電力傳動(dòng)與控制 課件 第三章 基于穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型的異步電動(dòng)機(jī)控制

第3章電力傳動(dòng)與控制基于穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型的異步電動(dòng)機(jī)控制

基于穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型的異步電動(dòng)機(jī)控制異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速：在基于穩(wěn)態(tài)模型的異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中，采用穩(wěn)態(tài)等值電路來分析異步電動(dòng)機(jī)在不同電壓和頻率供電條件下的轉(zhuǎn)矩與磁通的穩(wěn)態(tài)關(guān)系和機(jī)械特性，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)。調(diào)速方法：常用的基于穩(wěn)態(tài)模型的異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速方法有調(diào)壓調(diào)速和變壓變頻調(diào)速兩類。

內(nèi)容提要異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制方法及穩(wěn)態(tài)機(jī)械特性異步電動(dòng)機(jī)PWM變壓恒頻(VVCF)控制系統(tǒng)異步電動(dòng)機(jī)變壓變頻(VVVF)控制系統(tǒng)異步電動(dòng)機(jī)變壓變頻(VVVF)的實(shí)現(xiàn)方式轉(zhuǎn)速開環(huán)/閉環(huán)變壓變頻控制系統(tǒng)異步電動(dòng)機(jī)仿真

3.1.1異步電動(dòng)機(jī)工作原理及結(jié)構(gòu)異步電動(dòng)機(jī)是由氣隙旋轉(zhuǎn)磁場與轉(zhuǎn)子繞組感應(yīng)電流相互作用以產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的一種機(jī)械裝置，其典型結(jié)構(gòu)如圖所示。異步電動(dòng)機(jī)的典型結(jié)構(gòu)圖

3.1.2異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制方法異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速表達(dá)式為:

3.1.2異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制方法根據(jù)公式可知，要實(shí)現(xiàn)異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，有如下三種方法：

3.1.3異步電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性假定條件：1.忽略空間和時(shí)間諧波，2.忽略磁飽，3.忽略鐵損，4.不考慮頻率和溫度變化對繞組電阻的影響異步電動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)等效電路

異步電動(dòng)機(jī)等效電路式中轉(zhuǎn)子相電流（折合到定子側(cè)）

異步電動(dòng)機(jī)等效電路簡化等效電路的相電流異步電動(dòng)機(jī)簡化等效電路

異步電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性異步電動(dòng)機(jī)傳遞的電磁功率機(jī)械同步角速度

異步電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性異步電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩（機(jī)械特性方程式）

異步電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性

異步電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性

異步電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性對s求導(dǎo)，并令最大轉(zhuǎn)矩，又稱臨界轉(zhuǎn)矩臨界轉(zhuǎn)差率：對應(yīng)最大轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)差率

3.2異步電動(dòng)機(jī)PWM變壓恒頻(VVCF)控制系統(tǒng)

3.2.1異步電動(dòng)機(jī)PWM變壓恒頻控制的主電路異步電動(dòng)機(jī)調(diào)壓的方式很多，主要分為相控式和斬控式兩大類。傳統(tǒng)的相控式半控型晶閘管電路結(jié)構(gòu)簡單，可以采用電源換相方式，即使采用半控型器件也無須附加換相電路，但存在輸出電壓諧波含量大、網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)低等缺點(diǎn)。因此，相控式SCR電路正逐漸被PWM-IGBT電路所取代。異步電動(dòng)機(jī)三相PWM-IGBT交流調(diào)壓電路

3.2.1異步電動(dòng)機(jī)PWM變壓恒頻控制的主電路

異步電動(dòng)機(jī)三相PWM-IGBT輸出波形

3.2.2異步電動(dòng)機(jī)變壓恒頻的機(jī)械特性變壓恒頻機(jī)械特性曲線

3.2.2異步電動(dòng)機(jī)變壓恒頻的機(jī)械特性帶恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載時(shí)，普通籠型異步電動(dòng)機(jī)降壓調(diào)速時(shí)的穩(wěn)定工作范圍為調(diào)速范圍有限，圖中A、B、C為恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載在不同電壓時(shí)的穩(wěn)定工作點(diǎn)。帶風(fēng)機(jī)類負(fù)載運(yùn)行，調(diào)速范圍可以稍大一些，圖中D、E、F為風(fēng)機(jī)類負(fù)載在不同電壓時(shí)的穩(wěn)定工作點(diǎn)。

3.2.2異步電動(dòng)機(jī)變壓恒頻的機(jī)械特性增加轉(zhuǎn)子電阻值，臨界轉(zhuǎn)差率加大，可以擴(kuò)大恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載下的調(diào)速范圍，這種高轉(zhuǎn)子電阻電動(dòng)機(jī)又稱作交流力矩電動(dòng)機(jī)。缺點(diǎn)是機(jī)械特性較軟。高轉(zhuǎn)子電阻異步電動(dòng)機(jī)變壓恒頻機(jī)械特性曲線

