第二講 UF控制矢量控制原理

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1．3變頻變壓調(diào)速 變頻調(diào)速出現(xiàn)了一個(gè)新問(wèn)題：當(dāng)頻率下降時(shí)，電動(dòng)機(jī)的輸出功率將隨轉(zhuǎn)速的下降而下降，但輸入功率和頻率之間卻并無(wú)直接關(guān)系。于是在輸入和輸出功率之間將出現(xiàn)能量的失衡，這種失衡必將反映在傳遞能量的磁路中。所以，要說(shuō)清楚變頻變壓的問(wèn)題，必須從電動(dòng)機(jī)的能量傳遞環(huán)節(jié)入手。1．3．1能量傳遞過(guò)程異步電動(dòng)機(jī)的工作原理與能量傳遞過(guò)程如圖1－14所示。1．工作原理圖1－14a）是異步電動(dòng)機(jī)定子繞組的空間分布示意圖。它說(shuō)明：三相繞組在空間位置上是互差2π∕3電角度的。圖b）是它的工作原理：當(dāng)電源的三相交變電流通入電動(dòng)機(jī)定子的三相繞組后，其合成磁場(chǎng)是一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，轉(zhuǎn)速是n0。旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)被轉(zhuǎn)子繞組（鼠籠條）切割，轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E2和感應(yīng)電流I2。感應(yīng)電流又和旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)相互作用，便產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩TM，在TM的作用下，轉(zhuǎn)子將以轉(zhuǎn)速nM旋轉(zhuǎn)。由于轉(zhuǎn)子繞組只有在切割旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的情況下，才可能產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E2和感應(yīng)電流I2。而如果轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速和同步轉(zhuǎn)速相等的話，轉(zhuǎn)子繞組將不再切割磁力線，也不會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流和轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)子便失去了旋轉(zhuǎn)的動(dòng)力。所以，轉(zhuǎn)速nM永遠(yuǎn)小于同步轉(zhuǎn)速n0，兩者之差稱為轉(zhuǎn)差，用Δn表示。圖１－14異步電動(dòng)機(jī)的能量傳遞過(guò)程

a）異步電動(dòng)機(jī)的定子繞組b）工作原理c）能量傳遞過(guò)程2．能量傳遞過(guò)程圖c）表示了異步電動(dòng)機(jī)的能量關(guān)系，具體說(shuō)明如下：（1）輸入功率 三相交流異步電動(dòng)機(jī)的輸入功率就是從電源吸取的電功率，用P1表示，計(jì)算公式如下：P1＝3U1I1cosφ1

（1－5）

式中，P1─輸入功率，kW；U1─電源相電壓，V；I1─電動(dòng)機(jī)的相電流，A；cosφ1─定子繞組的功率因數(shù)。（2）電磁功率 定子輸入功率中減去定子繞組的銅損Pcu1和鐵損PFe1后，將全部轉(zhuǎn)換成傳輸給轉(zhuǎn)子的電磁功率PM，計(jì)算公式如下：

PM＝3E1I1cosφ1

（1－6）式中，PM─電磁功率，kW；

E1─定子每相繞組的反電動(dòng)勢(shì)，V。 定子繞組的反電動(dòng)勢(shì)是定子繞組切割旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的結(jié)果，其有效值計(jì)算如下：

E1＝4.44KEfN1Φ1

（1－7）

式中，N1─定子每相繞組的匝數(shù)；

Φ1─定子每對(duì)磁極下基波磁通，Wb；

KE─繞組的電勢(shì)系數(shù)。 式（1－7）表明，當(dāng)頻率一定時(shí)，E1的大小直接反應(yīng)了磁通Φ1的大小。（3）轉(zhuǎn)子側(cè)的電磁功率 轉(zhuǎn)子是通過(guò)電磁感應(yīng)得到從定子傳遞過(guò)來(lái)的電磁功率的，其大小由下式計(jì)算：

PM＝3E2’I2’cosφ2

（1－8）

式中，E2’─轉(zhuǎn)子等效繞組每相電動(dòng)勢(shì)的折算值，Ｖ；

I2’─轉(zhuǎn)子等效繞組相電流的折算值，Ａ；

cosφ2─轉(zhuǎn)子等效繞組的功率因數(shù)。 這里，所謂轉(zhuǎn)子的等效繞組，是一組效果與實(shí)際繞組（鼠籠條）完全相同的假想繞組，其結(jié)構(gòu)與定子繞組相同。等效繞組中的各物理量，都綴以“’”。

E2’是轉(zhuǎn)子等效繞組切割旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的結(jié)果，其有效值計(jì)算如下：

E2’＝

4.44KEfN1Φ1

（1－9）

比較式（1－7）和式（1－9）可以看出，由于轉(zhuǎn)子等效繞組的結(jié)構(gòu)和定子繞組完全相同，因此：

E2’＝

E1（4）輸出功率 電動(dòng)機(jī)的輸出功率就是軸上的機(jī)械功率，其大小由下式計(jì)算：

P2＝ （1－10）式中，TM─電動(dòng)機(jī)軸上的電磁轉(zhuǎn)矩，Nm；

nM─電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，r∕min。電磁轉(zhuǎn)矩是轉(zhuǎn)子電流與磁通相互作用的結(jié)果，其大小計(jì)算如下：

