（交流電機(jī)控制原理及控制系統(tǒng) PPT課件 ）全章節(jié)PPT 4第四章 異步電機(jī)變壓變頻調(diào)速控制

第四章《交流電機(jī)控制原理及控制系統(tǒng)》周揚(yáng)忠、楊公德、屈艾文異步電機(jī)變壓變頻調(diào)速控制目錄24.0引言異步電機(jī)變壓變頻一般問(wèn)題額定定子頻率以下異步電機(jī)變壓變頻調(diào)速特性恒壓頻比控制恒定的定子感應(yīng)電勢(shì)與頻率比值控制恒定的氣隙感應(yīng)電勢(shì)與頻率比值控制恒定的轉(zhuǎn)子感應(yīng)電勢(shì)與頻率比值控制額定定子頻率以上異步電機(jī)變頻調(diào)速特性轉(zhuǎn)速開(kāi)環(huán)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)磁通恒定控制電壓源型逆變器供電變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)速閉環(huán)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)差頻率控制轉(zhuǎn)矩原理目錄34.5.2電壓源型逆變器供電變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)異步電機(jī)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)仿真建模參數(shù)計(jì)算模型建立仿真研究異步電機(jī)變壓變頻調(diào)速案例分析引言《交流電機(jī)控制原理及控制系統(tǒng)》周揚(yáng)忠、楊公德、屈艾文/4.04.0引言5通過(guò)第三章內(nèi)容的學(xué)習(xí)發(fā)現(xiàn)如果定子側(cè)交流電壓頻率不變，調(diào)節(jié)定子側(cè)電壓幅值可以對(duì)轉(zhuǎn)子速度進(jìn)行調(diào)節(jié)，但變電壓調(diào)速過(guò)程中氣隙磁鏈幅值是變化的；尤其是低速運(yùn)行區(qū)電機(jī)磁場(chǎng)出現(xiàn)嚴(yán)重的弱磁現(xiàn)象，引起電機(jī)在低轉(zhuǎn)速運(yùn)行區(qū)負(fù)載能力明顯下降。需要對(duì)電機(jī)氣隙磁場(chǎng)幅值進(jìn)行主動(dòng)控制，使其在調(diào)速過(guò)程中不變，甚至始終控制在其額定值上以便電機(jī)產(chǎn)生最大負(fù)載能力。欲要實(shí)現(xiàn)電機(jī)磁場(chǎng)的主動(dòng)控制，在調(diào)壓過(guò)程中定子側(cè)交流電壓頻率必須隨電壓幅值變化而同步調(diào)節(jié)，這便是變壓變頻控制當(dāng)定子側(cè)交流電壓頻率變化后，改變了電機(jī)同步磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)速度，從而實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)子速度的調(diào)節(jié)。為了實(shí)現(xiàn)異步電機(jī)變壓變頻調(diào)速，可以基于電機(jī)穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型來(lái)構(gòu)建控制策略，也可以基于電機(jī)瞬態(tài)數(shù)學(xué)模型來(lái)構(gòu)建控制策略。異步電機(jī)變壓變頻一般問(wèn)題《交流電機(jī)控制原理及控制系統(tǒng)》周揚(yáng)忠、楊公德、屈艾文/4.14.1異步電機(jī)變壓變頻一般問(wèn)題根據(jù)電機(jī)學(xué)異步電機(jī)工作原理可知轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速度nr、同步磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)速度ns、轉(zhuǎn)(速)差Δn存在如下關(guān)系：從式（4-1）可見(jiàn)，在轉(zhuǎn)差不變情況，可以借助定子供電頻率fs的調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子速度的控制，以達(dá)到變頻調(diào)速目的。異步電機(jī)中氣隙感應(yīng)電勢(shì)與氣隙磁通之間的關(guān)系如下：電機(jī)產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩與氣隙磁通、轉(zhuǎn)子電流關(guān)系如下：根據(jù)式（4-3）可見(jiàn)，在一定的轉(zhuǎn)速及定子供電頻率情況下，電機(jī)能產(chǎn)生的最大電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)子繞組電流幅值、氣隙磁通幅值均有關(guān)系。從電機(jī)產(chǎn)生最大負(fù)載能力角度，希望電機(jī)的氣隙磁通幅值最大。正常電機(jī)本體在設(shè)計(jì)時(shí)，考慮到負(fù)載能力，將磁路額定工作點(diǎn)設(shè)計(jì)在鐵磁材料B-

H曲線的接近飽和彎曲點(diǎn)，從降低電機(jī)無(wú)功電流角度，希望電機(jī)在工作過(guò)程中氣隙磁通幅值最大不超過(guò)額定值從避免電機(jī)過(guò)分發(fā)熱，且又能盡可能發(fā)揮電機(jī)負(fù)載能力角度，希望在調(diào)速過(guò)程中把氣隙磁通控制為額定值可見(jiàn)在變頻調(diào)速過(guò)程中氣隙感應(yīng)電勢(shì)必須隨頻率fs按式（4-5）成正比例變化，才能維持氣隙磁通為額定值不變。74.1異步電機(jī)變壓變頻一般問(wèn)題8根據(jù)圖3-1可見(jiàn)，氣隙感應(yīng)電勢(shì)無(wú)法直接測(cè)量及直接控制，但定子端電壓可以直接測(cè)量及直接控制。根據(jù)圖3-1定子

回路電壓平衡方程如下：1.若定子側(cè)阻抗壓降相對(duì)于氣隙感應(yīng)電勢(shì)幅值較小情況可以按照式（4-8）控制定子電壓和頻率之間的比值關(guān)系近似達(dá)到氣隙磁通額定值控制之目的。利用變頻方式調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速過(guò)程中，定子電壓必須配合頻率變化，這便是“變壓變頻調(diào)速”思想。2.進(jìn)一步研究，若采用式（4-5）（4-8）分別控制氣隙磁通，電機(jī)對(duì)應(yīng)的相量圖分別如圖4-1（a）（b）所示，由此可見(jiàn)按照式（4-8）控制得到的氣隙磁鏈低于按照式（4-5）控制的氣隙磁鏈。并且隨著轉(zhuǎn)速的降低，氣隙感應(yīng)電勢(shì)幅值也隨之降低，按式（4-8）控制所獲得的氣隙磁通更低，嚴(yán)重降低了電機(jī)的負(fù)載能力。圖4-1按式（4-5）（4-8）分別控制電機(jī)氣隙磁通對(duì)應(yīng)的相量圖4.1異步電機(jī)變壓變頻一般問(wèn)題93.為了避免氣隙磁場(chǎng)的弱磁現(xiàn)象，需要在式（4-8）控制定子電壓的基礎(chǔ)上補(bǔ)償定子阻抗的壓降。根據(jù)式（4-6）相量形式的定子電壓平衡方程式近似可以求得經(jīng)過(guò)定子阻抗壓降補(bǔ)償后的定子電壓如下：電機(jī)在設(shè)計(jì)時(shí)考慮到額定運(yùn)行需要及繞組絕緣等因素，長(zhǎng)期運(yùn)行定子電壓最大限定在額定值；一般的變壓變頻交流電由電力電子變換器產(chǎn)生，其前端交流或直流供電電壓最大值受限，也不可能產(chǎn)生超出電機(jī)額定電壓的交流電。當(dāng)定子頻率超出額定值后，定子電壓最大為額定

