運(yùn)動(dòng)控制,陳伯時(shí),第六章課件

1、運(yùn)動(dòng)控制運(yùn)動(dòng)控制自動(dòng)化教研室自動(dòng)化教研室屈薇薇屈薇薇異步電機(jī)工作原理異步電機(jī)工作原理自動(dòng)化教研室轉(zhuǎn)子上鑲有若干導(dǎo)條，導(dǎo)條兩端用導(dǎo)電環(huán)短接，形成電氣回路，這種轉(zhuǎn)子稱為鼠籠轉(zhuǎn)子流過電流的導(dǎo)條在磁場(chǎng)中受到電磁力的作用，其受力方向按左手定則確定異步電機(jī)工作原理：轉(zhuǎn)子導(dǎo)體在旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)中產(chǎn)生感應(yīng)電流，而流過電流的轉(zhuǎn)子導(dǎo)體在磁場(chǎng)中又受到電磁力的作用，從而使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)起來N極和S極下的導(dǎo)條都受到統(tǒng)一方向的電磁力作用，產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)子隨外力旋轉(zhuǎn)方向轉(zhuǎn)動(dòng)，即轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向與磁場(chǎng)的選擇方向相同?！爱惒健钡暮x是指轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速 n永遠(yuǎn)比同步轉(zhuǎn)速n1（既旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速）小。旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子導(dǎo)體間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)體中產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)

2、導(dǎo)條兩端用導(dǎo)電環(huán)短接，形成電氣回路，導(dǎo)體中產(chǎn)生電流右手定則因?yàn)?，如果轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速 n 達(dá)到同步轉(zhuǎn)速n1 ，則轉(zhuǎn)子導(dǎo)體將不再切割磁力線，因而感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)、感應(yīng)電流和電磁場(chǎng)轉(zhuǎn)矩均為零，轉(zhuǎn)子將減速，因此，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速總是低于同步轉(zhuǎn)速。11nnns 旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的同步轉(zhuǎn)速n1與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n之差稱為轉(zhuǎn)差。轉(zhuǎn)差與同步轉(zhuǎn)速n1之比稱為轉(zhuǎn)差率 ，用s表示異步電機(jī)穩(wěn)態(tài)等效電路異步電機(jī)穩(wěn)態(tài)等效電路自動(dòng)化教研室 根據(jù)電機(jī)學(xué)原理，在下述三個(gè)假定條件下：忽略空間和時(shí)間諧波，忽略磁飽和，忽略鐵損，異步電機(jī)的穩(wěn)態(tài)等效電路Us1RsLlsLlrLmRr /sIsI0IrRs、Rr 定子每相電阻和折合到定子側(cè)的 轉(zhuǎn)子每相電阻；Lls、Llr

3、 定子每相漏感和折合到定子側(cè)的 轉(zhuǎn)子每相漏感； Lm定子每相繞組產(chǎn)生氣隙主磁通的 等效電感，即勵(lì)磁電感；Us、1 定子相電壓和供電角頻率； s 轉(zhuǎn)差率。2r1s212r1ssrllLCLsRCRUImsm1s1s111LLLjLjRCll轉(zhuǎn)子電流LmLl1，則，C1 1 這相當(dāng)于將上述假定條件的第條改為忽略鐵損和勵(lì)磁電流。這樣，電流公式可簡(jiǎn)化成2rs212rssrsllLLsRRUII令電磁功率 Pm = 3Ir2 Rr /s 同步機(jī)械角轉(zhuǎn)速m1 = 1 / npnp 極對(duì)數(shù)，則異步電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩為p2mrerm112psr222r1s1sr33/llnPRTIsn U RsRRLLs當(dāng)轉(zhuǎn)速或

4、轉(zhuǎn)差率一定時(shí)，電磁轉(zhuǎn)電磁轉(zhuǎn)矩與定子電壓的平方成正比矩與定子電壓的平方成正比。異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性方程異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性TeOnn0TemaxsmTLUsN0.7UsNABCFDE0.5UsN風(fēng)機(jī)類負(fù)載特性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載特性p2mrerm112psr222r1s1sr33/llnPRTIsn U RsRRLLs對(duì)應(yīng)于最大轉(zhuǎn)矩時(shí)的靜差率和最大轉(zhuǎn)矩dTe/ds=02rs212srm)(llLLRRs2rs212ss12spmaxe)(23llLLRRUnT帶恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載工作時(shí)，普通籠型異步電機(jī)變電壓時(shí)的穩(wěn)定工作點(diǎn)為 A、B、C，轉(zhuǎn)差率 s 的變化范圍不超過 0 sm ，調(diào)速范圍有限。

5、如果帶風(fēng)機(jī)類負(fù)載運(yùn)行，則工作點(diǎn)為D、E、F，調(diào)速范圍可以大一些0籠型異步電動(dòng)機(jī)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)（籠型異步電動(dòng)機(jī)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)（VVVF系統(tǒng)）系統(tǒng)）自動(dòng)化教研室變壓調(diào)速是異步電機(jī)調(diào)速方法中比較簡(jiǎn)便的一種。由電力拖動(dòng)原理可知，當(dāng)異步電機(jī)等效電路的參數(shù)不變時(shí)，在相同的轉(zhuǎn)速下，電磁轉(zhuǎn)矩Te與定子電壓Us的平方成正比，因此，改變定子外加電壓就可以改變機(jī)械特性的函數(shù)關(guān)系，從而改變電機(jī)在一定負(fù)載轉(zhuǎn)矩下的轉(zhuǎn)速。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

6、應(yīng)用面很廣，是本篇的重點(diǎn)。變壓變頻調(diào)速的基本控制方式異步電動(dòng)機(jī)電壓頻率協(xié)調(diào)控制時(shí)的機(jī)械特性*電力電子變壓變頻器的主要類型變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)中的脈寬調(diào)制（PWM）技術(shù)基于異步電動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)模型的變壓變頻調(diào)速異步電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型和坐標(biāo)變換基于動(dòng)態(tài)模型按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的矢量控制系統(tǒng)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) 變壓變頻調(diào)速的基本方式變壓變頻調(diào)速的基本方式自動(dòng)化教研室磁通m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 Eg 氣隙磁通在定子