TM＝KTΦ1I2’cosφ2

（1－11）

式中，KT─繞組的轉(zhuǎn)矩系數(shù)。3．磁通在定子等效電路中的反映

如圖1－15，在定子磁通中，有兩種情形： （1）主磁通是能夠穿過(guò)空氣隙與轉(zhuǎn)子繞組相鏈，從而把能量傳遞給轉(zhuǎn)子的部分。主磁通在公式中常常用基波分量Φ1表示，也有時(shí)用振幅值Φm表示。 定子繞組切割主磁通所產(chǎn)生的自感電動(dòng)勢(shì)E1，是定子電路內(nèi)與外加電壓相抗衡的主要成分，稱為反電動(dòng)勢(shì)。（2）漏磁通 是不能穿過(guò)空氣隙與轉(zhuǎn)子繞組相鏈，從而并不傳遞能量的部分。它在電路中，只能起電抗的作用，稱為漏磁電抗，用x1表示。

圖1－15磁通在定子等效電路中的反映

a）定子磁通b）定子等效電路1．3．2電機(jī)磁通大小要恒定1．磁通減小的后果 如式（1－11）TM＝KTΦ1I2’cosφ2，電動(dòng)機(jī)所產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩的大小，是和轉(zhuǎn)子電流和磁通的乘積成正比的。電動(dòng)機(jī)的額定電流是不允許超過(guò)額定值的，否則電動(dòng)機(jī)會(huì)因過(guò)熱而損壞。因此，如果磁通減小的話，電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩將達(dá)不到額定值，從而使帶負(fù)載能力下降。2．磁通增大的后果 （1）磁化曲線在電動(dòng)機(jī)的磁路里，磁通Φ的大小和勵(lì)磁電流I0的關(guān)系，稱為磁化曲線，如圖1－16所示。其特點(diǎn)是：圖1－16勵(lì)磁電流的波形

a）磁路未飽和b）磁路飽和

在開(kāi)始階段，Φ與I0基本上呈線性關(guān)系，但當(dāng)Φ增大到一定程度時(shí)，磁路將飽和。這時(shí)，勵(lì)磁電流I0再增大，磁通Φ將增加得很少。（2）勵(lì)磁電流的波形 當(dāng)磁路未飽和時(shí)，勵(lì)磁過(guò)程在磁化曲線的線性段進(jìn)行，勵(lì)磁電流的波形如圖1－16a）所示。圖中，曲線①是磁化曲線；曲線②是勵(lì)磁電流的波形。當(dāng)磁路飽和時(shí)，其曲線如圖b）中之曲線①所示，而勵(lì)磁電流的波形則如圖b）中之曲線③所示。由圖知，勵(lì)磁電流的波形將發(fā)生嚴(yán)重的畸變，是一個(gè)峰值很高的尖峰波。即使磁通增加不多，勵(lì)磁電流的峰值也會(huì)增加得很大。 所以，在進(jìn)行變頻調(diào)速時(shí)，有一個(gè)十分重要的要求，就是磁通Φ必須保持基本不變：

Φ1＝const1．3．3變頻特點(diǎn)當(dāng)電動(dòng)機(jī)的工作頻率fX下降時(shí)，各部分功率的變化情形如下：

1．輸入功率 在式（1－5）中P1＝3U1I1cosφ1

，與輸入功率P1有關(guān)的各因子中，除cosφ1略有變化外，都和fX沒(méi)有直接關(guān)系。因此，可以認(rèn)為，fX下降時(shí)，P1基本不變。

2．輸出功率 由于在等速運(yùn)行時(shí)，電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩TM總是和負(fù)載轉(zhuǎn)矩相平衡的。所以，在負(fù)載轉(zhuǎn)矩不變的情況下，TM也不變。而輸出軸上的轉(zhuǎn)速n必將隨fX下降而下降，由式（1－10）知P2＝，輸出功率P2也隨fX的下降而下降。

3．電磁功率 由圖1－14c）可以看出，當(dāng)輸入功率P1不變而輸出功率P2減小時(shí)，傳遞能量的電磁功率PM減小，損耗必增大，即電流增大。這意味著磁通Φ也必增大，并導(dǎo)致磁路飽和。 這是異步電動(dòng)機(jī)在電流頻率下降時(shí)出現(xiàn)的一個(gè)特殊問(wèn)題。

1．3．4

VVVF調(diào)速1．保持磁通不變的方法 式（1－6）中，4.44KE是常數(shù)，針對(duì)某一臺(tái)具體的電動(dòng)機(jī)，每相定子繞組的匝數(shù)N1也是常數(shù)。故式（1－6）又可寫(xiě)為：

