異步電動機(jī)變頻調(diào)速控制方式課件

第7章異步電動機(jī)變頻調(diào)速控制方式7.1U/f控制

7.2

轉(zhuǎn)差頻率控制

7.3矢量控制

7.4直接轉(zhuǎn)矩控制

1整理版課件2024/4/3第7章異步電動機(jī)變頻調(diào)速控制方式7.1U/f控制77.1U/f控制7.1.1恒U/f控制在進(jìn)行電機(jī)調(diào)速時，常須考慮的一個重要因素是：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，不能充分利用電機(jī)的鐵心，會造成浪費(fèi)；而如果過分增大磁通，又會使鐵心飽和，從而導(dǎo)致過大的勵磁電流，嚴(yán)重時會因繞組過熱而損壞電機(jī)。2整理版課件2024/4/37.1U/f控制7.1.1恒U/f控制在進(jìn)行電電機(jī)定子電動勢平衡方程式：

（7-2）（7-1）定子每相電動勢

：

3整理版課件2024/4/3電機(jī)定子電動勢平衡方程式：（7-2）（7-1）定子每相電動03四月2024為了保持磁通保持不變，在頻率下調(diào)時，須使E1/f1=常數(shù)，但由于E1是定子反電動勢，無法直接進(jìn)行檢測和控制，而U1可以方便地檢測和控制，因此，在額定頻率以下調(diào)頻，即f1<f1n調(diào)頻時，同時下調(diào)加在定子繞組上的電壓，即U/f控制方式，如果使U1/f1=常數(shù)，稱恒U/f控制。若在額定頻率以上調(diào)頻時，U1就不能跟著上調(diào)了，因?yàn)殡姍C(jī)定子繞組上的電壓不允許超過額定電壓，即必須保持U1=U1n不變，額定頻率以上進(jìn)行調(diào)頻屬弱磁調(diào)速。4整理版課件02四月2024為了保持磁通保持不變，在頻率下調(diào)03四月20247.1.2恒U/f控制方式下電機(jī)的機(jī)械特性如調(diào)節(jié)f1使f1=αff1n,同時相應(yīng)調(diào)節(jié)U1，使U1=αf

U1n，則

設(shè)在額定頻率f1n時，定、轉(zhuǎn)子漏電抗為xn=x1n+x'2n,則有

（7-3）（7-4）5整理版課件02四月20247.1.2恒U/f控制方式下電機(jī)的機(jī)械03四月2024圖7-1U1/f1=常數(shù)控制方式下的機(jī)械特性曲線這族曲線具有如下兩個特點(diǎn)：1）在忽略r1情況下，機(jī)械特性曲線族之間近似平行。2）當(dāng)轉(zhuǎn)速較高時，最大拖動轉(zhuǎn)矩近似不變。3）轉(zhuǎn)速較低的情況下，Tm將明顯下降。

6整理版課件02四月2024圖7-1U1/f1=常數(shù)控制方03四月2024在恒U/f控制方式下，由于E1在U1中的比重隨f1下降而減小，從而造成在低頻低速時主磁通和電磁轉(zhuǎn)矩Tm下降較多。Tm大幅減小，嚴(yán)重影響電機(jī)在低速時的帶負(fù)載能力。為避免這種情況，可適當(dāng)提高調(diào)壓比ku(U1=kuU1n)，使調(diào)壓比ku大于調(diào)頻比kf(f1=kf