7、每相中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的有效值，單位為V；f1定子頻率，單位為Hz； Ns定子每相繞組串聯(lián)匝數(shù)；kNs基波繞組系數(shù)； m每極氣隙磁通量，單位為Wb。 1. 基頻以下調(diào)速 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 g1Ef 常值恒值電動(dòng)勢(shì)頻率比恒值電動(dòng)勢(shì)頻率比繞組中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)是難以直接控制的，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常值1fUs恒壓頻比恒壓頻比變壓變頻調(diào)速的基本方式變壓變頻調(diào)速的基本方式自動(dòng)化教研室OUsf 1UsNf 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 人為地把電壓 Us 抬高一些，以

8、便近似地補(bǔ)近似地補(bǔ)償定子壓降償定子壓降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。f1N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異步電機(jī)變壓變頻調(diào)速的控制特性 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，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”。異步電動(dòng)機(jī)電壓頻率協(xié)調(diào)控制異

9、步電動(dòng)機(jī)電壓頻率協(xié)調(diào)控制時(shí)的時(shí)的機(jī)械特性機(jī)械特性自動(dòng)化教研室2ppsr2mrer2m1122r1s1sr33/llnn U RsPRTIsRRLLs恒壓恒頻正弦波供電時(shí)的機(jī)械特性方程式 當(dāng)定子電壓 Us 和電源角頻率 1 恒定時(shí)2rs2122rsr121spe)()(3llLLsRsRRsUnT當(dāng)s很小時(shí)sRsUnTr121spe3當(dāng) s 接近于1時(shí)，可忽略分母中的Rr sLLRsRUnTll1)(32rs212sr121spe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; s接近于1時(shí)轉(zhuǎn)矩近似與s成反比，Te = f（s）是對(duì)稱于原點(diǎn)的一段雙曲線smnn0sTe01

10、0TeTemaxTemax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段eTse1Ts基頻以下電壓基頻以下電壓-頻率協(xié)調(diào)控制時(shí)頻率協(xié)調(diào)控制時(shí)的機(jī)械的機(jī)械特性特性2rs2122rsr121spe)()(3llLLsRsRRsUnT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1. 恒壓頻比控制（ Us /1 ） 同步轉(zhuǎn)速隨頻率變化p10260nn帶負(fù)載時(shí)的轉(zhuǎn)速降落1p0260snsnn000100%NnnnsnnsRsUnTr121spe321sper13UnTRs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

11、，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2rs212ss12spmaxe)(23llLLRRUnT2rs21s1s21spmaxe)(123llLLRRUnT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)帶載能力恒壓頻恒壓頻比控制時(shí)變壓調(diào)速的機(jī)械特性比控制時(shí)變壓調(diào)速的機(jī)械特性自動(dòng)化教研室eTOnN0n03n02n01nN1111213131211N1補(bǔ)償定子壓降

12、后的特性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)械特性自動(dòng)化教研室 2. 恒 Eg / 1 控制 Us1RsLlsLlrLmRr /sIsI0IrErEgEs 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)子繞組中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)（折合到定子邊）。 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）mNs1g44. 4SkNfE 2r212rgrlLsREI轉(zhuǎn)子電流p2mrerm113nPRTIs22pggr1rep22222

13、11r1r2 2r1r33llnEERsRTnsRsLRLs當(dāng)s很小時(shí)，可忽略分母中含 s 項(xiàng)sRsEnTr121gpe3當(dāng) s 接近于1時(shí)，可忽略分母中的 Rr2 項(xiàng)sLsREnTl132 r1r21gpe 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22pggr1rep2222211r1r2 2r1r33llnEERsRTnsRsLRLs2rs2122rsr121spe)()(3llLLsRsRRsUnT1. 恒壓頻比控制（ Us /1 ） 2. 恒電動(dòng)勢(shì)頻比控制（Eg

14、/ 1） 恒Eg /1控制特性在最大轉(zhuǎn)矩時(shí)的轉(zhuǎn)差率 r1rmlLRs最大轉(zhuǎn)矩r21gpmaxe123lLEnTeTOnN0n03n02n01nN1111213131211N1Temax當(dāng)Eg /1 為恒值時(shí)，Temax 恒定不變，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)。 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 特性的線性段范圍更寬?；l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)械特性自動(dòng)

15、化教研室3. 恒 Er / 1 控制 Us1RsLlsLlrLmRr /sIsI0IrErEgEs轉(zhuǎn)子漏抗sREI/rrr轉(zhuǎn)子電流22prrr1ep211rr33nEREsTnsRRs電磁轉(zhuǎn)矩0s10Te恒 Er /1 控制恒 Eg /1 控制恒 Us /1 控制ab c怎樣控制變頻裝置的電壓和頻率才能獲得恒定的 Er /1 ？mNs1g44. 4SkNfE 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 rmNs1r44. 4skNfE 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 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

16、/1 了。這正是矢量控制系統(tǒng)所遵循的原則幾種協(xié)調(diào)控制方式的比較幾種協(xié)調(diào)控制方式的比較自動(dòng)化教研室在正弦波供電時(shí)，按不同規(guī)律實(shí)現(xiàn)電壓頻率協(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

17、性，按照轉(zhuǎn)子全磁通 rm 恒定進(jìn)行控制，即得 Er /1 = Constant在動(dòng)態(tài)中也盡可能保持 rm 恒定是矢量控制系統(tǒng)的目標(biāo)，當(dāng)然實(shí)現(xiàn)起來是比較復(fù)雜的。 0s10Te恒 Er /1 控制恒 Eg /1 控制恒 Us /1 控制ab c電力電子變壓變頻器的主要類型電力電子變壓變頻器的主要類型自動(dòng)化教研室對(duì)于異步電機(jī)的變壓變頻調(diào)速，必須具備能夠同時(shí)控制電壓幅值和頻率的交流電源，而電網(wǎng)提供的是恒壓恒頻的電源，因此應(yīng)該配置變壓變頻器，又稱VVVF（Variable Voltage Variable Frequency）裝置VVVF裝置旋轉(zhuǎn)變頻機(jī)組，即由直流電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)交流同步發(fā)電機(jī)，調(diào)節(jié)直流電動(dòng)機(jī)