值，根據(jù)（4-4）可見(jiàn)隨著定子頻率的繼續(xù)升高，氣隙磁通必然要求隨定子頻率的升高成反比例的減小。電機(jī)運(yùn)行的定子頻率變化范圍，以額定頻率fsN為分界點(diǎn)4.在電機(jī)帶額定負(fù)載、維持氣隙磁通為額定值控制過(guò)程中，隨著定子頻率升高到額定值fsN，定子端電壓也升高到額定值UsN；若此后，在氣隙磁通仍然維持額定值不

變情況下需要進(jìn)一步升高轉(zhuǎn)速，定子頻率就會(huì)超出額定值，定子電壓勢(shì)必會(huì)超出額定值。這種定子電壓試圖超出額定電壓值的需求對(duì)實(shí)際電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)而言是不切合實(shí)際的：圖4-2氣隙磁通、定子電壓、轉(zhuǎn)矩及輸出功率隨頻率變化特性額定定子頻率以下異步電機(jī)變壓變頻調(diào)速特性《交流電機(jī)控制原理及控制系統(tǒng)》周揚(yáng)忠、楊公德、屈艾文/4.24.2額定定子頻率以下異步電機(jī)變壓變頻調(diào)速特性4.2.1恒壓頻比控制若：定子側(cè)阻抗壓降相對(duì)于氣隙感應(yīng)電勢(shì)幅值較小情況下，采用恒定的Us/ωs或Us/fs控制可以近似獲得恒定的氣隙磁通。根據(jù)式（3-3）可以推導(dǎo)出“恒壓頻比控制”下電磁轉(zhuǎn)矩如下：1.式（4-10）在轉(zhuǎn)差率s較小時(shí)可以近似為可見(jiàn)當(dāng)轉(zhuǎn)差率s較小時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩基本與轉(zhuǎn)差率成正比關(guān)系，即電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)差率成線性關(guān)系。2.式（4-10）在轉(zhuǎn)差率s較大時(shí)可以近似為可見(jiàn)當(dāng)轉(zhuǎn)差率s較大時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩基本與轉(zhuǎn)差率成反比關(guān)系，即電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)差率成雙曲線關(guān)系。3.從式（3-6）~（3-7）可推導(dǎo)變壓變頻過(guò)程中，電磁轉(zhuǎn)矩最大值及與之對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)差率分別如下：定子頻率降低過(guò)程中，電機(jī)產(chǎn)生的最大電磁轉(zhuǎn)矩也隨之降低，表明電機(jī)帶負(fù)載能力隨定子頻率的降低而降低。114.2額定定子頻率以下異步電機(jī)變壓變頻調(diào)速特性124.2.1恒壓頻比控制3.從式（3-6）~（3-7）可推導(dǎo)變壓變頻過(guò)程中，電磁轉(zhuǎn)矩最大值及與之對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)差率分別如下：不變4.理想空載轉(zhuǎn)速即為磁場(chǎng)同步旋轉(zhuǎn)速度由于采用了變頻調(diào)速，所以理想空載轉(zhuǎn)速隨頻率成正比變化5.機(jī)械特性的線性段硬度根據(jù)式（4-11）可見(jiàn)，隨電機(jī)負(fù)載由理想空載加大，負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速降落Δn如下由此可見(jiàn)，負(fù)載轉(zhuǎn)矩恒定情況下，盡管定子頻率變化，但轉(zhuǎn)速降落Δn恒定，表明隨著轉(zhuǎn)速的變化，機(jī)械特性的線性段硬度不變。所以采用變壓變頻調(diào)速對(duì)負(fù)載的擾動(dòng)抑制能力不變，4.2額定定子頻率以下異步電機(jī)變壓變頻調(diào)速特性134.2.1恒壓頻比控制6.完整機(jī)械特性對(duì)應(yīng)的機(jī)械特性示意圖如圖4-3(a)中“無(wú)定子阻抗壓降補(bǔ)償”曲線所示。采用附錄表1異步電機(jī)參數(shù)，基于圖3-1等效電路的matlab繪制20Hz、30Hz、40Hz、50Hz定子頻率機(jī)械特性如圖4-3(b)所示。（a）機(jī)械特性示意圖（b）基于圖3-1等效電路的matlab繪制機(jī)械特性圖4-3恒定的Us/ωs或Us/fs控制時(shí)機(jī)械特性4.2額定定子頻率以下異步電機(jī)變壓變頻調(diào)速特性144.2.1恒壓頻比控制7.定子阻抗壓降補(bǔ)償根據(jù)式（4-9）定子電壓近似關(guān)系，若在頻率降低過(guò)程中無(wú)定子阻抗壓降補(bǔ)償，則氣隙磁通近似推導(dǎo)如下顯然在將Us/ωs設(shè)置為對(duì)應(yīng)額定氣隙磁通的比值后，隨著定子頻率的降低，實(shí)際氣隙磁通也隨之減小，從而導(dǎo)致

電機(jī)能夠產(chǎn)生的最大轉(zhuǎn)矩及負(fù)載能力也隨之降低。這種

轉(zhuǎn)矩的降低在低頻區(qū)表現(xiàn)的更為明顯，為了降低這種不

利因素的影響，需要在既定的Us/ωs控制獲得定子電壓值基礎(chǔ)上疊加上定子阻抗壓降，從而基本維持實(shí)際氣隙磁

通的恒定。定子阻抗壓降補(bǔ)償后的機(jī)械特性見(jiàn)圖4-3所示。（a）機(jī)械特性示意圖4.2額定定子頻率以下異步電機(jī)變壓變頻調(diào)速特性4.2.2恒定的定子感應(yīng)電勢(shì)與頻率比值控制若：采用恒定的Es/ωs或Es/fs控制時(shí)，定子漏抗壓降對(duì)磁通恒定控制的不利影響可以消除。根據(jù)圖（3-1）等值電路可以推導(dǎo)出“Es/ωs=C控制”下電磁轉(zhuǎn)矩如下：1.式（4-18）在轉(zhuǎn)差率s較小時(shí)可以近似為當(dāng)轉(zhuǎn)差率s較小時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩基本與轉(zhuǎn)差率成正比關(guān)系，即電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)差率成線性關(guān)系。2.式（4-18）在轉(zhuǎn)差率s較大時(shí)可以近似為當(dāng)轉(zhuǎn)差率s較大時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩基本與轉(zhuǎn)差率成反比關(guān)系，即電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)差率成雙曲線關(guān)系。3.從式（4-18）進(jìn)一步可以推導(dǎo)“Es/ωs=C控制”調(diào)速過(guò)程中電磁轉(zhuǎn)矩最大值及與之對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)差率分別如下154.2額定定子頻率以下異步電機(jī)變壓變頻調(diào)速特性4.2.2恒定的定子感應(yīng)電勢(shì)與頻率比值控制Rs=0,Us=Es“Es/ωs=C控制”變頻調(diào)速過(guò)程中，電機(jī)產(chǎn)生的最大電磁轉(zhuǎn)矩始終不變，表明電機(jī)帶負(fù)載能力不變。Rs=04.機(jī)械特性的線性段硬度根據(jù)式（4-19）可見(jiàn)，隨電機(jī)負(fù)載由理想空載加大至負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速降落Δn如下：根據(jù)式（4-23）可見(jiàn)，負(fù)載轉(zhuǎn)矩恒定情況下，盡管定子頻率變化，但轉(zhuǎn)速降落Δn恒定，表明變頻調(diào)速過(guò)程中，“Es/ωs=C控制”機(jī)械特性的線性段硬度不變，對(duì)負(fù)載的擾動(dòng)抑制能力不變164.2額定定子頻率以下異步電機(jī)變壓變頻調(diào)速特性4.2.2恒定的定子感應(yīng)電勢(shì)與頻率比值控制5.完整機(jī)械特性對(duì)應(yīng)的機(jī)械特性示意圖如圖4-4（a）所示。采用附錄表1異步電機(jī)參數(shù)，基于圖3-1等效電路的matlab繪制