E1＝KE’·f1Φ1

（1－12）式中，KE’＝4.44KEN1—常數(shù)。 由于感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的瞬時(shí)值e1決定于磁通的變化率：

e1＝－ （1－13）式中，—磁通的變化率。故式（1－12）的物理意義可由圖1－17來(lái)解釋：圖1－17反電動(dòng)勢(shì)的大小

a）一般情況b）頻率增大

c）磁通的振幅值增大（1）比較圖a）和圖b）可知，頻率增大時(shí)，磁通的變化率增大，反電動(dòng)勢(shì)的有效值也增大。（2）比較圖a）和圖c）可知，磁通的振幅值增大時(shí)，磁通的變化率也增大，從而反電動(dòng)勢(shì)的有效值也同時(shí)增大?？梢?jiàn)，反電動(dòng)勢(shì)的大小，既和頻率大小成正比，也和磁通的振幅值（或有效值）成正比。所以，如能保持： ＝const （1－14）

則磁通Φ1將可保持不變。但反電動(dòng)勢(shì)E1X是線圈自身產(chǎn)生的，無(wú)法從外部控制其大小，故式（1－14）所表達(dá)的條件將難以實(shí)現(xiàn)。2．保持磁通不變的替代方法圖1－15b）中的定子等效電路，可以形象化地畫(huà)成如圖1－18所示。由圖知，反電動(dòng)勢(shì)E1X是從外加電壓U1X中，減去定子繞組的阻抗壓降ΔU1X后的結(jié)果。由于定子繞組的阻抗壓降ΔU所占比例較小，因此，用比較容易從外部進(jìn)行控制的外加電壓U1X來(lái)近似地代替反電動(dòng)勢(shì)E1X是具有現(xiàn)實(shí)意義的。即：

＝const （1－15）

所以，變頻的同時(shí)也必須變壓，目的是為了保持磁通基本不變：圖1－19基本U∕f線

＝const→Φ1≈const圖1－18定子的一相等效電路圖1－19基本U∕f線3．調(diào)頻比與調(diào)壓比 設(shè)當(dāng)頻率下降為fX時(shí)，電壓下降為UX，則：

kF＝ （1－16）稱為頻率調(diào)節(jié)比，或簡(jiǎn)稱調(diào)頻比。

kU＝ （1－17）稱為電壓調(diào)節(jié)比，或簡(jiǎn)稱調(diào)壓比。 以上兩式中，fN和UN分別是頻率和電壓的額定值。 當(dāng)kU＝kF時(shí)，電壓與頻率成正比，其UX＝f（fX）曲線將通過(guò)原點(diǎn)，如圖1－19所示，稱為基本U∕f線。一

機(jī)械特性曲線

長(zhǎng)期以來(lái)，直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性一直是人們公認(rèn)的佼佼者。所以，三相交流異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性能否和直流調(diào)速系統(tǒng)相媲美，便成為了變頻調(diào)速系統(tǒng)能否復(fù)蓋全調(diào)速領(lǐng)域的試金石。1電壓替代反電動(dòng)勢(shì)使得轉(zhuǎn)矩減小

異步電動(dòng)機(jī)在滿足kU＝kF（U∕f＝const）條件下的機(jī)械特性如圖1所示。圖中，曲線①是在額定頻率下的自然機(jī)械特性，臨界轉(zhuǎn)矩為T(mén)KN，允許長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行的轉(zhuǎn)矩即為額定轉(zhuǎn)矩TMN；曲線②是頻率較低時(shí)的機(jī)械特性，臨界轉(zhuǎn)矩為T(mén)KX，比額定頻率時(shí)的臨界轉(zhuǎn)矩TKN小了一些，允許長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行的轉(zhuǎn)矩稱為有效轉(zhuǎn)矩TMEX，也小于額定轉(zhuǎn)矩TMN。可見(jiàn)，頻率越低，電動(dòng)機(jī)的有效轉(zhuǎn)矩越小，帶負(fù)載能力也越小。顯然，這樣的機(jī)械特性是難以和直流調(diào)速系統(tǒng)相比擬的。圖1kU＝kF時(shí)的機(jī)械特性

（1）滿足Ｕ/?＝Const的機(jī)械特性O(shè)n補(bǔ)償定子壓降后的特性圖2補(bǔ)償定子電壓后的機(jī)械特性

2低頻時(shí)臨界轉(zhuǎn)矩減小的原因 從根本上說(shuō)，這是用U1X∕fX＝const近似地代替E1X∕fX＝const的結(jié)果，如圖3所示。圖a）所示是在額定頻率下運(yùn)行時(shí)，反電動(dòng)勢(shì)EN和外加電壓UN之間的關(guān)系。假設(shè)運(yùn)行電流等于額定電流IN，則定子繞組的阻抗壓降為ΔUN。當(dāng)頻率下降為fX時(shí)，在kU＝kF的前提下，外加電壓下降為UX。如果負(fù)載轉(zhuǎn)矩未變，則定子電流仍為IN，定子繞組的阻抗壓降ΔUX基本未變：ΔUX≈ΔUN顯然，阻抗壓降ΔUX在外加電壓UX中所占的比例增大了，而反電動(dòng)勢(shì)EX在外加電壓UX中所占的比例則減小了。就是說(shuō)，當(dāng)UX∕fX＝const時(shí)，比值EX∕f