18、的轉(zhuǎn)速就能控制交流發(fā)電機(jī)輸出電壓和頻率。 電力電子器件獲得廣泛應(yīng)用以后，更多使用靜止式的變壓變頻器 交-直-交變壓變頻器電壓源型逆變器電流源型逆變器交-交變壓變頻器交交-交變壓變頻器交變壓變頻器 自動(dòng)化教研室交交變頻交交變頻AC50HzACVRVFId-Id+-+負(fù)負(fù)載載50Hz50Hzu0 常用的交-交變壓變頻器輸出的每一相都是一個(gè)由正、反兩組晶閘管可控整流裝置反并聯(lián)的可逆線路，即每一相都相當(dāng)于一套直流可逆調(diào)速系統(tǒng)的反并聯(lián)可逆線路整半周控制方式整半周控制方式 正、反兩組按一定周期相互切換，在負(fù)載上就獲得交變的輸出電壓 u0 ， u0 的幅值決定于各組可控整流裝置的控制角 ， u0 的頻率決定

19、于正、反兩組整流裝置的切換頻率。如果控制角一直不變，則輸出平均電壓是方波tu0正組通正組通反組通反組通正組通正組通反組通反組通 調(diào)制控制方式調(diào)制控制方式 要獲得正弦波輸出，就必須在每一組整流裝置導(dǎo)通期間不斷改變其控制角。例如例如：在正向組導(dǎo)通的半個(gè)周期中，使控制角 由/2（對(duì)應(yīng)于平均電壓 u0 = 0）逐漸減小到 0（對(duì)應(yīng)于 u0 最大），然后再逐漸增加到 /2（ u0 再變?yōu)?）2AO t 0 2 BCDEFu0恒壓恒頻恒壓恒頻(CVCF)變壓變頻變壓變頻(VVVF)直直-交交-直變壓變頻器直變壓變頻器自動(dòng)化教研室VVVF中間直流環(huán)節(jié)中間直流環(huán)節(jié)CVCF逆變逆變DCACAC50Hz整流整流交

20、-直-交變壓變頻器先將工頻交流電源通過整流器變換成直流，再通過逆變器變換成可控頻率和電壓的交流SCR可控可控整流器整流器六六 拍拍逆變器逆變器DCACAC50Hz調(diào)頻調(diào)頻調(diào)壓調(diào)壓可控整流器調(diào)壓、六拍逆變器調(diào)頻的交-直-交變壓變頻器VVVF中間直流環(huán)節(jié)中間直流環(huán)節(jié)CVCFPWM逆變器逆變器DCACAC50Hz調(diào)壓調(diào)頻調(diào)壓調(diào)頻C交-直-交PWM變壓變頻器二極管不控二極管不控整流器整流器由由功率開關(guān)功率開關(guān)器件組成器件組成的的脈寬調(diào)制逆脈寬調(diào)制逆變器變器 PWM變壓變頻器的優(yōu)點(diǎn)： （1）結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單、效率高 （2）輸出諧波少 （3）動(dòng)態(tài)性能好 （4）功率因數(shù)高PWM變壓變頻器常用的功率開關(guān)器件有：

21、P-MOSFET IGBT 在交-直-交變壓變頻器中，按照中間直流環(huán)節(jié)直流電源性質(zhì)的不同，逆變器可以分成電壓源型電壓源型和電流源型電流源型兩類，兩種類型的實(shí)際區(qū)別在于直流環(huán)節(jié)采用怎樣的濾波器實(shí)際區(qū)別在于直流環(huán)節(jié)采用怎樣的濾波器直直-交交-直變壓變頻器直變壓變頻器自動(dòng)化教研室逆變器逆變器LdIdCdUdUd+-a) 電壓源逆變器b) 電流源逆變器電壓源型逆變器電壓源型逆變器（Voltage Source Inverter -VSI ），直流環(huán)節(jié)采用大電容濾波，因而直流電壓波形比較平直，在理想情況下是一個(gè)內(nèi)阻為零的恒壓源，輸出交流電壓是矩形波或階梯波電流源型逆變器電流源型逆變器（Current S

22、ource Inverter- CSI），直流環(huán)節(jié)采用大電感濾波，直流電流波形比較平直，相當(dāng)于一個(gè)恒流源，輸出交流電流是矩形波或階梯波（1）無功能量的緩沖）無功能量的緩沖濾波器除濾波外還起著對(duì)無功功率的緩沖作用，使它不致影響到交流電網(wǎng)。兩類逆變器的區(qū)別還表現(xiàn)在采用什么儲(chǔ)能元件（電容器或電感器）來緩沖無功能量。 （2）回饋）回饋 用電流源型逆變器給異步電機(jī)供電的電流源型變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)容易實(shí)現(xiàn)能量的回饋，從而便于四象限運(yùn)行，適用于需要回饋制動(dòng)和經(jīng)常正、反轉(zhuǎn)的生產(chǎn)機(jī)械。采用電壓源型的交-直-交變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)回饋制動(dòng)和四象限運(yùn)行卻很困難，因?yàn)槠渲虚g直流環(huán)節(jié)有大電容鉗制著電壓的極性，不可能迅速

23、反向，而電流受到器件單向?qū)щ娦缘闹萍s也不能反向，所以在原裝置上無法實(shí)現(xiàn)回饋制動(dòng)直直-交交-直變壓變頻器直變壓變頻器自動(dòng)化教研室逆變器逆變器LdIdCdUdUd+-a) 電壓源逆變器b) 電流源逆變器電壓源型逆變器輸出的電壓波形為方波（3）動(dòng)態(tài)響應(yīng)）動(dòng)態(tài)響應(yīng) 電流源型變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的直流電壓可以迅速改變，所以動(dòng)態(tài)響應(yīng)比較快電壓源型變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)就慢得多。（4）輸出波形）輸出波形 電流源型逆變器輸出的電流波形為方波（5）應(yīng)用場(chǎng)合應(yīng)用場(chǎng)合 電壓源型逆變器屬恒壓源，電壓控制響應(yīng)慢，不易波動(dòng)，所以適于做多臺(tái)電機(jī)同步運(yùn)行時(shí)的供電電源，或單臺(tái)電機(jī)調(diào)速但不要求快速起制動(dòng)和快速減速的場(chǎng)合。采用電流