20Hz、30Hz、40Hz、50Hz定子頻率機(jī)械特性如圖4-4(b)所示。（a）機(jī)械特性示意圖（b）基于圖3-1等效電路的matlab繪制機(jī)械特性圖4-4恒定的Es/ωs或Es/fs控制時(shí)機(jī)械特性174.2額定定子頻率以下異步電機(jī)變壓變頻調(diào)速特性4.2.3恒定的氣隙感應(yīng)電勢(shì)與頻率比值控制如果:精確實(shí)現(xiàn)氣隙磁通的恒定控制，應(yīng)該直接控制:根據(jù)圖（3-1）等效電路可以推導(dǎo)出“Eg/ωs=C控制”下電磁轉(zhuǎn)矩如下1.式（4-24）在轉(zhuǎn)差率s較小時(shí)可以近似為當(dāng)轉(zhuǎn)差率s較小時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩基本與轉(zhuǎn)差率成正比關(guān)系，即電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)差率成線性關(guān)系。2.式（4-24）在轉(zhuǎn)差率s較大時(shí)可以近似為當(dāng)轉(zhuǎn)差率s較大時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩基本與轉(zhuǎn)差率成反比關(guān)系，即電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)差率成雙曲線關(guān)系。3.從式（4-24）進(jìn)一步可以推導(dǎo)“Eg/ωs=C控制”調(diào)速過(guò)程中電磁轉(zhuǎn)矩最大值及與之對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)差率分別如下184.2額定定子頻率以下異步電機(jī)變壓變頻調(diào)速特性4.2.3恒定的氣隙感應(yīng)電勢(shì)與頻率比值控制Eg=Es,定子漏感為0“Eg/ωs=C控制”變頻調(diào)速過(guò)程中，電機(jī)產(chǎn)生的最大電磁轉(zhuǎn)矩不變，表明電機(jī)帶負(fù)載能力不變。Eg=Es,定子漏感為04.機(jī)械特性的線性段硬度根據(jù)式（4-25）可見(jiàn)，隨著電機(jī)負(fù)載由理想空載加大至負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速降落Δn如下：根據(jù)式（4-29）可見(jiàn)，負(fù)載轉(zhuǎn)矩恒定情況下，盡管定子頻率變化，但轉(zhuǎn)速降落Δn恒定，表明變頻調(diào)

速過(guò)程中，“Eg/ωs=C控制”機(jī)械特性的線性段硬度不變，對(duì)負(fù)載的擾動(dòng)抑制能力不變194.2額定定子頻率以下異步電機(jī)變壓變頻調(diào)速特性4.2.3恒定的氣隙感應(yīng)電勢(shì)與頻率比值控制5.完整機(jī)械特性對(duì)應(yīng)的機(jī)械特性示意如圖4-5（a）所示。采用附錄表1異步電機(jī)參數(shù)，基于圖3-1等效電路的matlab繪制20Hz、30Hz、40Hz、50Hz定子頻率機(jī)械特性如圖4-5(b)所示。（b）基于圖3-1等效電路的matlab繪制機(jī)械特性圖4-5恒定的Eg/ωs或Eg/fs控制時(shí)機(jī)械特性（a）機(jī)械特性示意圖204.2額定定子頻率以下異步電機(jī)變壓變頻調(diào)速特性214.2.4恒定的轉(zhuǎn)子感應(yīng)電勢(shì)與頻率比值控制如果：進(jìn)一步提高定子電壓，將定子阻抗壓降及轉(zhuǎn)子漏抗壓降完全補(bǔ)償?shù)?，則也可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子磁通為額定值為此需要控制：根據(jù)圖（3-1）等效電路可以推導(dǎo)出“

控制”下電磁轉(zhuǎn)矩如下電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)差率均成正比關(guān)系，不存在非線性區(qū)域，這種特性類似于他勵(lì)式直流電機(jī)特性。1.機(jī)械特性的硬度根據(jù)式（4-30）可見(jiàn)，變頻調(diào)速過(guò)程中隨電機(jī)負(fù)載由理想空載加大，負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速降落Δn如下由式（4-31）可見(jiàn)，負(fù)載轉(zhuǎn)矩恒定情況下，盡管定子頻率變化，但轉(zhuǎn)速降落Δn恒定，表明隨著轉(zhuǎn)速的降低，機(jī)械特性的硬度不變，對(duì)負(fù)載的擾動(dòng)抑制能力不變4.2額定定子頻率以下異步電機(jī)變壓變頻調(diào)速特性2.完整機(jī)械特性機(jī)械特性如圖4-6所示。圖4-6恒定或控制時(shí)機(jī)械特性4.2.4恒定的轉(zhuǎn)子感應(yīng)電勢(shì)與頻率比值控制

4.2.5總結(jié)對(duì)比22“Es/ωs=C控制”、“Eg/ωs=C控制”及“控制”分別對(duì)應(yīng)定子磁鏈、氣隙磁鏈及轉(zhuǎn)子磁鏈額定值控制；而具有定子阻抗壓降補(bǔ)償?shù)淖儔鹤冾l控制也可以理解成維持氣隙磁鏈額定值控制。從上述四種變壓變頻調(diào)速機(jī)械特性分析可見(jiàn)，維持轉(zhuǎn)子磁鏈恒定控制機(jī)械特性類似于他勵(lì)式直流電機(jī)特性，為線性，特性最優(yōu)；而維持定子磁鏈恒定控制、維持氣隙磁鏈恒定控制機(jī)械特性均存在非線性部分，從而限制了電機(jī)的負(fù)載能力，同時(shí)也有可能導(dǎo)致實(shí)際閉環(huán)系統(tǒng)處于不穩(wěn)定狀態(tài)。三種磁通恒定控制對(duì)應(yīng)的機(jī)械特性線性段硬度在調(diào)速過(guò)程中不變，表明變壓變頻調(diào)速具有較佳的抗負(fù)載擾動(dòng)抑制能力。變壓變頻調(diào)速過(guò)程中電機(jī)的轉(zhuǎn)差功率不變，屬于轉(zhuǎn)差功率不變型調(diào)速。=C4.2額定定子頻率以下異步電機(jī)變壓變頻調(diào)速特性4.2.5總結(jié)對(duì)比四種變壓變頻調(diào)速機(jī)械特性線性段可以統(tǒng)一寫(xiě)成：電機(jī)的轉(zhuǎn)差功率Ps由于電機(jī)帶恒定不變負(fù)載情況下，轉(zhuǎn)差角頻率也不隨頻率變換而變化，所以變頻調(diào)速過(guò)程中轉(zhuǎn)差功率Ps恒定不變。（5）最大轉(zhuǎn)矩“Es/ωs=C控制”中最大電磁轉(zhuǎn)矩可以進(jìn)一步變換為所以比較式（4-34）與（4-27）可見(jiàn)“Es/ωs=C控制”最大轉(zhuǎn)矩小于“Eg/ωs=C控制”的最大轉(zhuǎn)矩“Us/ωs=C控制”中最大電磁轉(zhuǎn)矩也可以進(jìn)一步變換為所以比較式（4-35）與（4-21）可見(jiàn)“Us/ωs=C控制”最大轉(zhuǎn)矩小于“Es/ωs=C控制”的最大轉(zhuǎn)矩23額定定子頻率以上異步電機(jī)變頻調(diào)速特性《交流電機(jī)控制原理及控制系統(tǒng)》周揚(yáng)忠、楊公德、屈艾文/4.34.3額定定子頻率以上異步電機(jī)變頻調(diào)速特性從式（4-36）進(jìn)一步推導(dǎo)出電磁轉(zhuǎn)矩最大值及與之對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)差率分別如下：當(dāng)定子頻率達(dá)到額定值以上后，由于定子電壓受限于額定值不變，則根據(jù)式（3-3）可得機(jī)械特性如下：從式（4-37）（4-38）可見(jiàn)，最大轉(zhuǎn)矩處產(chǎn)生的機(jī)械功率如下由式（4-39）可見(jiàn)，最大轉(zhuǎn)矩點(diǎn)處產(chǎn)生的機(jī)械功率隨定子頻率的提高而減小，由此可以示意畫(huà)出額定定子頻率以上變頻調(diào)速機(jī)械特性如圖4-7(a)所示。采用附錄表1異步電機(jī)參數(shù)，基于圖3-1等效