X實(shí)際上是隨fX的下降而減小的。從而，主磁通Φ1也隨之減小，如圖b）所示。所以，電動(dòng)機(jī)的臨界轉(zhuǎn)矩TKX和有效轉(zhuǎn)矩TEX也都隨之減小。圖3低頻時(shí)臨界轉(zhuǎn)矩減小的原因

a）額定狀態(tài)的電路示意圖c）低頻運(yùn)行的電路示意圖3低頻補(bǔ)償 （1）轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償?shù)幕驹?/p>

為了使EX∕?X＝const的條件得到滿足，以維持磁通Φ1基本不變，人們首先想到的辦法便是：頻率下降時(shí)，在UX∕?X＝const的基礎(chǔ)上增加Δu，適當(dāng)提高UX∕?X

的比值，以補(bǔ)償阻抗壓降ΔU在UX中所占比例增大的影響。這種方法稱為轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償或電壓補(bǔ)償，也叫轉(zhuǎn)矩提升。因?yàn)槭峭ㄟ^(guò)改變U∕?比來(lái)實(shí)現(xiàn)的，故通常稱為U∕F控制法。如圖4a）所示，曲線①是kU＝kF時(shí)的U∕?線，當(dāng)頻率為?X時(shí)，對(duì)應(yīng)的電壓為UX；曲線②是補(bǔ)償后的U∕?線。當(dāng)頻率為?X時(shí)，對(duì)應(yīng)的電壓增加為UX’＝UX＋Δu，使UX’∕?X＞UN∕?N。如補(bǔ)償?shù)们〉胶锰幍脑?，則反電動(dòng)勢(shì)與頻率之比與額定狀態(tài)基本相同，如圖b）所示，從而使磁通ΦX’大體上與額定磁通相等：

≈→ΦX’≈ΦN圖4轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償?shù)脑?/p>

a）補(bǔ)償后的U∕f線b）電路示意圖4變頻器的U∕?線由于不同負(fù)載在低頻運(yùn)行時(shí)，負(fù)載軸上的阻轉(zhuǎn)矩也各不相同。與此對(duì)應(yīng)的定子電流和阻抗壓降也不一樣，所需要的補(bǔ)償量也就各異。為此，各種變頻器都設(shè)置了可供用戶選擇的轉(zhuǎn)矩提升功能（U∕?線）。各種變頻器提供的U∕?線類型很不相同，但歸納起來(lái)，大致有以下幾種：（1）直線型

所提供的U∕?線都是直線，如圖5a）所示。有的變頻器對(duì)所有的U∕?線進(jìn)行了編號(hào)，用戶只需根據(jù)需要選擇一個(gè)編號(hào)即可；也有的變頻器則選擇起始電壓與額定電壓之比的百分?jǐn)?shù)（UC%）。（2）折線型

由于在頻率較高部分，實(shí)際上常不需要補(bǔ)償。因此，用戶可預(yù)置需要補(bǔ)償?shù)霓D(zhuǎn)折頻率ft，同時(shí)預(yù)置一個(gè)起始電壓即可，如圖b）所示。圖5變頻器的U∕?線

a）直線型b）折線型c）任意折線型d）自動(dòng)型（3）任意折線型 用戶可預(yù)置2～4個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，從而可使所需U∕?線為任意折線型，如圖c）所示。（4）自動(dòng)U∕?線 各種變頻器都設(shè)置了自動(dòng)U∕?功能，變頻器可以根據(jù)定子電流的大小自動(dòng)調(diào)整U∕?比。這種方式對(duì)于一些在運(yùn)行過(guò)程中阻轉(zhuǎn)矩經(jīng)常變動(dòng)的負(fù)載來(lái)說(shuō)，是較好的選擇；但對(duì)于阻轉(zhuǎn)矩比較穩(wěn)定的負(fù)載來(lái)說(shuō)，如選擇自動(dòng)U∕?功能時(shí)，由于變頻器處于不斷的檢測(cè)和調(diào)整狀態(tài)，反顯得不夠穩(wěn)定。（5）平方線型電機(jī)電壓隨頻率從0Hz到弱磁點(diǎn)按一條平方曲線變化。弱磁點(diǎn)對(duì)應(yīng)電機(jī)的額定電壓。在低于弱磁點(diǎn)區(qū)域，電機(jī)是欠磁化運(yùn)行，因而轉(zhuǎn)矩和電機(jī)噪音要小一些。平方U/f比可用于要求轉(zhuǎn)矩正比于速度平方的情況，如離心泵和離心風(fēng)機(jī)。圖6Ｕ/?為平方線型基頻以下調(diào)速

當(dāng)頻率f1

從額定值f1N

向下調(diào)節(jié)時(shí)，要保持

m

不變，必須同時(shí)降低Eg

，使常值恒定電動(dòng)勢(shì)頻率比的控制方式

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，則恒壓頻比的控制方式低頻時(shí)Us

和Eg

都較小，定子阻抗壓降不能忽略。需要人為地把電壓Us抬高以近似補(bǔ)償定子壓降。

基頻以上調(diào)速

在基頻以上調(diào)速時(shí)，頻率從f1N

向上升高，但定子電壓Us

卻不可能超過(guò)額定電壓UsN

，最多只能保持Us

=UsN

，將迫使磁通與頻率成反比地降低。f1N恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速UsUsNΦmNΦm恒功率調(diào)速ΦmUsf1O圖