f1n

)，即相對提高U1的值使得E1的值增加，從而保證E1/f1=常數(shù)，最終使電動機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩得到補(bǔ)償。由于這種方法是通過提高U1/f1比值使Tm得到補(bǔ)償?shù)?，因此這種方法被稱為電壓補(bǔ)償，也稱轉(zhuǎn)矩提升。7.1.3對額定頻率f1n以下變頻調(diào)速特性的修正7整理版課件02四月2024在恒U/f控制方式下，由于E1在U103四月2024圖7-2電壓補(bǔ)償后，額定頻率以下電機(jī)機(jī)械特性曲線8整理版課件02四月2024圖7-2電壓補(bǔ)償后，額定頻率以下電03四月2024圖7-3變頻器的U/f控制曲線9整理版課件02四月2024圖7-3變頻器的U/f控制曲線9整03四月2024圖7-4電壓補(bǔ)償后電機(jī)全頻范圍內(nèi)機(jī)械特性曲線10整理版課件02四月2024圖7-4電壓補(bǔ)償后電機(jī)全頻范圍內(nèi)機(jī)械03四月2024圖7-5典型的數(shù)字控制通用變頻器-異步電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)原理圖11整理版課件02四月2024圖7-5典型的數(shù)字控制通用變頻器-異步03四月2024轉(zhuǎn)速開環(huán)變頻調(diào)速系統(tǒng)雖然可以滿足平滑調(diào)速的要求，但改變的是同步轉(zhuǎn)速，調(diào)速精度比較低，系統(tǒng)靜、動態(tài)性能都有限，要提高靜、動態(tài)性能需要進(jìn)行轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制。轉(zhuǎn)差頻率控制是在閉環(huán)運(yùn)算中力圖維持磁通恒定來實(shí)現(xiàn)電磁轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)差頻率近似線性，通過控制轉(zhuǎn)差頻率從而實(shí)現(xiàn)電磁轉(zhuǎn)矩線性可控的一種閉環(huán)控制方法。7.2轉(zhuǎn)差頻率控制7.2.1轉(zhuǎn)差頻率控制的基本思想12整理版課件02四月2024轉(zhuǎn)速開環(huán)變頻調(diào)速系統(tǒng)雖然03四月2024轉(zhuǎn)速開環(huán)變頻調(diào)速系統(tǒng)雖然可以滿足平滑調(diào)速的要求，但改變的是同步轉(zhuǎn)速，調(diào)速精度比較低，系統(tǒng)靜、動態(tài)性能都有限，要提高靜、動態(tài)性能需要進(jìn)行轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制。轉(zhuǎn)差頻率控制是在閉環(huán)運(yùn)算中力圖維持磁通恒定來實(shí)現(xiàn)電磁轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)差頻率近似線性，通過控制轉(zhuǎn)差頻率從而實(shí)現(xiàn)電磁轉(zhuǎn)矩線性可控的一種閉環(huán)控制方法。7.2轉(zhuǎn)差頻率控制7.2.1轉(zhuǎn)差頻率控制的基本思想13整理版課件02四月2024轉(zhuǎn)速開環(huán)變頻調(diào)速系統(tǒng)雖然03四月2024（7-7）（7-6）（7-8）定義ωs=sω1為轉(zhuǎn)差角頻率，則有（7-9）14整理版課件02四月2024（7-7）（7-6）（7-8）定義ωs=03四月2024（7-10）基于上述推導(dǎo)，獲得轉(zhuǎn)差頻率控制的基本思想是：只要在控制過程中，保證：1)限制轉(zhuǎn)差角頻率的最大值ωsm

；2)保持主磁通

m恒定。控制轉(zhuǎn)差角頻率ωs

，就能實(shí)現(xiàn)電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)差頻率成比例的近似線性控制。（7-11）15整理版課件02四月2024（7-10）基于上述推導(dǎo)，獲得轉(zhuǎn)差03四月20247.2.2轉(zhuǎn)差頻率控制的轉(zhuǎn)速閉環(huán)變頻調(diào)速系統(tǒng)圖7-7轉(zhuǎn)差頻率控制規(guī)律的轉(zhuǎn)速閉環(huán)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖16整理版課件02四月20247.2.2轉(zhuǎn)差頻率控制的轉(zhuǎn)速閉環(huán)變頻調(diào)03四月20247.3.1矢量控制簡介7.3矢量控制