電路的matlab繪制50Hz、60Hz、70Hz、80Hz定子頻率機(jī)械特性如圖4-7(b)所示254.3額定定子頻率以上異步電機(jī)變頻調(diào)速特性相同定子電壓“不考慮勵(lì)磁支路”和“考慮勵(lì)磁支路”機(jī)械特性曲線相差不大；最大轉(zhuǎn)矩點(diǎn)變化基本遵循（4-37）（4-38）。26（a）機(jī)械特性示意圖（b）基于圖3-1等效電路的matlab繪制機(jī)械特性圖4-7額定定子頻率以上變頻調(diào)速機(jī)械特性轉(zhuǎn)速開(kāi)環(huán)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)《交流電機(jī)控制原理及控制系統(tǒng)》周揚(yáng)忠、楊公德、屈艾文/4.44.4轉(zhuǎn)速開(kāi)環(huán)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)284.4.1磁通恒定控制1電壓方式控制式（4-9）已經(jīng)表明，若要實(shí)現(xiàn)氣隙磁通恒定控制，則定子電壓應(yīng)該近似控制為：若定子電壓按式（4-9）進(jìn)行控制，即可近似實(shí)現(xiàn)額定氣隙磁通控制之目的。2電流方式控制圖3-1的等效電路中忽略鐵損耗后，勵(lì)磁電流根據(jù)式（4-40）及圖3-1，轉(zhuǎn)子電流求解如下：根據(jù)圖3-1中定子、轉(zhuǎn)子及勵(lì)磁電流之間的關(guān)系，可以進(jìn)一步推導(dǎo)出定子電流如下：為轉(zhuǎn)差角頻率根據(jù)式（4-42）進(jìn)一步可以建立定子電流幅值、勵(lì)磁電流幅值與轉(zhuǎn)差角頻率關(guān)系如下4.4轉(zhuǎn)速開(kāi)環(huán)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)294.4.1磁通恒定控制2電流方式控制可見(jiàn)，如果定子電流幅值按照式（4-43）進(jìn)行控制即可實(shí)現(xiàn)勵(lì)磁電流恒定控制之目的。根據(jù)式（4-43）可以畫(huà)出對(duì)應(yīng)的定子電流幅值與轉(zhuǎn)差角頻率關(guān)系示意如圖4-8(a)所示。當(dāng)勵(lì)磁電流為額定值后，定子電流隨轉(zhuǎn)差角頻率按式（4-43）關(guān)系變化即可實(shí)現(xiàn)氣隙磁鏈恒定在額定值。采用附錄表1異步電機(jī)參數(shù)，基于圖3-1等效電路的matlab繪制20Hz、30Hz、40Hz、50Hz定子頻率時(shí)轉(zhuǎn)矩、定子電流、勵(lì)磁電流與轉(zhuǎn)差角頻率關(guān)系如圖4-8(b)所示，勵(lì)磁電流恒定在3.3552A，而且四支頻率曲線完全重合。（a）示意圖（b）基于圖3-1等效電路的matlab繪制特性圖4-8定子電流與轉(zhuǎn)差角頻率關(guān)系4.4轉(zhuǎn)速開(kāi)環(huán)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)基于變壓變頻調(diào)速原理構(gòu)建異步電機(jī)轉(zhuǎn)速開(kāi)環(huán)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)典型結(jié)構(gòu)如圖4-9所示。4.4.2電壓源型逆變器供電變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)

1給定積分器圖4-9轉(zhuǎn)速開(kāi)環(huán)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)圖4-9轉(zhuǎn)速開(kāi)環(huán)異步電機(jī)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)主要包括以下幾部分：由于轉(zhuǎn)速開(kāi)環(huán)，當(dāng)電機(jī)處于動(dòng)態(tài)過(guò)程中，若定子供電頻率階躍大幅度變化，相當(dāng)于電機(jī)轉(zhuǎn)差角頻率發(fā)生大幅度階躍突變，從而引起電磁轉(zhuǎn)矩發(fā)生大幅度突變，對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)子及負(fù)載產(chǎn)生很大的應(yīng)力沖擊，不利于傳動(dòng)鏈各環(huán)節(jié)的安全工作。所以，希望實(shí)際的定子供電頻率緩慢變化。為此，利用給定積分器環(huán)節(jié)對(duì)外部給定的階躍頻率（對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)子速度）進(jìn)行平滑后輸出初始的定子頻率給定再送給后一級(jí)的變壓變頻環(huán)節(jié)。2

Us/fs曲線忽略定子阻抗上壓降，為了實(shí)現(xiàn)氣隙磁通量為額定值控制，定子電壓與頻率維持如下：3定子阻抗壓降補(bǔ)償具體補(bǔ)償值為304.4轉(zhuǎn)速開(kāi)環(huán)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)基于變壓變頻調(diào)速原理構(gòu)建異步電機(jī)轉(zhuǎn)速開(kāi)環(huán)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)典型結(jié)構(gòu)如圖4-9所示。4.4.2電壓源型逆變器供電變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)

4轉(zhuǎn)差補(bǔ)償器圖4-9轉(zhuǎn)速開(kāi)環(huán)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)圖4-9轉(zhuǎn)速開(kāi)環(huán)異步電機(jī)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)主要包括以下幾部分：由于轉(zhuǎn)速開(kāi)環(huán)控制，電機(jī)同步磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速度之間相差一個(gè)轉(zhuǎn)差，從而引起轉(zhuǎn)速控制精度的降低；另外，由于轉(zhuǎn)速的開(kāi)環(huán)控制，變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)對(duì)負(fù)載等擾動(dòng)抑制能力降低，轉(zhuǎn)子容易出現(xiàn)震蕩現(xiàn)象。為此，引入轉(zhuǎn)差補(bǔ)償器環(huán)節(jié)，根據(jù)前述內(nèi)容的分析轉(zhuǎn)差頻率ff如下：電機(jī)定子輸入的有功功率Ip為定子電流的有功分量實(shí)際的定子供電頻率給定值：314.4轉(zhuǎn)速開(kāi)環(huán)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)4.4.2電壓源型逆變器供電變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)基于變壓變頻調(diào)速原理構(gòu)建異步電機(jī)轉(zhuǎn)速開(kāi)環(huán)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)典型結(jié)構(gòu)如圖4-9所示。圖4-9轉(zhuǎn)速開(kāi)環(huán)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)圖4-9轉(zhuǎn)速開(kāi)環(huán)異步電機(jī)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)主要包括以下幾PWM調(diào)制模塊把外部給定的定子供電頻率給定值送給積分器，獲得定子電壓的相位角給定；根據(jù)相位角給定