Ｕ/?曲線f1N恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速UsUsNΦmNΦm恒功率調(diào)速ΦmUsf1O

將電壓－頻率協(xié)調(diào)控制中的電壓進(jìn)一步提高，抵消轉(zhuǎn)子漏抗壓降。恒Eｒ

/

1控制機(jī)械特性完全是一條直線。只要能夠按照轉(zhuǎn)子全磁通幅值

rm=恒值進(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。0s10Te

電壓－頻率協(xié)調(diào)控制方式的特性比較不同電壓－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

c1）恒壓頻比（Us/

1=恒值）控制易實(shí)現(xiàn)，其變頻機(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，但低速時(shí)須對(duì)定子壓降實(shí)行補(bǔ)償，以保證足夠的帶載能力。

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=恒值，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

控制按照轉(zhuǎn)子全磁通

rm

恒定進(jìn)行控制，可以得到和直流他勵(lì)電機(jī)一樣的線性機(jī)械特性。恒功率調(diào)速當(dāng)角頻率提高時(shí)，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。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。<<<OnTemax6U∕F控制法的缺點(diǎn) U∕F控制法中，當(dāng)轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償線選定之后，電動(dòng)機(jī)輸入電壓U1X的大小只和工作頻率?X有關(guān)，而和負(fù)載輕重?zé)o關(guān)。但許多負(fù)載在同一轉(zhuǎn)速下，負(fù)載轉(zhuǎn)矩是常常變動(dòng)的。例如塑料擠出機(jī)在工作過(guò)程中，負(fù)載的阻轉(zhuǎn)矩是隨塑料的加料情況、熔融狀態(tài)以及塑料本身的性能等而經(jīng)常變動(dòng)的。用戶在決定U∕?線時(shí)，只能根據(jù)負(fù)載最重時(shí)的狀況（I1＝I1N）進(jìn)行選擇。當(dāng)負(fù)載較輕時(shí)，電壓的補(bǔ)償量將處于“過(guò)補(bǔ)償”狀態(tài)。這是因?yàn)椋贺?fù)載較輕時(shí)，電流I1下降，定子繞組的阻抗壓降ΔU也減小。結(jié)果，比值E1X∕?X將偏大，使磁路飽和。 上述分析表明，當(dāng)變動(dòng)負(fù)載采用U∕F控制法時(shí)，電動(dòng)機(jī)磁路的飽和程度將隨著負(fù)載的變化而變化，這無(wú)疑是個(gè)瑕點(diǎn)，使它仍難以和直流電動(dòng)機(jī)相媲美。二．矢量控制特性

直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速性能是十分優(yōu)越的，所以，人們就致力于分析直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速性能優(yōu)越的原因，進(jìn)而研究如何使異步電動(dòng)機(jī)也能夠具有和直流電動(dòng)機(jī)類似的特點(diǎn)，從而改善其調(diào)速性能，這就是矢量控制的基本指導(dǎo)思想。1．直流電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn) （1）磁場(chǎng)特點(diǎn) 直流電動(dòng)機(jī)中有兩種磁通： 主磁通—由定子上的主磁極產(chǎn)生，用Φ0表示。主磁極上有勵(lì)磁繞組，繞組中通有勵(lì)磁電流I0。 電樞磁通—由轉(zhuǎn)子繞組中的電樞電流IA產(chǎn)生，用ΦA(chǔ)表示。 主磁通和電樞磁通在空間是互相垂直的，如圖7a）所示。圖7直流電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)

