便是一臺(tái)直流電機(jī)，可以控制使交流電機(jī)的轉(zhuǎn)子總磁通 r 就是等效直流電機(jī)的磁通，則M繞組相當(dāng)于直流電機(jī)的勵(lì)磁繞組，im 相當(dāng)于勵(lì)磁電流，T 繞組相當(dāng)于偽靜止的電樞繞組，it 相當(dāng)于與轉(zhuǎn)矩成正比的電樞電流

60、。 把上述等效關(guān)系用結(jié)構(gòu)圖的形式畫出來，便得到下圖。從整體上看，輸入為A，B，C三相電壓，輸出為轉(zhuǎn)速 ，是一臺(tái)異步電機(jī)。從內(nèi)部看，經(jīng)過3/2變換和同步旋轉(zhuǎn)變換，變成一臺(tái)由 im 和 it 輸入，由 輸出的直流電機(jī)。圖6-52 異步電動(dòng)機(jī)的坐標(biāo)變換結(jié)構(gòu)圖3/2三相/兩相變換; VR同步旋轉(zhuǎn)變換; M軸與軸（A軸）的夾角 3/2VR等效直流等效直流電機(jī)模型電機(jī)模型ABC iAiBiCit1im1ii異步電動(dòng)機(jī)異步電動(dòng)機(jī) 異步電機(jī)的坐標(biāo)變換結(jié)構(gòu)圖 既然異步電機(jī)經(jīng)過坐標(biāo)變換可以等效成直流電機(jī)，那么，模仿直流電機(jī)的控制策略，得到直流電機(jī)的控制量，經(jīng)過相應(yīng)的坐標(biāo)反變換，就能夠控制異步電機(jī)了。 由于進(jìn)行坐標(biāo)