及定子電壓給定，利用正弦波脈寬調(diào)制或空間

電壓矢量調(diào)制產(chǎn)生三相逆變器需要的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。其中，定子電壓給定是Us/fs曲線環(huán)節(jié)輸出電壓與定子阻抗壓降之和。計(jì)算電流幅值及電流有功分量環(huán)節(jié)根據(jù)前端“定子電流檢測(cè)環(huán)節(jié)”獲得定子三相電流isA、isB、isC，然后利用本書(shū)第五章靜止坐標(biāo)變換方法獲得定子電流幅值再借助于定子電壓的相位角給定，采用第五章旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換方法把定子電流變換到定子電壓定向坐標(biāo)系求取部分：324.4轉(zhuǎn)速開(kāi)環(huán)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)基于變壓變頻調(diào)速原理構(gòu)建異步電機(jī)轉(zhuǎn)速開(kāi)環(huán)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)典型結(jié)構(gòu)如圖4-9所示。4.4.2電壓源型逆變器供電變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)

7電流限制控制器圖4-9轉(zhuǎn)速開(kāi)環(huán)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)圖4-9轉(zhuǎn)速開(kāi)環(huán)異步電機(jī)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)主要包括以下幾在圖4-9轉(zhuǎn)速開(kāi)環(huán)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)中定子側(cè)電壓由外部給定頻率（對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)子速度）直接決定，中間沒(méi)有電流閉環(huán)，容易造成電機(jī)動(dòng)態(tài)過(guò)渡過(guò)程中產(chǎn)生較大的定子電流，對(duì)傳動(dòng)鏈各部件的安全工作不利。為此，利用電流限制控制器限制定子電流于最大允許值以下。（1）當(dāng)電流限制控制器輸出正的頻率分量Δf疊加到定子頻率給定由于定子頻率給定降低帶來(lái)定子電壓幅值給定也隨之降低，從而限制了定子電流幅值。（2）當(dāng)Δf=0，對(duì)定子電壓控制沒(méi)有影響。部分：33轉(zhuǎn)速閉環(huán)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)《交流電機(jī)控制原理及控制系統(tǒng)》周揚(yáng)忠、楊公德、屈艾文/4.54.5轉(zhuǎn)速閉環(huán)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)4.5.1轉(zhuǎn)差頻率控制轉(zhuǎn)矩原理研究背景：圖4-9調(diào)速系統(tǒng)可以以轉(zhuǎn)速開(kāi)環(huán)的方式實(shí)現(xiàn)調(diào)速，控制算法簡(jiǎn)單，但由于沒(méi)有根據(jù)轉(zhuǎn)速誤差對(duì)定子供電頻率進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，從而導(dǎo)致系統(tǒng)在外界擾動(dòng)，例如突加突卸負(fù)載等，動(dòng)態(tài)過(guò)程中轉(zhuǎn)速過(guò)渡過(guò)程較長(zhǎng)。若要實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速閉環(huán)的有效控制，根據(jù)運(yùn)動(dòng)方程式可知關(guān)鍵是要有效控制電磁轉(zhuǎn)矩。根據(jù)4.2.3節(jié)恒定的Eg/ωs或Eg/fs控制研究結(jié)論，機(jī)械特性線性段表達(dá)式（4-25）進(jìn)一步改寫(xiě)為：1.轉(zhuǎn)差角頻率對(duì)電磁轉(zhuǎn)矩控制的穩(wěn)定性控制從式（4-24）機(jī)械特性的非線性特性可知，若要獲得轉(zhuǎn)差角頻率控制電磁轉(zhuǎn)矩的正向特性，轉(zhuǎn)差角頻率不能大于允許的最大值ωfmax否則，電機(jī)工作點(diǎn)將滑向機(jī)械特性的非線性部分，失去了轉(zhuǎn)差角頻率對(duì)電磁轉(zhuǎn)矩控制的穩(wěn)定性。由式（4-46）可見(jiàn)，電磁轉(zhuǎn)矩Te近似與電機(jī)的轉(zhuǎn)差角頻率ωf成正比，利用轉(zhuǎn)差角頻率即可有效控制電磁轉(zhuǎn)矩。354.5轉(zhuǎn)速閉環(huán)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)4.5.1轉(zhuǎn)差頻率控制轉(zhuǎn)矩原理研究背景：圖4-9調(diào)速系統(tǒng)可以以轉(zhuǎn)速開(kāi)環(huán)的方式實(shí)現(xiàn)調(diào)速，控制算法簡(jiǎn)單，但由于沒(méi)有根據(jù)轉(zhuǎn)速誤差對(duì)定子供電頻率進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，從而導(dǎo)致系統(tǒng)在外界擾動(dòng)，例如突加突卸負(fù)載等，動(dòng)態(tài)過(guò)程中轉(zhuǎn)速過(guò)渡過(guò)程較長(zhǎng)。若要實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速閉環(huán)的有效控制，根據(jù)運(yùn)動(dòng)方程式可知關(guān)鍵是要有效控制電磁轉(zhuǎn)矩。根據(jù)4.2.3節(jié)恒定的Eg/ωs或Eg/fs控制研究結(jié)論，機(jī)械特性線性段表達(dá)式（4-25）進(jìn)一步改寫(xiě)為：由式（4-46）可見(jiàn)，電磁轉(zhuǎn)矩Te近似與電機(jī)的轉(zhuǎn)差角1.轉(zhuǎn)差角頻率對(duì)電磁轉(zhuǎn)矩控制的穩(wěn)定性控制電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)差角頻率關(guān)系特性曲線示意圖如圖4-10（a）所示。采用附錄表1異步電機(jī)參數(shù)，基于圖3-1等效電路的matlab繪制20Hz、30Hz、40Hz、50Hz定子

頻率時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)差角頻率關(guān)系特性曲線如圖4-

10(b)所示，結(jié)果可見(jiàn)四支頻率曲線完全重合在一起。（a）示意圖（b）基于圖3-1等效電路的matlab繪制曲線圖4-10電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)差角頻率關(guān)系特性頻率ωf成正比，利用轉(zhuǎn)差角頻率即可有效控制電磁轉(zhuǎn)矩。364.5轉(zhuǎn)速閉環(huán)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)4.5.1轉(zhuǎn)差頻率控制轉(zhuǎn)矩原理研究背景：圖4-9調(diào)速系統(tǒng)可以以轉(zhuǎn)速開(kāi)環(huán)的方式實(shí)現(xiàn)調(diào)速，控制算法簡(jiǎn)單，但由于沒(méi)有根據(jù)轉(zhuǎn)速誤差對(duì)定子供電頻率進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，從而導(dǎo)致系統(tǒng)在外界擾動(dòng)，例如突加突卸負(fù)載等，動(dòng)態(tài)過(guò)程中轉(zhuǎn)速過(guò)渡過(guò)程較長(zhǎng)。若要實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速閉環(huán)的有效控制，根據(jù)運(yùn)動(dòng)方程式可知關(guān)鍵是要有效控制電磁轉(zhuǎn)矩。根據(jù)4.2.3節(jié)恒定的Eg/ωs或Eg/fs控制研究結(jié)論，機(jī)械特性線性段表達(dá)式（4-25）進(jìn)一步改寫(xiě)為：2.氣隙磁通恒定控制由式（4-46）可見(jiàn)，電磁轉(zhuǎn)矩Te近似與電機(jī)的轉(zhuǎn)差角頻率ωf成正比，利用轉(zhuǎn)差角頻率即可有效控制電磁轉(zhuǎn)矩。374.5轉(zhuǎn)速閉環(huán)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)384.5.2電壓源型逆變器供電變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)1.轉(zhuǎn)速閉環(huán)轉(zhuǎn)差頻率變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4-11所示圖4-11轉(zhuǎn)速閉環(huán)轉(zhuǎn)差頻率變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)2.當(dāng)電機(jī)處于啟動(dòng)階段時(shí)由于