24、源型逆變器的系統(tǒng)則相反，不適用于多電機(jī)傳動(dòng)，但可以滿足快速起制動(dòng)和可逆運(yùn)行的要求。變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)中的脈寬調(diào)制變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)中的脈寬調(diào)制(PWM)技術(shù)技術(shù)自動(dòng)化教研室早期六拍階梯逆變器存在的主要問題：l 采用半控式晶閘管l 開關(guān)頻率較低l 主電路兩個(gè)變流器需要協(xié)調(diào)控制l 電壓（直流環(huán)節(jié)）變化動(dòng)態(tài)響應(yīng)慢l 交流輸入側(cè)功率因數(shù)差l 逆變器輸出諧波分量大解決方法：應(yīng)用PWM控制技術(shù)逆變器一個(gè)工作周期中，其開關(guān)元件根據(jù)目標(biāo)函數(shù)要求按一定規(guī)律作多次開工作，稱為基于PWM控制技術(shù)的逆變器把一個(gè)正弦半波分作N等分，然后把每一等分的正弦曲線和橫軸所包圍的面積都用一個(gè)與此面積相等的等高矩形脈沖代替，矩形脈沖的

25、重點(diǎn)與正弦波每一等分的中點(diǎn)重合沖量等效原理由N個(gè)等幅而不等寬的矩形脈沖所組成的波形就與正弦的半周等效由于各脈沖的幅值相等，所以逆變器可由恒定的直流電源供電，符合逆變器的電能直交變換模式。SPWM調(diào)制調(diào)制原理原理自動(dòng)化教研室以正弦波作為逆變器輸出的期望波形，以頻率比期望波高得多的等腰三角波作為載波（Carrier wave），并用頻率和期望波相同的正弦波作為調(diào)制波（Modulation wave），當(dāng)調(diào)制波與載波相交時(shí)，由它們的交點(diǎn)確定逆變器開關(guān)器件的通斷時(shí)刻，從而獲得在正弦調(diào)制波的半個(gè)周期內(nèi)呈兩邊窄中間寬的一系列等幅不等寬的矩形波。圖6-5urucuOtOtuouofuoUd- Ud 通過改變

26、調(diào)制波的頻率和幅值，來改變輸出的頻率和幅值。矩形波的面積按正弦規(guī)率變化。這種調(diào)制方法稱作正弦波脈寬調(diào)制（Sinusoidal pulse width modulation，簡(jiǎn)稱SPWM），這種序列的矩形波稱作SPWM波。 正弦波脈寬調(diào)制（正弦波脈寬調(diào)制（SPWM）技術(shù)）技術(shù)自動(dòng)化教研室如果在正弦調(diào)制波半個(gè)周期內(nèi)，三角載波在正負(fù)極性之間連續(xù)變化，則SPWM波也是在正負(fù)之間變化，叫做雙極性控制方式。圖6-5urucuOtOtuouofuoUd- Ud圖6-6urucuOtOtuouofuoUd-Ud如果在正弦調(diào)制波的半個(gè)周期內(nèi)，三角載波只在正或負(fù)的一種極性范圍內(nèi)變化，所得到的SPWM波也只處于一個(gè)

27、極性的范圍內(nèi)，叫做單極性控制方式。比較：雙極性調(diào)制和單極性調(diào)制都通過調(diào)制波和載波比較，在交點(diǎn)處產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)信號(hào)。單極性調(diào)制在輸出交流的半周內(nèi)只有單一極性的脈沖，因此輸出電壓（基波值）較高。雙極性調(diào)制同相上下橋臂的開關(guān)器件交替導(dǎo)通，交易產(chǎn)生直通現(xiàn)象，因此同相上下橋臂開關(guān)的關(guān)斷和導(dǎo)通之間要有一定的時(shí)間間隔，稱為“死區(qū)”，以確保不產(chǎn)生直通現(xiàn)象。三相橋式PWM逆變器的雙極性SPWM波形 uuAOO tOOOOUd2-Ud2uBOuCOuAB t t t tO turaurburcut小結(jié)： 脈寬調(diào)制是以逆變器的功率器件的快速而有規(guī)律的開關(guān)，形成一系列有規(guī)則的矩形方波，以和期望的控制電壓等效。 正弦脈寬調(diào)制

28、的特點(diǎn)是：基波分量大，2N-1次以下諧波得到有效的擬制，輸出電流接近正弦波。ura 、urb 、urv為A，B，C三相的正弦調(diào)制波， ut為雙極性三角載波；uAO 、uBO 、uCO 為A，B，C三相輸出與電源中性點(diǎn)O之間的相電壓矩形波形； uAB為輸出線電壓矩形波形，其脈沖幅值為+Ud和- Ud ；電壓空間矢量電壓空間矢量PWM(SVPWM)控制技術(shù)控制技術(shù) 自動(dòng)化教研室問題的提出:經(jīng)典的SPWM控制主要著眼于使變壓變頻器的輸出電壓盡量接近正弦波。交流電動(dòng)機(jī)需要輸入三相正弦電流的最終目的是在電動(dòng)機(jī)空間形成圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，從而產(chǎn)生恒定的電磁轉(zhuǎn)矩。把逆變器和交流電動(dòng)機(jī)視為一體，按照跟蹤圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)

29、來控制逆變器的工作，這種控制方法稱作“磁鏈跟蹤控制磁鏈跟蹤控制”。磁鏈的軌跡是交替使用不同的電壓空間矢量得到的，所以又稱“電壓空間矢量電壓空間矢量PWMPWM（SVPWMSVPWM，Space Vector PWMSpace Vector PWM）控制）控制”。定子三相繞組軸線 A、B、C 在空間是固定的，故定義為三相靜止坐標(biāo)系，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 m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。三相異步電動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)模型三相異步電動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)模型的數(shù)學(xué)表達(dá)式三相異步電動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)模型的數(shù)學(xué)表

30、達(dá)式自動(dòng)化教研室三相定子繞組的電壓平衡方程為tRiuddAsAAtRiuddBsBBtRiuddCsCC三相轉(zhuǎn)子繞組折算到定子側(cè)后的電壓方程為tRiuddaraatRiuddbrbbtRiuddcrccuA, uB, uC, ua, ub, uc 定子和轉(zhuǎn)子相電壓的瞬時(shí)值；iA, iB, iC, ia, ib, ic 定子和轉(zhuǎn)子相電流的瞬時(shí)值；A, B, C, a, b, c 各相繞組的全磁鏈；Rs, Rr定子和轉(zhuǎn)子繞組電阻。ddRtuI定子合成電壓定子合成電壓與磁鏈空間矢量的關(guān)系與磁鏈空間矢量的關(guān)系自動(dòng)化教研室tRddssssIu us 定子三相電壓合成空間矢量； Is 定子三相電流合成空間