a）磁場(chǎng)特點(diǎn)b）電路特點(diǎn)c）調(diào)速后的機(jī)械特性簇（2）電路特點(diǎn) 勵(lì)磁繞組的電路和電樞電路是互相獨(dú)立的，如圖7b）所示。（3）調(diào)速特點(diǎn) 在這兩個(gè)互相垂直而獨(dú)立的磁場(chǎng)中，只需調(diào)節(jié)其中之一即可進(jìn)行調(diào)速，兩者互不干擾，調(diào)速后的機(jī)械特性如圖7c）所示。2．矢量控制的基本考慮仿照直流電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)，當(dāng)變頻器得到給定信號(hào)后，首先由控制電路把給定信號(hào)分解為兩個(gè)互相垂直的磁場(chǎng)信號(hào)：勵(lì)磁分量ΦM和轉(zhuǎn)矩分量ΦT，與之對(duì)應(yīng)的控制電流信號(hào)分別為iM﹡和iT﹡。并假設(shè)，這兩個(gè)互相垂直的磁場(chǎng)信號(hào)在空間是旋轉(zhuǎn)著，轉(zhuǎn)速等于給定頻率相對(duì)應(yīng)的同步轉(zhuǎn)速。旋轉(zhuǎn)著的直流磁場(chǎng)，和由三相電流產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，在轉(zhuǎn)速和磁感應(yīng)強(qiáng)度都相同的前提下，是可以進(jìn)行等效變換的。所以，直流旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的控制信號(hào)可以等效地變換成三相交變磁場(chǎng)的控制信號(hào)iA﹡、iB﹡和iC﹡，用來(lái)控制逆變橋中各開(kāi)關(guān)器件的工作，如圖8所示。在運(yùn)行過(guò)程中，當(dāng)由于負(fù)載發(fā)生變化導(dǎo)致轉(zhuǎn)速變化，并通過(guò)轉(zhuǎn)速反饋環(huán)節(jié)反饋到控制電路時(shí)，令磁場(chǎng)信號(hào)iM﹡不變，而只調(diào)整轉(zhuǎn)矩信號(hào)iT﹡，從而使異步電動(dòng)機(jī)得到和直流電動(dòng)機(jī)十分相似的機(jī)械特性。圖8矢量控制框圖矢量控制的基本思路一：?jiǎn)栴}的提出1.調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能決定于電磁轉(zhuǎn)矩的控制解決問(wèn)題的思路（1）從根本上改造交流電機(jī)，改變其產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的規(guī)律，方便控制和分析，然而，迄今為止這方面的研究成效甚微；（2）矢量變換控制（TransVectorControl）第二種思路是1971年德國(guó)西門(mén)子公司F.Blaschke提出的“感應(yīng)電動(dòng)機(jī)磁場(chǎng)定向的控制原理”以及美國(guó)的P.C.Custman和A.A.Clark共同提出的“感應(yīng)電機(jī)定子電壓的坐標(biāo)變換控制”，這兩種方法形成了目前得到普遍應(yīng)用的矢量控制變頻調(diào)速系統(tǒng)。（1）直流電機(jī)模型

以他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)為例，除弱磁調(diào)速外，勵(lì)磁繞組單獨(dú)產(chǎn)生的磁通不影響電機(jī)的動(dòng)態(tài)過(guò)程。直流電機(jī)UdnSISO若忽略電樞反應(yīng)和磁路飽和，產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩：

(1)勵(lì)磁電流產(chǎn)生的勵(lì)磁磁通正交于電樞電流產(chǎn)生的磁通；

(2)空間靜止的空間矢量（如磁動(dòng)勢(shì)）均是正交、解耦的；

良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能FfFaIfIaO低階、線性、解耦模型（2）交流電機(jī)模型多變量、強(qiáng)耦合異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速需要進(jìn)行電壓(電流)和頻率的協(xié)調(diào)控制,所以有電壓和頻率兩個(gè)獨(dú)立的輸入變量;

因?yàn)楫惒诫妱?dòng)機(jī)通過(guò)定子供電,磁通和轉(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,還應(yīng)對(duì)磁通進(jìn)行控制,所輸出的變量除了轉(zhuǎn)速外,還應(yīng)包括磁通.

因此異步電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型是一個(gè)多輸入多輸出系統(tǒng).

異步電動(dòng)機(jī)的電壓(電流),頻率,磁通,轉(zhuǎn)速又互相都有影響,所以異步電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型又是強(qiáng)耦合的多變量系統(tǒng),主要的耦合是繞組之間的互感聯(lián)系.

在三相交流電源作用下，磁通的建立和轉(zhuǎn)速的變化同時(shí)進(jìn)行；變壓變頻調(diào)速過(guò)程中需要對(duì)電壓、頻率協(xié)調(diào)控制。A1A2Us

1(Is)

MIMO非線性

異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩等于磁通乘電流,而轉(zhuǎn)速乘磁通就得到旋轉(zhuǎn)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì).由于它們是同時(shí)變化的,在數(shù)學(xué)模型中會(huì)含有兩個(gè)變量的乘機(jī)項(xiàng),因此異步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型是非線性的.

高階

三相異步電動(dòng)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)生的磁通都有自己的電磁慣性,再加上運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)械慣性,異步電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型是一個(gè)高階系統(tǒng).

-----不考慮變頻裝置的滯后因素，可近似為一個(gè)8階系統(tǒng)。定子側(cè)等效電路描述：異步電動(dòng)機(jī)時(shí)空向量圖描述：物理模型描述：以產(chǎn)生同樣的旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)為準(zhǔn)則三相空間對(duì)稱靜止繞組通入三相對(duì)稱交變電流兩相對(duì)稱靜止繞組通入兩相對(duì)稱交流電流兩相旋轉(zhuǎn)繞組通入直流電流MT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)系下的iA、iB

、iC，在兩相坐標(biāo)系下的i

、i

和在旋轉(zhuǎn)兩相坐標(biāo)系下的直流im、it

是等效的。電磁轉(zhuǎn)矩可描述為:其中,

2'I2',I1M

I1T.