眾所周知，直流電動機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)具有優(yōu)良的動、靜態(tài)調(diào)速特性，其根本原因在于作為控制對象的他勵直流電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩能夠容易地進(jìn)行控制。那么，作為變頻調(diào)速的控制對象——交流電動機(jī)是否可以模仿直流電動機(jī)轉(zhuǎn)矩控制規(guī)律而加以實(shí)現(xiàn)呢？20世紀(jì)70年代初德國學(xué)者Blaschkle等人首先提出矢量控制變換實(shí)現(xiàn)了這種控制思想。矢量控制成功解決了交流電動機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩的有效控制，使異步電動機(jī)可以像他勵直流電動機(jī)那樣控制，從而實(shí)現(xiàn)交流電機(jī)高性能控制，故矢量控制又稱解耦控制或矢量變換控制。它可以應(yīng)用于異步電機(jī)和同步電機(jī)傳動系統(tǒng)。17整理版課件02四月20247.3.1矢量控制簡介7.3矢量控03四月2024圖7-8他勵直流電動機(jī)的物理模型1.與直流傳動類比18整理版課件02四月2024圖7-8他勵直流電動機(jī)的物理模型1.03四月2024圖7-9等效的交流電動機(jī)繞組和直流電動機(jī)物理模型1.與直流傳動類比19整理版課件02四月2024圖7-9等效的交流電動機(jī)繞組和直流電動03四月2024圖7-10異步電動機(jī)坐標(biāo)變換結(jié)構(gòu)圖2.矢量控制的概念既然異步電機(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)變換的是電流(代表磁動勢)的空間矢量，所以這樣通過坐標(biāo)變換實(shí)現(xiàn)的控制系統(tǒng)就叫作矢量控制系統(tǒng)(VectorControlSystem)，控制系統(tǒng)的原理結(jié)構(gòu)如7-11所示。20整理版課件02四月2024圖7-10異步電動機(jī)坐標(biāo)變換結(jié)構(gòu)圖2.03四月2024圖7-11矢量控制結(jié)構(gòu)圖21整理版課件02四月2024圖7-11矢量控制結(jié)構(gòu)圖21整理版課件03四月2024圖7-12帶轉(zhuǎn)矩內(nèi)環(huán)的轉(zhuǎn)速、磁鏈閉環(huán)的電流滯環(huán)SPWM矢量控制系統(tǒng)7.3.2矢量控制系統(tǒng)22整理版課件02四月2024圖7-12帶轉(zhuǎn)矩內(nèi)環(huán)的轉(zhuǎn)速、磁鏈閉環(huán)的03四月20247.4直接轉(zhuǎn)矩控制經(jīng)典的SPWM控制著眼于使變頻器輸出的電壓接近正弦波，并未顧及輸出電流的波形。實(shí)際交流電動機(jī)需要輸入三相正弦電流，其最終目的是在電動機(jī)空間形成圓形的旋轉(zhuǎn)磁場，從而產(chǎn)生恒定的電磁轉(zhuǎn)矩。如果對準(zhǔn)這一目標(biāo)，把逆變器和交流電動機(jī)視為一體，按照跟蹤圓形旋轉(zhuǎn)磁場來控制逆變器的工作，其效果應(yīng)該更好。這種控制方法稱作“磁鏈跟蹤控制”，由于磁鏈的軌跡是交替使用不同的電壓空間矢量得到的，所以又稱作“電壓空間矢量PWM(SpaceVectorPWM—SVPWM)控制。直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)(DTC)是利用電壓空間矢量PWM(SVPWM)通過磁鏈、轉(zhuǎn)矩的直接控制、確定逆變器的開關(guān)狀態(tài)來實(shí)現(xiàn)的。23整理版課件02四月20247.4直接轉(zhuǎn)矩控制經(jīng)典的SP03四月20247.4.1電壓空間矢量7.4直接轉(zhuǎn)矩控制交流電動機(jī)繞組的電壓、電流、磁鏈等物理量都是隨時間變化的，分析時常用時間相量來表示，但如果考慮到它們所在繞組的空間位置，也可以如圖7-13所示，定義為空間矢量uA0，uB0，uC0。

圖7-13交流電機(jī)電壓空間矢量24整理版課件02四月20247.4.1電壓空間矢量7.4直接轉(zhuǎn)03四月2024（7-13）上式表明，當(dāng)磁鏈幅值一定時，定子電壓的大小與

1(或供電電壓頻率)成正比，其方向則與磁鏈?zhǔn)噶空?，即磁鏈圓的切線方向，如圖7-14所示，當(dāng)磁鏈?zhǔn)噶吭诳臻g旋轉(zhuǎn)一周時，電壓矢量也連續(xù)地按磁鏈圓的切線方向運(yùn)動2

弧度，其軌跡與磁鏈圓重合。這樣，電動機(jī)旋轉(zhuǎn)磁場的軌跡問題就可轉(zhuǎn)化為電壓空間矢量的運(yùn)動軌跡問題。（7-14）（7-15）（7-16）（7-17）（7-18）25整理版課件02四月2024（7-13）上式表明，當(dāng)磁鏈幅值一03四月2024圖7-14旋轉(zhuǎn)磁場與電壓空間矢量的運(yùn)動軌跡圖7-15三相逆變器-異步電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)主電路的原理圖26整理版課件02四月2024圖7-14旋轉(zhuǎn)磁場與電壓空間矢量圖703四月2024（7-19）（7-20）（7-21）（7-22）三相輸出電壓三相輸出線電壓直流輸入電流27整理版課件02四月2024（7-19）（7-20）（7-21）（703四月2024（7-23）（7-24）以U5(1，0，1)為例，由式(7-19)有壓代人式(7-13)，得28整理版課件02四月2024（7-23）（7-24）以U5(1，0，03四月2024圖7-16逆變器的電壓矢量29整理版課件02四月2024圖7-16逆變器的電壓矢量29整理版03四月20247.4.2磁通軌跡控制7.4直接轉(zhuǎn)矩控制如前所述，電壓矢量的積分是磁通矢量，一個由電壓空間矢量運(yùn)動所形成的正六邊形軌跡也可以看作是異步電動機(jī)定子磁鏈?zhǔn)噶慷它c(diǎn)的運(yùn)動軌跡，如圖7-17所示。

圖7-17異步電動機(jī)定子磁鏈?zhǔn)噶颗c電壓空間矢量30整理版課件02四月20247.4.2磁通軌跡控制7.4直接轉(zhuǎn)03四月2024圖7-18逼近圓形時的磁鏈增量軌跡圖7-19兩個矢量線性組合后的電壓矢量us31整理版課件02四月2024圖7-18逼近圓形時的磁鏈增量軌跡圖03四月2024（7-26）（7-28）（7-27）32整理版課件02四月2024（7-26）（7-28）（7-27）3203四月20247.4.3直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)