31、矢量；s 定子三相磁鏈合成空間矢量。 1. 空間矢量的定義 定子電壓空間矢量：uA0 、 uB0 、 uC0 的方向始終處于各相繞組的軸線上，而大小則隨時(shí)間按正弦規(guī)律脈動(dòng)，時(shí)間相位互相錯(cuò)開的角度也是120。合成空間矢量：由三相定子電壓空間矢量相加合成的空間矢量 us 是一個(gè)旋轉(zhuǎn)的空間矢量，它的幅值不變，是每相電壓值的3/2倍。 當(dāng)電源頻率不變時(shí)，合成空間矢量 us 以電源角頻率1 為電氣角速度作恒速旋轉(zhuǎn)。 C0B0A0suuuusA0B0C0IIIIsA0B0C02.電壓與磁鏈空間矢量的關(guān)系當(dāng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速不是很低時(shí)，定子電阻壓降在式中所占的成分很小，可忽略不計(jì)t ddssu t dssu當(dāng)電動(dòng)機(jī)

32、由三相平衡正弦電壓供電時(shí)，電動(dòng)機(jī)定子磁鏈幅值恒定，其空間矢量以恒速旋轉(zhuǎn) 磁鏈?zhǔn)噶宽敹说倪\(yùn)動(dòng)軌跡呈圓形tj1emsm是磁鏈s的幅值，1為其旋轉(zhuǎn)角速度磁場(chǎng)軌跡與電壓空間矢量運(yùn)動(dòng)軌跡的關(guān)系磁場(chǎng)軌跡與電壓空間矢量運(yùn)動(dòng)軌跡的關(guān)系自動(dòng)化教研室)2(m1m1ms111ee)e(ddtjtjtjjtu當(dāng)磁鏈幅值一定時(shí)，us的大小與1（或供電電壓頻率f1）成正比，其方向則與磁鏈?zhǔn)噶?s正交，即磁鏈圓的切線方向tj1ems當(dāng)磁鏈?zhǔn)噶吭诳臻g旋轉(zhuǎn)一周時(shí)，電壓矢量也連續(xù)地按磁鏈圓的切線方向運(yùn)動(dòng)2弧度，其軌跡與磁鏈圓重合。電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的軌跡問題就可轉(zhuǎn)化為電壓空間矢量的運(yùn)動(dòng)軌跡問題。 連續(xù)變化的圓形電壓矢量不易得到，用n

33、個(gè)電壓矢量近似的等效圓形矢量每個(gè)電壓矢量持續(xù)T0時(shí)間nT20磁場(chǎng)為等n邊形磁場(chǎng)，接近圓形磁場(chǎng)電壓矢量調(diào)制用于V/F控制時(shí)1)根據(jù)V/F曲線確定頻率及電壓值2)確定一個(gè)圓周內(nèi)，電壓矢量的個(gè)數(shù)3)根據(jù)頻率值計(jì)算T0的大小。4)讓確定大小的電壓矢量依次旋轉(zhuǎn)（根據(jù)規(guī)則合成），每個(gè)矢量持續(xù)T0 。六拍階梯波逆變器與正六邊形空間旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)六拍階梯波逆變器與正六邊形空間旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)自動(dòng)化教研室 （1）電壓空間矢量運(yùn)動(dòng)軌跡 在常規(guī)的 變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)中，異步電動(dòng)機(jī)由六拍階梯波逆變器供電，這時(shí)的電壓空間矢量運(yùn)動(dòng)軌跡是：三相逆變器-異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)主電路原理圖 如果圖中的逆變器采用180導(dǎo)通型，那么功率開關(guān)器件共有8

34、種工作狀態(tài)6 種有效開關(guān)狀態(tài)2 種無效狀態(tài)逆變器每隔 /3 時(shí)刻就切換一次工作狀態(tài)（即換相），而在這 /3 時(shí)刻內(nèi)則保持不變。 自動(dòng)化教研室設(shè)工作為100，這時(shí)VT6、VT1、VT2導(dǎo)通O+-iCUdiAiBidVT1VT6VT2各相對(duì)直流電源中點(diǎn)的電壓都是幅值為 UAO = Ud / 2 UBO = UCO = - Ud /2u1uAO-uCO-uBOABC三相的合成空間矢量為 u1，其幅值等于Ud，方向沿A軸（即X軸）。 u1 存在的時(shí)間為/3，在這段時(shí)間以后，工作狀態(tài)轉(zhuǎn)為110，合成空間矢量變成圖中的 u2 ，它在空間上滯后于u1 的相位為 /3 弧度，存在的時(shí)間也是 /3 。 u2uA

35、O-uCOuBOABC自動(dòng)化教研室 依此類推，隨著逆變器工作狀態(tài)的切換，電壓空間矢量的幅值不變，而相位每次旋轉(zhuǎn) /3 ，這樣全部空間電壓矢量為六個(gè)（另外有兩個(gè)零電壓矢量）。一個(gè)由電壓空間矢量運(yùn)動(dòng)所形成的正六邊形軌跡也可以看作是異步電動(dòng)機(jī)定子磁鏈?zhǔn)噶慷它c(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡。t ddssu 11 ut112使用六個(gè)電壓矢量，每個(gè)電壓矢量作用時(shí)間為磁鏈旋轉(zhuǎn)一圈時(shí)間的六分之一，這時(shí)磁鏈軌跡為正六邊形在任何時(shí)刻所產(chǎn)生的磁鏈增量 i的方向決定于所施加的電壓ui，其幅值正比于施加電壓的時(shí)間t電壓空間矢量的線性組合與電壓空間矢量的線性組合與SVPWM控制控制自動(dòng)化教研室結(jié)論：結(jié)論：如果交流電動(dòng)機(jī)僅由常規(guī)的六拍階梯波逆