2‘相當(dāng)于直流電機(jī)勵(lì)磁磁通

f

；

I2‘相當(dāng)于直流電機(jī)電樞電流

Ia

。電機(jī)模型等效結(jié)構(gòu)圖：3/2VR等效直流電動(dòng)機(jī)模型ABC

iAiBiCitimi

i

異步電動(dòng)機(jī)基于動(dòng)態(tài)模型按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的

矢量控制系統(tǒng)（1）矢量控制系統(tǒng)的基本構(gòu)想交流異步電機(jī)的矢量變換模型3/2VR等效直流電動(dòng)機(jī)模型ABC

iAiBiCitimi

i

異步電動(dòng)機(jī)

矢量控制系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)圖

控制器VR-12/3電流控制變頻器3/2VR等效直流電動(dòng)機(jī)模型+i*mi*t

1i*

i*

i*Ai*Bi*CiAiBiCi

iβimit~反饋信號(hào)異步電動(dòng)機(jī)給定信號(hào)

在設(shè)計(jì)矢量控制系統(tǒng)時(shí)，控制器后面引入的反旋轉(zhuǎn)變換器VR-1與電機(jī)內(nèi)部的旋轉(zhuǎn)變換環(huán)節(jié)VR抵消，2/3變換器與電機(jī)內(nèi)部的3/2變換環(huán)節(jié)抵消，如果再忽略變頻器中可能產(chǎn)生的滯后，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化。4．矢量控制 （1）．采用矢量控制方式的基本要領(lǐng) 實(shí)行矢量控制的基本途徑，是進(jìn)行磁場(chǎng)之間的等效變換，而進(jìn)行等效變換的前提是必須對(duì)變換前的磁場(chǎng)有足夠的了解。因此，應(yīng)把電動(dòng)機(jī)的有關(guān)參數(shù)輸入給變頻器。主要有：電動(dòng)機(jī)的額定容量、額定電壓、額定電流、額定頻率、額定轉(zhuǎn)速、磁極數(shù)等，以及定子每相繞組的電阻和漏磁電感、轉(zhuǎn)子每相等效繞組的電阻和漏磁電感、定、轉(zhuǎn)子繞組間的互感、空載勵(lì)磁電流等。

目前，新系列的變頻器都配置了“自測(cè)定功能”，能夠自動(dòng)地測(cè)定電動(dòng)機(jī)的有關(guān)參數(shù)。具體方法如下： （1）使電動(dòng)機(jī)脫離負(fù)載（實(shí)在不能脫離時(shí)，須參照說(shuō)明書(shū)的有關(guān)規(guī)定）； （2）輸入電動(dòng)機(jī)的額定數(shù)據(jù)； （3）使變頻器處于“鍵盤(pán)操作”方式； （4）將自測(cè)定功能預(yù)置為“自動(dòng)”方式； （5）按下“ＲＵＮ”鍵，電動(dòng)機(jī)將按照預(yù)置的升速時(shí)間升速至一定轉(zhuǎn)速（約為額定轉(zhuǎn)速的一半），然后又按照預(yù)置的降速時(shí)間逐漸降速并停止，當(dāng)顯示屏上顯示“自測(cè)定結(jié)束”時(shí)，自測(cè)定過(guò)程即告完成，約需1.5min左右。但也有的變頻器在自測(cè)定過(guò)程中，電動(dòng)機(jī)是不轉(zhuǎn)的，須注意閱讀說(shuō)明書(shū)。（2）．矢量控制方式的適用范圍 變頻器內(nèi)，通常以配用電動(dòng)機(jī)容量與變頻器要求相吻合的4極電動(dòng)機(jī)為基本模型進(jìn)行計(jì)算的。由于受到內(nèi)部微機(jī)容量的限制，變頻器對(duì)于靈活處理不同電動(dòng)機(jī)參數(shù)的能力也就有限。主要限制有： （1）矢量控制只能用于一臺(tái)變頻器控制一臺(tái)電動(dòng)機(jī)的情況下。當(dāng)一臺(tái)變頻器控制多臺(tái)電動(dòng)機(jī)時(shí)，矢量控制將無(wú)效。 （2）電動(dòng)機(jī)容量和變頻器要求的配用電動(dòng)機(jī)容量之間，最多只能相差一個(gè)檔次。例如，變頻器要求的配用電動(dòng)機(jī)容量為7.5kW，則配用電動(dòng)機(jī)的最小容量為5.5kW，對(duì)于3.7kW的電動(dòng)機(jī)，就不適用了。 （3）磁極數(shù)一般以2、4、6極為宜，極數(shù)較多時(shí)須查閱有關(guān)說(shuō)明書(shū)（不同變頻器對(duì)極數(shù)的限制也不一樣）。 （4）特殊電動(dòng)機(jī)不能使用矢量控制功能。如力矩電動(dòng)機(jī)、深槽電動(dòng)機(jī)、雙鼠籠電動(dòng)機(jī)等。圖9無(wú)反饋矢量控制的機(jī)械特性

a）基本接線b）機(jī)械特性（3）．矢量控制的特點(diǎn)與應(yīng)用

（1）無(wú)反饋矢量控制 無(wú)反饋矢量控制方式的主要優(yōu)點(diǎn)是使用方便，用戶不需要增加任何附加器件。且機(jī)械特性較硬，能夠滿足大多數(shù)生產(chǎn)機(jī)械的需要。主要缺點(diǎn)是調(diào)速范圍和動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力都略遜于有反饋矢量控制方式。 事實(shí)上，大多數(shù)恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載都可以選擇無(wú)反饋矢量控制方式。它非但機(jī)械特性優(yōu)于U∕F控制方式，且不會(huì)發(fā)生電動(dòng)機(jī)磁路飽和等問(wèn)題，故調(diào)試方便。（2）有反饋矢量控制 有反饋矢量控制是各方面性能都比較優(yōu)越的一種控制方式。但因?yàn)樗且杂修D(zhuǎn)速反饋為前提的，故必須安裝轉(zhuǎn)速測(cè)量裝置，這對(duì)于普通電動(dòng)機(jī)的變頻改造來(lái)說(shuō)，常常是比較麻煩的。因此，有反饋矢量控制方式主要用于如下場(chǎng)合：