，所以轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸出很快限幅在其最大值，異步電機(jī)輸出最大電磁轉(zhuǎn)矩啟動(dòng)轉(zhuǎn)子恒加速度加速，對(duì)應(yīng)的啟動(dòng)過(guò)程中特性及工作點(diǎn)變化如圖4-12所示。電機(jī)以最大電磁轉(zhuǎn)矩Temax實(shí)現(xiàn)恒加速度從零轉(zhuǎn)速啟動(dòng)依次經(jīng)過(guò)A1點(diǎn)、A2點(diǎn)、A3點(diǎn)、A4點(diǎn)、A5點(diǎn)，…，A點(diǎn)。在啟動(dòng)過(guò)程中

，所以定子供電頻率隨轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速圖4-12電機(jī)啟動(dòng)特性3.當(dāng)電機(jī)從穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速至停車過(guò)程中轉(zhuǎn)速給定突然降低至0，由于，所以轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸出很快限幅到最大負(fù)值，電機(jī)輸出對(duì)應(yīng)的最大負(fù)電磁轉(zhuǎn)矩使得轉(zhuǎn)子快速減速。在減速過(guò)程中電機(jī)同步磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)速度低于轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速度，電度的升高而同步升高，最終穩(wěn)定運(yùn)行于A點(diǎn)。機(jī)處于發(fā)電制動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)4.5轉(zhuǎn)速閉環(huán)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)391.轉(zhuǎn)速閉環(huán)轉(zhuǎn)差頻率變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4-11所示圖4-11轉(zhuǎn)速閉環(huán)轉(zhuǎn)差頻率變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)2.當(dāng)電機(jī)處于啟動(dòng)階段時(shí)4.5.2電壓源型逆變器供電變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)

3.當(dāng)電機(jī)從穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速至停車過(guò)程中由于

，所以轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸出很快限幅在其最大值，異步電機(jī)輸出最大電磁轉(zhuǎn)矩啟動(dòng)轉(zhuǎn)子恒加速度加速，對(duì)應(yīng)的啟動(dòng)過(guò)程中特性及工作點(diǎn)變化如圖4-12所示。電機(jī)以最大電磁轉(zhuǎn)矩Temax實(shí)現(xiàn)恒加速度從零轉(zhuǎn)速啟動(dòng)依次經(jīng)過(guò)A1點(diǎn)、A2點(diǎn)、A3點(diǎn)、A4點(diǎn)、A5點(diǎn)，…，A點(diǎn)。在啟動(dòng)過(guò)程中

，所以定子供電頻率隨轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速當(dāng)轉(zhuǎn)速降低至

以下后，在極性鑒別器作用下三相對(duì)稱的PWM電壓以負(fù)相序方式加到定子繞組上，電機(jī)同步磁場(chǎng)反向旋轉(zhuǎn)，進(jìn)一步產(chǎn)生制動(dòng)轉(zhuǎn)矩使轉(zhuǎn)子最終減速至0。無(wú)論電機(jī)處于動(dòng)態(tài)，還是處于穩(wěn)態(tài)，氣隙磁場(chǎng)總是通過(guò)Us-ωs曲線環(huán)節(jié)穩(wěn)態(tài)被控制為額定值。盡管轉(zhuǎn)速閉環(huán)克服了轉(zhuǎn)速開(kāi)環(huán)系統(tǒng)轉(zhuǎn)速過(guò)渡過(guò)程長(zhǎng)等缺陷，實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)速較為精確而快速控制，但轉(zhuǎn)速閉環(huán)轉(zhuǎn)差頻率變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)仍然存在如下特點(diǎn)：(1)由于定子供電頻率是轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)電角頻率與轉(zhuǎn)差角頻率之和，導(dǎo)致轉(zhuǎn)速的任何檢測(cè)誤差均會(huì)以正反饋的方式引入控制環(huán)路中，從而影響了電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩的控制精度。這就要求轉(zhuǎn)速測(cè)量精度高度的升高而同步升高，最終穩(wěn)定運(yùn)行于A點(diǎn)。4.5轉(zhuǎn)速閉環(huán)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)404.5.2電壓源型逆變器供電變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)5.盡管轉(zhuǎn)速閉環(huán)克服了轉(zhuǎn)速開(kāi)環(huán)系統(tǒng)轉(zhuǎn)速過(guò)渡過(guò)程長(zhǎng)等缺陷，實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)速較為精確而快速控制，但轉(zhuǎn)速閉環(huán)轉(zhuǎn)差頻率變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)仍然存在如下特點(diǎn)：(1)由于定子供電頻率是轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)電角頻率與轉(zhuǎn)差角頻率之和，導(dǎo)致轉(zhuǎn)速的任何檢測(cè)誤差均會(huì)以正反饋的方式引入控制環(huán)路中，從而影響了電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩的控制精度。這就要求轉(zhuǎn)速測(cè)量精度高反饋轉(zhuǎn)速:定子供電頻率由式（4-50）可見(jiàn)，控制電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)差角頻率為，其中包括了轉(zhuǎn)速的測(cè)量誤差

。所以，轉(zhuǎn)速測(cè)量誤差以正反饋方式耦合到電磁轉(zhuǎn)矩的控制環(huán)中。真實(shí)速度測(cè)量誤差（2）盡管調(diào)速系統(tǒng)具備Us-ωs環(huán)節(jié)，但只能控制調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)氣隙磁通為額定值，而動(dòng)態(tài)過(guò)程中氣隙磁通卻偏離其額定值，從而降低了電磁轉(zhuǎn)矩的控制性能。造成這種動(dòng)態(tài)特性變差的本質(zhì)原因是Us-ωs環(huán)節(jié)數(shù)學(xué)模型是基于圖3-1穩(wěn)態(tài)等效電路模型構(gòu)建的，并不滿足電機(jī)動(dòng)態(tài)模型約束。異步電機(jī)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)仿真建?！督涣麟姍C(jī)控制原理及控制系統(tǒng)》周揚(yáng)忠、楊公德、屈艾文/4.64.6異步電機(jī)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)仿真建模4.6.1參數(shù)計(jì)算1.采用附錄表1中的異步電機(jī)參數(shù)，利用Matlab對(duì)電機(jī)進(jìn)行建模仿真?；诒?-1額定運(yùn)行時(shí)T型等效電路仿真數(shù)據(jù)，根據(jù)勵(lì)磁電感及勵(lì)磁電流，求解電機(jī)額定氣隙磁鏈：計(jì)算零頻率時(shí)定子電阻壓降：曲線表達(dá)式為：2.根據(jù)附錄表1中的異步電機(jī)參數(shù)計(jì)算計(jì)算額定運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)差率：由此計(jì)算額定轉(zhuǎn)差頻率：選擇最大轉(zhuǎn)差頻率限幅：3.計(jì)算三相繞組正弦調(diào)制電壓標(biāo)幺值根據(jù)電機(jī)額定電壓可以計(jì)算相繞組電壓最大值為：根據(jù)給定定子電角頻率，利用積分計(jì)算定子電壓調(diào)制信號(hào)相位：424.6異步電機(jī)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)仿真建模4.6.1參數(shù)計(jì)算3.計(jì)算三相繞組正弦調(diào)制電壓標(biāo)幺值根據(jù)電機(jī)額定電壓可以計(jì)算相繞組電壓最大值為：根據(jù)給定定子電角頻率，利用積分計(jì)算定子電壓調(diào)制信號(hào)相位：計(jì)算三相繞組正弦調(diào)制電壓標(biāo)幺值如下：正相序：負(fù)相序：正負(fù)相序的判別利用極性判別器判別給定定子電角頻率的符號(hào)即可。三相繞組正弦調(diào)制電壓標(biāo)幺值與20kHz的三角波交接產(chǎn)生PWM波控制三相逆變橋6