36、變器供電，磁鏈軌跡便是六邊形的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，這顯然不象在正弦波供電時(shí)所產(chǎn)生的圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)那樣能使電動(dòng)機(jī)獲得勻速運(yùn)行。如果想獲得更多邊形或逼近圓形的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，就必須在每一個(gè)期間內(nèi)出現(xiàn)多個(gè)工作狀態(tài)，以形成更多的相位不同的電壓空間矢量。為此，必須對(duì)逆變器的控制模式進(jìn)行改造。 要有效的控制磁鏈軌跡，必須解決三個(gè)問題：（1）如何選擇電壓矢量（2）如何確定各電壓矢量的作用時(shí)間（3）如何確定各電壓矢量的作用次序?qū)崿F(xiàn)SVPWM控制就是要把每一山區(qū)分成若干個(gè)對(duì)應(yīng)于時(shí)間T0的小區(qū)間，插入若干個(gè)線性組合的新電壓空間矢量us，以獲得優(yōu)于正六邊形的多邊形（逼近圓形）旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。如果要逼近圓形，可以增加切換次數(shù)，設(shè)想磁鏈增量由

37、圖中的 11 ， 12 ， 13 ， 14 這4段組成。這時(shí)，每段施加的電壓空間矢量的相位都不一樣，可以用基本電壓矢量線性組合的方法獲得。 v 新的電壓矢量ur1的作用時(shí)間為T0，因而產(chǎn)生的磁鏈增量l1 = ur1T0。v 在下一個(gè)T0期間，仍選用u1和u2的線性組合，但兩者的作用時(shí)間與前一區(qū)間不同，這樣就可以獲得與us相位不同的電壓矢量ur2，相應(yīng)的磁鏈增量為l2 。v 由若干個(gè)不同相位的li（i=1，2，3，）組成的磁鏈?zhǔn)噶宽敹塑壽E呈一新的多邊形，比正六邊形更接近圓形。ur1u2 20 02114121113自動(dòng)化教研室在一段換相周期時(shí)間T0 中，可以用兩個(gè)矢量之和表示由兩個(gè)矢量線性組合后

38、的電壓矢量us ，新矢量的相位為 。圖表示了由u1、u2構(gòu)成新的電壓空間矢量的線性組合，設(shè)在原u1狀態(tài)結(jié)束后，期望在時(shí)間T0內(nèi)電壓空間矢量us起作用，并有 us =u1。采用部分u1矢量和部分u2矢量求和得到矢量ur1，t1u1/T0和t2u2/T0分別表示部分u1和部分u2矢量，它們合成矢量為us 。us與u1和u2相位均不同，而幅值相同。sincosss202101suuuuujTtTt2C0B0A0se )(e )()(jjtttuuuu = 120jtte )()(BCABsuuu當(dāng)各功率開關(guān)處于不同狀態(tài)時(shí)，線電壓可取值為Ud、0 或 Ud，比用相電壓表示時(shí)要明確一些。 d0201s2

39、cosUTtTtud02s23sinUTtudsds01sin31cosUUTtuuds02sin32UTtu自動(dòng)化教研室換相周期 T0 應(yīng)由旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)所需的頻率決定， T0 與 t1+ t2 未必相等，其間隙時(shí)間可用零矢量 u7 或 u8 來填補(bǔ)。為了減少功率器件的開關(guān)次數(shù)，一般使 u7 和 u8 各占一半時(shí)間，nT20780121()02ttTtt可把逆變器的一個(gè)工作周期用6個(gè)電壓空間矢量劃分成6個(gè)區(qū)域，稱為扇區(qū)（Sector），如圖所示的、，每個(gè)扇區(qū)對(duì)應(yīng)的時(shí)間均為/3 。u7和u8坐落在放射線的中心點(diǎn)。 由于逆變器在各扇區(qū)的工作狀態(tài)都是對(duì)稱的，分析一個(gè)扇區(qū)的方法可以推廣到其他扇區(qū)。在常規(guī)六

40、拍逆變器中一個(gè)扇區(qū)僅包含兩個(gè)開關(guān)工作狀態(tài)。實(shí)現(xiàn)SVPWM控制就是要把每一扇區(qū)再分成若干個(gè)對(duì)應(yīng)于時(shí)間 T0 的小區(qū)間。按照上述方法插入若干個(gè)線性組合的新電壓空間矢量 us，以獲得優(yōu)于正六邊形的多邊形（逼近圓形）旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。 開關(guān)狀態(tài)順序原則開關(guān)狀態(tài)順序原則自動(dòng)化教研室在實(shí)際系統(tǒng)中，應(yīng)該盡量減少開關(guān)狀態(tài)變化時(shí)引起的開關(guān)損耗，因此不同開關(guān)狀態(tài)的順序必須遵守下述原則：每次切換開關(guān)狀態(tài)時(shí)，只切換一個(gè)功率開關(guān)器件，以滿足最每次切換開關(guān)狀態(tài)時(shí)，只切換一個(gè)功率開關(guān)器件，以滿足最小開關(guān)損耗。小開關(guān)損耗。 780121()02ttTttt1t2t7t8u1u2u7u8100110111000為了使電壓波形對(duì)稱，把每

41、種狀態(tài)的作用時(shí)間都一分為二在這一個(gè)時(shí)間內(nèi)，逆變器三相的開關(guān)狀態(tài)序列為100，110，111，000，000，111，110，100。 開關(guān)狀態(tài)序列為000，100，110，111，111，110，100，000自動(dòng)化教研室第扇區(qū)內(nèi)一段區(qū)間的開關(guān)序列與逆變器三相電壓波形虛線間的每一小段表示一種工作狀態(tài) 如果一個(gè)扇區(qū)分成4個(gè)小區(qū)間，則一個(gè)周期中將出現(xiàn)24個(gè)脈沖波，而功率器件的開關(guān)次數(shù)還更多，須選用高開關(guān)頻率的功率器件。當(dāng)然，一個(gè)扇區(qū)內(nèi)所分的小區(qū)間越多，就越能逼近圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。 SVPWM控制模式有以下特點(diǎn)：1) 逆變器的一個(gè)工作周期分成6個(gè)扇區(qū)，每個(gè)扇區(qū)相當(dāng)于常規(guī)六拍逆變器的一拍。為了使電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)