3.2.3異步電動(dòng)機(jī)變壓恒頻的功率損耗

3.2.3異步電動(dòng)機(jī)變壓恒頻的功率損耗

3.3.1變壓變頻控制的基本思想異步電動(dòng)機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速穩(wěn)態(tài)速降隨負(fù)載大小變化只要控制便可控制氣隙磁通

3.3.2基頻以下轉(zhuǎn)速控制異步電動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)等效電路與感應(yīng)電動(dòng)勢為了使參考極性與電動(dòng)狀態(tài)下的實(shí)際極性相吻合，感應(yīng)電動(dòng)勢采用電壓降的表示方法，由高電位指向低電位。

3.3.2基頻以下轉(zhuǎn)速控制氣隙磁通在定子每相繞組中的感應(yīng)電動(dòng)勢定子全磁通在定子每相繞組中的感應(yīng)電動(dòng)勢轉(zhuǎn)子全磁通在定子每相繞組中的感應(yīng)電動(dòng)勢

當(dāng)s很小時(shí)，忽略上式分母中含s各項(xiàng)，或

對于同一轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)速降落基本不變在恒壓頻比的條件下把頻率向下調(diào)節(jié)時(shí)，機(jī)械特性基本上是平行下移的。

臨界轉(zhuǎn)矩隨著頻率的降低而減小。當(dāng)頻率較低時(shí)，電動(dòng)機(jī)帶載能力減弱，采用低頻定子壓降補(bǔ)償，適當(dāng)?shù)靥岣唠妷?，可以增?qiáng)帶載能力。

轉(zhuǎn)差功率與轉(zhuǎn)速無關(guān)，故稱作轉(zhuǎn)差功率不變型。

代入電磁轉(zhuǎn)矩關(guān)系式得：

3.3.3基頻以上轉(zhuǎn)速控制電壓不能從額定值再向上提高，只能保持不變，機(jī)械特性方程式可寫成臨界轉(zhuǎn)矩表達(dá)式

3.3.3基頻以上轉(zhuǎn)速控制臨界轉(zhuǎn)差當(dāng)s很小時(shí)，忽略上式分母中含s各項(xiàng)或

3.3.3基頻以上轉(zhuǎn)速控制帶負(fù)載時(shí)的轉(zhuǎn)速降落對于相同的電磁轉(zhuǎn)矩，角頻率越大，轉(zhuǎn)速降落越大，機(jī)械特性越軟，與直流電動(dòng)機(jī)弱磁調(diào)速相似。

3.3.3基頻以上轉(zhuǎn)速控制異步電動(dòng)機(jī)變壓變頻轉(zhuǎn)速控制的機(jī)械特性曲線

3.4異步電動(dòng)機(jī)變壓變頻(VVVF)的實(shí)現(xiàn)方式現(xiàn)代變頻器中用得最多的控制技術(shù)是脈沖寬度調(diào)制（PulseWidthModulation），簡稱PWM?；舅枷胧强刂颇孀兤髦须娏﹄娮悠骷拈_通或關(guān)斷，輸出電壓為幅值相等、寬度按一定規(guī)律變化的脈沖序列，用這樣的高頻脈沖序列代替期望的輸出電壓。脈沖寬度調(diào)制技術(shù)

3.4.1正弦PWM調(diào)制技術(shù)以頻率與期望的輸出電壓波相同的正弦波作為調(diào)制波，以頻率比期望波高得多的等腰三角波作為載波。由它們的交點(diǎn)確定逆變器開關(guān)器件的通斷時(shí)刻，從而獲得幅值相等、寬度按正弦規(guī)律變化的脈沖序列，這種調(diào)制方法稱作正弦波脈寬調(diào)制（SinusoidalpulseWidthModulation，簡稱SPWM）。

3.4.1正弦PWM調(diào)制技術(shù)

三相PWM逆變器單極性SPWM電路

3.4.1正弦PWM調(diào)制技術(shù)a)三相正弦調(diào)制波與雙極性三角載波b）、c）、d）三相電壓e）輸出線電壓f）電動(dòng)機(jī)相電壓三相PWM逆變器雙極性SPWM波形

3.4.2電流滯環(huán)跟蹤PWM調(diào)制技術(shù)電流跟蹤PWM（CFPWM，CurrentFollowPWM）的控制方法是：在原來主回路的基礎(chǔ)上，采用電流閉環(huán)控制，使實(shí)際電流快速跟隨給定值。在穩(wěn)態(tài)時(shí)，盡可能使實(shí)際電流接近正弦波形，這就能比電壓控制的SPWM獲得更好的性能。