個(gè)功率管開(kāi)關(guān)。4.利用定子磁鏈與氣隙磁鏈關(guān)系計(jì)算氣隙磁鏈幅值5.利用極對(duì)數(shù)、轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的電角頻率或轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的機(jī)械角頻率可以求得轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速度434.6異步電機(jī)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)仿真建模444.6.2模型建立根據(jù)轉(zhuǎn)速閉環(huán)轉(zhuǎn)差頻率變壓變頻控制結(jié)構(gòu)（圖4-11）及上述計(jì)算結(jié)果建立Matlab仿真模型如圖4-13所示，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR比例系數(shù)P=4，積分系數(shù)I=0.3，限幅為±12.566×2；“Us/ws

Curve”模塊輸出定子電壓給定依次經(jīng)過(guò)限幅模塊“Limit

to

0~311”、標(biāo)幺值模塊“Unit”后獲得標(biāo)幺值化的定子電壓給定U

*；ASR轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器，s輸出轉(zhuǎn)差頻率給定；轉(zhuǎn)差頻率給定與反饋的電角頻率之和輸出定子電角頻率給定。圖4-13變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)仿真模型根據(jù)上述PWM原理建立“SPWM”模塊如圖4-14所示。三相逆變橋模塊“Three-phase

Inverter”把直流540V逆變成三相變壓變頻交流電壓供給電機(jī)。圖4-14

SPWM模塊4.6異步電機(jī)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)仿真建模454.6.3仿真研究圖4-16為電機(jī)在半載7.5N.m啟動(dòng)至720r/min，然后在3s處升速至額定轉(zhuǎn)速1440r/min；在4.6s處，負(fù)載突增至額定值15N.m的仿真波形。根據(jù)仿真結(jié)果可見(jiàn)：（1）轉(zhuǎn)速能夠快速上升至給定值，但由于轉(zhuǎn)矩在動(dòng)態(tài)中無(wú)法保持恒定最大值，導(dǎo)致轉(zhuǎn)速無(wú)法線性上升；（2）在轉(zhuǎn)速或電磁轉(zhuǎn)矩動(dòng)態(tài)過(guò)程中，由于采用的是穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型構(gòu)建控制策略，導(dǎo)致氣隙磁鏈幅值無(wú)法控制在恒定值，從而也影響了電磁轉(zhuǎn)矩的控制性能；（3）由于采用了

Us/ωs曲線，定子電壓給定隨定子角頻率線性變化（a）轉(zhuǎn)速（b）轉(zhuǎn)矩（c）轉(zhuǎn)差角頻率給定（d）定子A相電流（e）定子角頻率給定（f）定子電壓給定

（h）氣隙磁鏈幅值圖4-16

轉(zhuǎn)速閉環(huán)轉(zhuǎn)差頻率變壓變頻控制仿真波形異步電機(jī)變壓變頻調(diào)速案例分析《交流電機(jī)控制原理及控制系統(tǒng)》周揚(yáng)忠、楊公德、屈艾文/4.74.7異步電機(jī)變壓變頻調(diào)速案例分析以轉(zhuǎn)速閉環(huán)轉(zhuǎn)差頻率變壓變頻調(diào)速為例，以

TMS320F2812DSP為核心構(gòu)建硬件平臺(tái)，對(duì)應(yīng)的硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)見(jiàn)第十二章內(nèi)容。采用DSP的定時(shí)器1（T1）以50μs為周期執(zhí)行算法的核心程序，對(duì)應(yīng)的流程圖如圖4-17所示。圖4-17轉(zhuǎn)速閉環(huán)轉(zhuǎn)差頻率變壓變頻調(diào)速策略T1中斷程序流程圖利用c語(yǔ)言以定標(biāo)的方式編寫(xiě)控制策略核心程序如下：/*Speed_closed-loop_slip_frequency_system.c*/#include

"include/DSP281x_Device.h"#include

"include/DSP281x_Examples.h"#include

"math.h"#define

PI

3.1415926Ts=_IQ20(0.00005);//控制周期50μvolatile

_iq20s//電機(jī)參數(shù)定義：兩對(duì)極（4極），額定功率2.2kW，頻率50Hz，額定相電壓220Vvolatile

_iq20

Rs=_IQ20(1.91),Rr=_IQ20(1.55);//定子電阻Rs與轉(zhuǎn)子電阻Rrvolatile_iq20

L1=_IQ20(0.00775),L2=_IQ20(0.012),Lm=_IQ20(0.207);//等效電路中定轉(zhuǎn)子側(cè)漏感L1、L2，勵(lì)磁電感Lm474.7異步電機(jī)變壓變頻調(diào)速案例分析48volatile

_iq20

Ls=0,Lr=0,Lmd=0,Lsd=0,Lrd=0;//定子電感Ls=L1+Lm,轉(zhuǎn)子電感Lr=L2+Lm，dq坐標(biāo)中勵(lì)磁電感Lmd=1.5*Lm,定子dq坐標(biāo)電感Lsd=L1+Lmd,轉(zhuǎn)子dq坐標(biāo)電感Lrd=L2+Lmd//空間矢量調(diào)制環(huán)節(jié)變量定義volatile

_iq20

Da=0,Db=0,Dc=0,Danew=0,Dbnew=0,Dcnew=0,min=0,max=1,max_1=1;//Da~Dc為abc三相逆變橋臂功率開(kāi)關(guān)占空比volatile

_iq20volatile

_iq20volatile

_iq20Ua=0,Ub=0,Uc=1,U_alpha=0,U_beta=0,U_DC_1=0;//Ua~Uc為三相電壓U_alphak=0,U_betak=0,is_z,is_alpha,is_beta,M_speed_DC_G3,vs3=100;speed3_kp=_IQ20(0.14),speed3_ki=_IQ20(0.000003),delta_omega_sm=15.08;Delta_Speed_Now3,delta_omega_Give_kp3,delta_omega_Give_ki3,delta_omega_Give3=0;Position_Number=0,T1P_count=0,Zero_kCAP3=0,sys_delay_flag=0,Ts_1=0;theta_s=0,theta_r=0,sin_theta_s=0,cos_theta_s=0,Electric_Speed3_s=0;U_max=0,U_DC_3=0,Us_alpha=0,Us_beta=0,U_square=0,U_amp=0,volatile

_iq20volatile

long

intvolatile

_iq20volatile

_iq20U_rate=0;volatile

_iq20//程序聲明square_Is=0,

Is=0,

square_impe=0,

impe=0,X_L=0,delta_U=0,U_s_give=0;extern

void

DSP28x_usDelay(Uint32

Count);interrupt

void

ISR_PDPINTA(void);//PDPINTA中斷子程序，具體程序見(jiàn)第三章“3.5”節(jié)interrupt

void

ISR_T1CINT(void);//T1比較中斷子程序4.7異步電機(jī)變壓變頻調(diào)速案例分析49interrupt

void

ISR_T3CINT(void);//T3比較中斷子程序，具體程序見(jiàn)第三章“3.5”節(jié)interrupt

void

ISR_Cap3(void);//捕獲3中斷子程序，具體程序見(jiàn)第三章“3.5”節(jié)void

Speed_slip_frequence_Given(void);//轉(zhuǎn)差頻率給定計(jì)算，即轉(zhuǎn)速ASR調(diào)節(jié)器子程序void