42、磁場(chǎng)逼近圓形，每個(gè)扇區(qū)再分成若干個(gè)小區(qū)間 T0 ， T0 越短，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)越接近圓形，但 T0 的縮短受到功率開關(guān)器件允許開關(guān)頻率的制約。 2) 在每個(gè)小區(qū)間內(nèi)雖有多次開關(guān)狀態(tài)的切換，但每次切換都只涉及一個(gè)功率開關(guān)器件，因而開關(guān)損耗較小。3) 每個(gè)小區(qū)間均以零電壓矢量開始，又以零矢量結(jié)束。4) 利用電壓空間矢量直接生成三相PWM波，計(jì)算簡(jiǎn)便。5) 采用SVPWM控制時(shí)，逆變器輸出線電壓基波最大值為直流側(cè)電壓，這比一般的SPWM逆變器輸出電壓提高了15%。 練習(xí)練習(xí)v請(qǐng)畫出請(qǐng)畫出SVPWM控制方式下，第控制方式下，第扇區(qū)內(nèi)一段扇區(qū)內(nèi)一段T0區(qū)間的開關(guān)序列與逆變器三相電壓波形（依據(jù)最區(qū)間的開關(guān)序列與

43、逆變器三相電壓波形（依據(jù)最小開關(guān)損耗的原則）。小開關(guān)損耗的原則）。自動(dòng)化教研室轉(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)自動(dòng)化教研室不少機(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)。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)。eTOnN0n03n02n01nN1111213131211N1補(bǔ)償定子壓降后的特性所謂“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)

44、的負(fù)載。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)自動(dòng)化教研室系統(tǒng)硬件主要包括：主電路、驅(qū)動(dòng)電路、微機(jī)控制電路、信號(hào)采集與故障檢測(cè)電路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)兼有無功功率交換的作用。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R0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。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

45、通路，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。自動(dòng)化教研室進(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?？刂齐娐房刂齐娐番F(xiàn)代P

46、WM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)。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)。自動(dòng)化教研室轉(zhuǎn)速開環(huán)恒壓頻比調(diào)速系統(tǒng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖由于系統(tǒng)本身沒有自動(dòng)限制啟、制動(dòng)電流的作用

47、，因此，頻率設(shè)定必須通過給定積分算法產(chǎn)生平緩的升速或降速信號(hào)up為從0上升到額定頻率1N時(shí)間， down為額定頻率1N降到0的時(shí)間，可根據(jù)負(fù)載需要分別進(jìn)行選擇電壓/頻率特性為111111NNsNUUff當(dāng)實(shí)際頻率1大于或等于額定頻率1N時(shí)，只能保持額定電壓UN不變；而當(dāng)實(shí)際頻率1小于額定頻率1N時(shí)，Us=f(1)一般是帶低頻補(bǔ)償?shù)暮銐侯l比控制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)，進(jìn)行“電壓補(bǔ)償”或“轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償”。u實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償多個(gè)

48、U/f 函數(shù)；按電流大小自動(dòng)補(bǔ)償定子電壓。u均存在過補(bǔ)償或欠補(bǔ)償?shù)目赡躷ff *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)生轉(zhuǎn)速閉環(huán)轉(zhuǎn)差頻率控制的變壓變速調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)速閉環(huán)轉(zhuǎn)差頻率控制的變壓變速調(diào)速系統(tǒng)自動(dòng)化教研室任何電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)都服從于基本運(yùn)動(dòng)方程式tnJTTddpLe提高調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能主要依靠控制轉(zhuǎn)速的變化率 ，控制電磁轉(zhuǎn)矩就能控制 d / dt ，調(diào)速系統(tǒng)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能就是控制轉(zhuǎn)矩的能力的動(dòng)態(tài)性能就是控制轉(zhuǎn)矩的能力。1. 轉(zhuǎn)差頻率控制的基本概念電磁轉(zhuǎn)矩公式2 r2122 rr121gpe3lLsRRsEnTg1sNsm1sN

49、sm1sNsm4.4414.4422Ef N kN kN k2 r2122 rr12m2Ns2spe23lLsRRskNnT三相異步電動(dòng)機(jī)定子每相電動(dòng)勢(shì)的有效值2Ns2spm23kNnK1ss2rs2 rrs2mme)(lLRRKT轉(zhuǎn)差角頻率電機(jī)的結(jié)構(gòu)常數(shù)s 值很小rs2mmeRKT在s 值很小的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行范圍內(nèi)，如果能夠保持氣隙磁通m不變，異步電機(jī)的轉(zhuǎn)矩就近似與轉(zhuǎn)差角頻率s 成正比。在異步電機(jī)中控制s ，能夠達(dá)到間接控制轉(zhuǎn)矩的目的?？刂妻D(zhuǎn)差頻率就代表控制轉(zhuǎn)矩控制轉(zhuǎn)差頻率就代表控制轉(zhuǎn)矩2. 基于異步電機(jī)穩(wěn)態(tài)模型的轉(zhuǎn)差頻率控制規(guī)律 smaxsmTemaxTemsTe0rrrrmaxsllLRLRr

50、2mmmaxe2lLKTrrmaxssmlLR在轉(zhuǎn)差頻率控制系統(tǒng)中，只要給s 限幅，就可以基本保持 Te與s 的正比關(guān)系，也就可以用轉(zhuǎn)差頻率控制來代表轉(zhuǎn)矩控制。自動(dòng)化教研室Us1RsLlsLlrLmRr /sIsI0IrErEgEs 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)子繞組中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)（折合到定子邊）。 如何能保持m 恒定？按恒 Eg/1 控制時(shí)可保持m恒定。11gs1ssgs1sss)()(ELjRIELjRIUll要實(shí)現(xiàn)恒 Eg/1控制，須在Us/1 = 恒值的基礎(chǔ)上再提高電壓 Us 以補(bǔ)償定子電流

51、壓降。1OsUUs /1=Const.Eg/1=Const.定子電流增大的趨勢(shì)轉(zhuǎn)差頻率控制的規(guī)律：（1）在 s sm 的范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)矩 Te 基本上與 s 成正比，條件是氣隙磁通不變。（2）在不同的定子電流值時(shí)，按函數(shù)關(guān)系 Us = f (1 , Is) 控制定子電壓和頻率，就能保持氣隙磁通m恒定。自動(dòng)化教研室3. 轉(zhuǎn)差頻率控制的變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)sUsIFBS電壓型逆變器PWMM3 ASRs11saUsbUscU定子頻率給定信號(hào) *1*s電壓控制電壓控制由 1和定子電流反饋信號(hào) Is 從微機(jī)存儲(chǔ)的 Us = f (1 , Is) 函數(shù)中查得定子電壓給定信號(hào) Us* ，用 Us* 和 1* 控制P