1）要求有較大調(diào)速范圍者，例如兼有銑、磨功能的龍門(mén)刨床；

2）對(duì)動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力有較高要求者，例如某些精密機(jī)床；

3）對(duì)運(yùn)行安全有較高要求者，例如起重機(jī)械等。圖10有反饋矢量控制的機(jī)械特性

a）基本接線b）機(jī)械特性3.直接轉(zhuǎn)矩控制方式對(duì)于拖動(dòng)系統(tǒng)而言TM＞TLn↑TM＜TLn↓TM=TLn不變TM—電機(jī)轉(zhuǎn)矩TL—負(fù)載轉(zhuǎn)矩

n—電機(jī)轉(zhuǎn)速電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩TM決定于電機(jī)的定子磁鏈和轉(zhuǎn)子磁鏈。直接轉(zhuǎn)矩控制直接轉(zhuǎn)矩控制（DirectTorqueControl——DTC），國(guó)外的原文有的也稱為Directself-control——DSC，直譯為直接自控制，這種“直接自控制”的思想以轉(zhuǎn)矩為中心來(lái)進(jìn)行綜合控制，不僅控制轉(zhuǎn)矩，也用于磁鏈量的控制和磁鏈自控制。直接轉(zhuǎn)矩控制與矢量控制的區(qū)別是:

它不是通過(guò)控制電流、磁鏈等量間接控制轉(zhuǎn)矩，而是把轉(zhuǎn)矩直接作為被控量控制，其實(shí)質(zhì)是用空間矢量的分析方法，以定子磁場(chǎng)定向方式，對(duì)定子磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩進(jìn)行直接控制的。

1985年德國(guó)魯爾大學(xué)的狄普布洛克（M.Depenbrock）教授首先提出了基于六邊形乃至圓形磁鏈軌跡的直接轉(zhuǎn)矩控制理論，這種方法不需要復(fù)雜的坐標(biāo)變換，而是直接在電機(jī)定子坐標(biāo)上計(jì)算磁鏈的模和轉(zhuǎn)矩的大小，并通過(guò)磁鏈和轉(zhuǎn)矩的直接跟蹤實(shí)現(xiàn)PWM脈寬調(diào)制和系統(tǒng)的高動(dòng)態(tài)性能。直接轉(zhuǎn)矩控制的特征是控制定子磁鏈，是直接在定子靜止坐標(biāo)系下，以空間矢量概念，通過(guò)檢測(cè)到的定子電壓、電流，直接在定子坐標(biāo)系下計(jì)算與控制電動(dòng)機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩，獲得轉(zhuǎn)矩的高動(dòng)態(tài)性能。直接轉(zhuǎn)矩控制不需要將交流電動(dòng)機(jī)化成等效直流電動(dòng)機(jī)，因而省去了矢量變換中的許多復(fù)雜計(jì)算。也不需要模仿直流電動(dòng)機(jī)的控制，從而也不需要為解耦而簡(jiǎn)化交流電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型，而只需關(guān)心電磁轉(zhuǎn)矩的大小，因此控制上對(duì)除定子電阻外的所有電機(jī)參數(shù)變化魯棒性良好。所引入的定子磁鏈觀測(cè)器能很容易得到磁鏈模型，并方便地估算出同步速度信息，同時(shí)也很容易得到轉(zhuǎn)矩模型，磁鏈模型和轉(zhuǎn)矩模型就構(gòu)成了完整的電動(dòng)機(jī)模型，因而能方便地實(shí)現(xiàn)無(wú)速度傳感器控制，如果在系統(tǒng)中再設(shè)置轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器，即可進(jìn)一步得到高性能動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩控制了。

1．3．5脈寬調(diào)制PWM

要實(shí)現(xiàn)變頻又變壓，可以考慮的方法有：1．PAM（脈幅調(diào)制） 這是最容易想到的辦法，即：在頻率下降的同時(shí)，使直流電壓也隨著下降。因?yàn)榫чl管的可控整流技術(shù)早已成熟，所以，人們很容易想到利用可控整流技術(shù)使整流后的直流電壓與頻率同步下降，如圖1－20所示。圖b）是頻率較高時(shí)的情形，這時(shí)，脈沖周期較短（頻率較高），而脈沖幅值較大；圖c）是頻率較低時(shí)的情形，這時(shí)，脈沖周期較長(zhǎng)（頻率較低），而脈沖幅值則較小。由于PAM調(diào)制的結(jié)果是使逆變后的脈沖幅度下降，故稱之為脈