Motor_Init(void);//電機(jī)啟動(dòng)初始化子程序，具體程序見(jiàn)第三章“3.5”節(jié)void

DA_Out(void);//DA轉(zhuǎn)換子程序，具體程序見(jiàn)第三章“3.5”節(jié)void

Speed_Given(void);//轉(zhuǎn)速給定子程序，具體程序見(jiàn)第三章“3.5”節(jié)void

Duty_calculate(void);//計(jì)算三相逆變橋臂功率開(kāi)關(guān)占空比子程序，具體程序見(jiàn)第三章“3.5”節(jié)void

Get_PWM(void);//刷新PWM寄存器void

slip_frequence_control(void);#pragma

CODE_SECTION(ISR_T1CINT,"TEXT_T1");#pragma

CODE_SECTION(DA_Out,"TEXT_T1");//mmmmmmmmmmm主函數(shù)mmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmvoid

main(void){

Ls=L1+Lm;//20定標(biāo),定子自電感Lr=L2+Lm;//20定標(biāo),轉(zhuǎn)子自電感Lmd=_IQ20mpy(_IQ20(1.5),Lm);//dq坐標(biāo)系中互感Lsd=_IQ20mpy(_IQ20(1.5),Lm)+L1;//dq坐標(biāo)系定子側(cè)電感Lrd=_IQ20mpy(_IQ20(1.5),Lm)+L2;//dq坐標(biāo)系轉(zhuǎn)子側(cè)電感Init_Sys();//系統(tǒng)初始化設(shè)置，初始化中斷EvaRegs.T1CON.all|=0x0040;//啟動(dòng)T1使能定時(shí)器EvbRegs.T3CON.all|=0x0040;//啟動(dòng)T3使能定時(shí)器4.7異步電機(jī)變壓變頻調(diào)速案例分析50IFR

=

0x0000;EINT;//復(fù)位ADC轉(zhuǎn)換模塊AdcRegs.ADCTRL2.bit.RST_SEQ1=1;//復(fù)位排序器SEQ1AdcRegs.ADCST.bit.INT_SEQ1_CLR=1;//清除排序器SEQ1中斷標(biāo)志位//使能捕獲中斷3（第3組第7個(gè)中斷）PieCtrlRegs.PIEIER3.all=0x40;//CAPINT3使能（PIE級(jí)）IER

|=M_INT3;//M_INT3=0x0004，使能INT3（CPU級(jí)）//GPIO口配置EALLOW;GpioMuxRegs.GPFMUX.all

=0x0030;GpioMuxRegs.GPFDIR.bit.GPIOF1

=

1;GpioMuxRegs.GPFDIR.bit.GPIOF13=0;//使I/O26口（GPIOF13）為輸入GpioMuxRegs.GPFDIR.bit.GPIOF0=0;//使I/O27口（GPIOF0）為輸入GpioMuxRegs.GPFDIR.bit.GPIOF10=0;//使I/O23口（GPIOF10）為輸入GpioMuxRegs.GPFDIR.bit.GPIOF11=0;//使I/O24口（GPIOF11）為輸EDIS;while(1)//等待中斷{}}4.7異步電機(jī)變壓變頻調(diào)速案例分析51//mmmmmmmmmmm定時(shí)器T1比較中斷服務(wù)子程序mmmmmmmmmmminterrupt

void

ISR_T1CINT(void){

AdcRegs.ADCTRL2.bit.RST_SEQ1=1;//復(fù)位排序器SEQ1AdcRegs.ADCTRL2.bit.SOC_SEQ1=1;//排序器SEQ1啟動(dòng)轉(zhuǎn)換觸發(fā)位//=======編碼器測(cè)得的位置角和轉(zhuǎn)速==============//Position_Estimate3();//編碼器測(cè)量轉(zhuǎn)子位置角Speed_Estimate3();//計(jì)算轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速度theta_r+=_IQ20mpy(Electric_Speed3,Ts);//從速度計(jì)算轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)角度theta_rif(theta_r<-_IQ20(0)){theta_r=theta_r+_IQ20(2*PI);}//轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)角度映射到0~2*PIif(theta_r>_IQ20(2*PI)){theta_r=theta_r-_IQ20(2*PI);}//=======AD信號(hào)采樣及相關(guān)參數(shù)計(jì)算============//AD();//采樣進(jìn)來(lái)的三相電流iA,iB,iC以及直流母線電壓U_DC//===自然坐標(biāo)到靜止坐標(biāo)系坐標(biāo)變換====//is_alpha=_IQ20mpy(_IQ20(0.8165),iA)-_IQ20mpy(_IQ20(0.4082),iB+iC);//定子電流alpha量is_beta=_IQ20mpy(_IQ20(0.7071),iB-iC);//定子電流beta分量

is_z=_IQ20mpy(_IQ20(0.5774),iA+iB+iC);//零序電流分量U_max=_IQ20mpy(_IQ20(0.577),U_DC);//線性調(diào)制輸出定子電壓最大值Speed_slip_frequence_Given();//轉(zhuǎn)差頻率給定計(jì)算，即轉(zhuǎn)速ASR調(diào)節(jié)器子程序slip_frequence_control();//定子電壓給定計(jì)算子程序4.7異步電機(jī)變壓變頻調(diào)速案例分析52//=============生成PWM波===================//if(PWM_En3==1){

Duty_calculate();//三相逆變橋功率開(kāi)關(guān)占空比計(jì)算Get_PWM();//刷新PWM寄存器}//=========清中斷標(biāo)志位和應(yīng)答位===============//EvaRegs.EVAIFRA.bit.T1CINT=1;//清中斷標(biāo)志位PieCtrlRegs.PIEACK.all

|=0x2;//T1CNT中斷應(yīng)答}//mmmmmmmmmmmm定子電壓給定計(jì)算子程序mmmmmmmmmmmmmmmvoid

slip_frequence_control(void){

//重構(gòu)逆變器實(shí)際輸出三相電壓Ua~UcU_DC_3=_IQ20div(U_DC,_IQ20(3));Ua=_IQ20mpy(U_DC_3,_IQ20mpy(_IQ20(2),Da)-Db-Dc);Ub=_IQ20mpy(U_DC_3,_IQ20mpy(_IQ20(2),Db)-Da-Dc);Uc=_IQ20mpy(U_DC_3,_IQ20mpy(_IQ20(2),Dc)-Db-Da);Us_alpha=_IQ20mpy(_IQ20(0.8165),Ua)-_IQ20mpy(_IQ20(0.4082),Ub+Uc);//計(jì)算alpha電壓

Us_beta=_IQ20mpy(_IQ20(0.7071),Ub-Uc);//計(jì)算beta電壓4.7異步電機(jī)變壓變頻調(diào)速案例分析53//由給定轉(zhuǎn)差和轉(zhuǎn)子電角頻率計(jì)算定子供電角頻率Electric_Speed3_s=delta_omega_Give3+Electric_Speed3;//定子供電角頻率//對(duì)定子供電角頻率積分計(jì)算定子電壓相位角theta_stheta_s+=_IQ20mpy(Electric_Speed3_s,Ts);if(theta_