52、WM電壓型逆變器，即得異步電機(jī)調(diào)速所需的變壓變頻電源。性能評(píng)價(jià)性能評(píng)價(jià)在調(diào)速過程中，實(shí)際頻率1隨著實(shí)際轉(zhuǎn)速 同步地上升或下降，因此加、減速平滑而且穩(wěn)定。由于在動(dòng)態(tài)過程中轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR飽和，系統(tǒng)能用對(duì)應(yīng)于 sm 的限幅轉(zhuǎn)矩Tem 進(jìn)行控制，保證了在允許條件下的快速性。靜、動(dòng)態(tài)性能還不能完全達(dá)到直流雙閉環(huán)系統(tǒng)的水平，存在差距：所謂的“保持磁通 m恒定”的結(jié)論也只在穩(wěn)態(tài)情況下才能成立；Us = f (1 , Is) 函數(shù)關(guān)系中只抓住了定子電流的幅值，沒有控制到電流的相位，而在動(dòng)態(tài)中電流的相位也是影響轉(zhuǎn)矩變化的因素；如果轉(zhuǎn)速檢測(cè)信號(hào)不準(zhǔn)確或存在干擾，也就會(huì)直接給頻率造成誤差異步電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型和

53、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)變換自動(dòng)化教研室直流電機(jī)直流電機(jī)模型模型Udn直流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型 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)。Id1/RTls+1TmsR1CeUd0IdlEnKSTSs+1Uct+_+_輸入變量電樞電壓 Ud ；輸出變量轉(zhuǎn)速 n ；控制對(duì)象參數(shù)：機(jī)電時(shí)間常數(shù) Tm ；電樞回路電磁時(shí)間常數(shù) Tl ；電力電子裝置的滯后時(shí)間常數(shù) Ts 。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

54、發(fā)展出來的工程設(shè)計(jì)方法進(jìn)行分析與設(shè)計(jì)。交流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型和直流電機(jī)模型相比有著本質(zhì)上的區(qū)別交流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型和直流電機(jī)模型相比有著本質(zhì)上的區(qū)別A1A2Us1(Is)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)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。模型的非線性、高階性模型的非線性、高階性自動(dòng)化教研室電動(dòng)機(jī)的調(diào)速過程本質(zhì)上就是加速度的產(chǎn)生、存在和消失的過程，而加速度是由轉(zhuǎn)子輸出的機(jī)械轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生的。轉(zhuǎn)子的機(jī)械轉(zhuǎn)矩

55、是定子側(cè)的電能通過磁鏈傳遞過來的磁場(chǎng)能量轉(zhuǎn)換為機(jī)械能量的結(jié)果 。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)。tnJTTddpLe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)。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)。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)。三相異步電動(dòng)機(jī)的多變量非線性數(shù)學(xué)模型三相異步電動(dòng)機(jī)的多變量非線性數(shù)學(xué)模型自動(dòng)化教研室

56、 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。 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。定子三相繞組軸線 A、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。磁鏈方程磁鏈方

57、程自動(dòng)化教研室rsrrrssrssrsiiLLLLTCBAsTcbarTiiiCBAsiTiiicbarismsmsmsmssmsmsmssms212121212121llmslLLLLLLLLLLLLssLrmsmsmsmsrmsmsmsmsrms212121212121lllLLLLLLLLLLLLrrLcos)120cos()120cos()120cos(cos)120cos()120cos()120cos(cosmsLTsrrsLLAAAABACAaAbAcABBABBBCBaBbBcBCCACBCCCaCbCcCaaAaBaCaaabacabbAbBbCbabbbcbccAcBcCc

58、acbcccLLLLLLiLLLLLLiLLLLLLiLLLLLLiLLLLLLiLLLLLLi定子自感陣Lss轉(zhuǎn)子自感陣Lrr轉(zhuǎn)子對(duì)定子的互感陣Lsr為時(shí)變陣，定子對(duì)轉(zhuǎn)子的互感陣Lrs也為時(shí)變陣電壓方程電壓方程自動(dòng)化教研室LmLmABCabcmuA(iA)uB(iB)uC(iC)RsLlsLmLmLlsLlsRsRsRrRrRrLmLm三相定子繞組的電壓平衡方程為 tRiuddAsAAtRiuddBsBBtRiuddCsCC三相轉(zhuǎn)子繞組折算到定子側(cè)后的電壓方程為 tRiuddaraatRiuddbrbbtRiuddcrccuA, uB, uC, ua, ub, uc 定子和轉(zhuǎn)子相電壓的瞬時(shí)值

59、；iA, iB, iC, ia, ib, ic 定子和轉(zhuǎn)子相電流的瞬時(shí)值；A, B, C, a, b, c 各相繞組的全磁鏈；Rs, Rr定子和轉(zhuǎn)子繞組電阻。cbaCBAcbaCBArrrssscbaCBA000000000000000000000000000000piiiiiiRRRRRRuuuuuuRiupdddd()ddddptttiLiLuRiLiRiLiRiLiLi電動(dòng)勢(shì)中的脈變電動(dòng)勢(shì)（或稱變壓器電動(dòng)勢(shì)）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)轉(zhuǎn)矩方程轉(zhuǎn)矩方程 自動(dòng)化教研室轉(zhuǎn)矩方程式表示電量與機(jī)械量的關(guān)系，即電動(dòng)機(jī)內(nèi)部通過氣隙的機(jī)電能量的轉(zhuǎn)換關(guān)系。根據(jù)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換原理，在多繞組電機(jī)中

60、，在線性電感的條件下，磁場(chǎng)的儲(chǔ)能和磁共能為 LiiiTTWW2121mm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 mmW.constmp.constmmeiiWnWTiLLiiLi002121rssrppeTTnnTcbaCBArsiiiiiiTTTiiirsrssrsrpe21iLiiLiTTnTcos)120cos()120cos()120cos(cos)120cos()120cos()120cos(cosmsLTsrrsLL)120sin()()120sin()(sin)(bCaBcAaCcBbAcCbBaAmspeiiiiiiiii