3.4.2電流滯環(huán)跟蹤PWM調(diào)制技術(shù)電流跟蹤控制的精度與滯環(huán)的寬度有關(guān)，同時(shí)還受到功率開關(guān)器件允許開關(guān)頻率的制約。當(dāng)環(huán)寬選得較大時(shí)，開關(guān)頻率低，但電流波形失真較多，諧波分量高；如果環(huán)寬小，電流跟蹤性能好，但開關(guān)頻率卻增大了。實(shí)際使用中，應(yīng)在器件開關(guān)頻率允許的前提下，盡可能選擇小的環(huán)寬。

3.4.3電壓空間矢量脈寬調(diào)制控制技術(shù)(SVPWM)把逆變器和交流電動(dòng)機(jī)視為一體，以圓形旋轉(zhuǎn)磁場為目標(biāo)來控制逆變器的工作，這種控制方法稱作“磁鏈跟蹤控制”，磁鏈軌跡的控制是通過交替使用不同的電壓空間矢量實(shí)現(xiàn)的，所以又稱“電壓空間矢量PWM（SVPWM，SpaceVectorPWM）控制”。

空間矢量的定義三相對稱正弦電壓的瞬時(shí)值可以表示為

空間矢量的定義將空間矢量表達(dá)式展開為實(shí)部和虛部可得

電壓空間矢量可以表示為

電壓與磁鏈空間矢量的關(guān)系合成空間矢量表示的定子電壓方程式忽略定子電阻壓降，定子合成電壓與合成磁鏈空間矢量的近似關(guān)系為或

電壓與磁鏈空間矢量的關(guān)系當(dāng)電動(dòng)機(jī)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（簡稱為磁鏈圓）。旋轉(zhuǎn)磁場與電壓空間的矢量軌跡電壓矢量圓軌跡

PWM逆變器基本電壓矢量旋轉(zhuǎn)磁場與電壓空間的矢量軌跡

上橋臂導(dǎo)通下橋臂導(dǎo)通

8個(gè)基本電壓矢量PWM逆變器共有8種工作狀態(tài)當(dāng)

8個(gè)基本電壓矢量依此類推，可得8個(gè)基本空間矢量當(dāng)

開關(guān)狀態(tài)與電壓對應(yīng)關(guān)系00000000001000010011000010101001101110000000

基本電壓矢量圖電壓空間矢量圖

矢量角與扇區(qū)的關(guān)系扇區(qū)矢量角ⅠⅡⅢⅣⅤⅥ

扇區(qū)ⅠⅡⅢⅣⅤⅥ

N,A,B,C與扇區(qū)的關(guān)系序號ABCNⅠ1103Ⅱ1001Ⅲ1015Ⅳ0014Ⅴ0116Ⅵ0102

SVPWM矢量合成原理電壓空間矢量合成示意圖

SVPWM矢量合成原理作用時(shí)間滿足

由正弦定理可得

SVPWM矢量合成原理

零矢量作用時(shí)間為

SVPWM矢量合成原理兩個(gè)基本矢量作用時(shí)間之和應(yīng)滿足當(dāng)

輸出電壓矢量最大幅值

SVPWM矢量合成原理

當(dāng)定子相電壓為三相平衡正弦電壓時(shí)，三相合成矢量幅值基波相電壓最大幅值基波線電壓最大幅值

SVPWM矢量合成原理SPWM的基波線電壓最大幅值為SVPWM方式的逆變器輸出線電壓基波最大值為直流側(cè)電壓，比SPWM逆變器輸出電壓最多提高了約15%。

SVPWM波形產(chǎn)生通常以開關(guān)損耗和諧波分量都較小為原則，來安排基本矢量和零矢量的作用順序，一般在減少開關(guān)次數(shù)的同時(shí)，盡量使PWM輸出波型對稱，以減少諧波分量。

開關(guān)切換順序0-4-6-7-7-6-4-00-2-6-7-7-6-2-00-2-3-7-7-3-2-00-1-3-7-7-3-1-00-1-5-7-7-5-1-00-4-5-7-7-5-4-0

開關(guān)切換順序及其對應(yīng)的三相調(diào)制PWM波

SVPWM控制的定子磁鏈在每個(gè)小區(qū)間內(nèi)，定子磁鏈?zhǔn)噶康脑隽繛?/p>

Ｍ＝４時(shí)期望的定子磁鏈?zhǔn)噶寇壽E

SVPWM控制的定子磁鏈

定子磁鏈?zhǔn)噶康脑隽繛?/p>

7步完成的定子磁鏈定子磁鏈?zhǔn)噶窟\(yùn)動(dòng)的７步軌跡

SVPWM控制的定子磁鏈

定子磁鏈?zhǔn)噶寇壽EＭ＝４時(shí)實(shí)際的定子磁鏈?zhǔn)噶寇壽E

SVPWM控制的定子磁鏈

定子磁鏈?zhǔn)噶寇壽E定子磁鏈?zhǔn)噶寇壽E

SVPWM控制的特點(diǎn)8個(gè)基本輸出矢量，6個(gè)有效工作矢量和2個(gè)零矢量，在一個(gè)旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)，每個(gè)有效工作矢量只作用1次的方式，生成正6邊形的旋轉(zhuǎn)磁鏈，諧波分量大，導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。用相鄰的2個(gè)有效工作矢量，合成任意的期望輸出電壓矢量，使磁鏈軌跡接近于圓。開關(guān)周期越小，旋轉(zhuǎn)磁場越接近于圓，但功率器件的開關(guān)頻率將提高。

SVPWM控制的特點(diǎn)用電壓空間矢量直接生成三相PWM波，計(jì)算簡便。與一般的SPWM相比較，SVPWM控制方式的輸出電壓最多可提高15%。

3.5轉(zhuǎn)速開環(huán)/閉環(huán)變壓變頻控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)速開環(huán)變頻調(diào)速系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)滿足平滑調(diào)速的要求，但靜、動(dòng)態(tài)性能不夠理想。采用轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制可以提高靜、動(dòng)態(tài)性能，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)無靜差，但需要增加轉(zhuǎn)速傳感器、相應(yīng)的檢測電路和測速軟件等。轉(zhuǎn)速閉環(huán)轉(zhuǎn)差頻率控制的變壓變頻調(diào)速是基于異步電動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)模型的轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制系統(tǒng)。

3.5.1轉(zhuǎn)速開環(huán)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)速開環(huán)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)

3.5.1轉(zhuǎn)速開環(huán)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由于系統(tǒng)本身沒有自動(dòng)限制起制動(dòng)電流的作用，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

3.5.1轉(zhuǎn)速開環(huán)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)電壓/頻率特性當(dāng)實(shí)際頻率大于或等于額定頻率時(shí)，只能保持額定電壓不變。而當(dāng)實(shí)際頻率小于額定頻率時(shí)，一般是帶低頻補(bǔ)償?shù)暮銐侯l比控制。

3.5.2轉(zhuǎn)差頻率控制的基本概念及特點(diǎn)異步電動(dòng)機(jī)恒氣隙磁通的電磁轉(zhuǎn)矩公式將

3.5.2轉(zhuǎn)差頻率控制的基本概念及特點(diǎn)代入電磁轉(zhuǎn)矩公式

，得電機(jī)結(jié)構(gòu)常數(shù)

3.5.2轉(zhuǎn)差頻率控制的基本概念及特點(diǎn)定義轉(zhuǎn)差角頻率

電磁轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)差率s較小，轉(zhuǎn)矩可近似表示

轉(zhuǎn)差頻率控制基本思想保持氣隙磁通不變，在s值較小的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行范圍內(nèi)，異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩就近似與轉(zhuǎn)差角頻率成正比。在保持氣隙磁通不變的前提下，可以通過控制轉(zhuǎn)差角頻率來控制轉(zhuǎn)矩，這就是轉(zhuǎn)差頻率控制的基本思想。

轉(zhuǎn)差頻率控制基本思想臨界轉(zhuǎn)差

最大轉(zhuǎn)矩（臨界轉(zhuǎn)矩）

轉(zhuǎn)差頻率控制基本思想要保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，必須使

在轉(zhuǎn)差頻率控制系統(tǒng)中，系統(tǒng)允許的最大轉(zhuǎn)差頻率小于臨界轉(zhuǎn)差頻率

轉(zhuǎn)差頻率控制的基本規(guī)律用轉(zhuǎn)差頻率來控制轉(zhuǎn)矩，是轉(zhuǎn)差頻率控制的基本規(guī)律之一。恒氣隙磁通控制的機(jī)械特性

轉(zhuǎn)差頻率控制的基本思想如何保持氣隙磁通恒定，是轉(zhuǎn)差頻率控制系統(tǒng)要解決的第二個(gè)問題。保持氣隙磁通恒定，異步電動(dòng)機(jī)定子電壓

必須采用定子電壓補(bǔ)償控制，以抵消定子電阻和漏抗的壓降。

轉(zhuǎn)差頻率控制的基本思想定子電壓補(bǔ)償應(yīng)該是幅值和相位的補(bǔ)償，但控制系統(tǒng)復(fù)雜。忽略電流相量相位變化的影響，僅采用幅值補(bǔ)