1、2020/6/20,.,1,第7章 異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速控制方式,7.1 U/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,2020/6/20,.,2,7.1 U/f控制,7.1.1 恒U/f控制,在進(jìn)行電機(jī)調(diào)速時(shí)，常須考慮的一個(gè)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(huì)造成浪費(fèi)；而如果過分增大磁通，又會(huì)使鐵心飽和，從而導(dǎo)致過大的勵(lì)磁電流，嚴(yán)重時(shí)會(huì)因繞組過熱而損壞電機(jī)。,2020/6/20,.,3,電機(jī)定子電動(dòng)勢平衡方程式：,（7-2）,（7-1）,定子每相電動(dòng)勢 ：,.,4,2020年6月20日星期六,為了保持磁通保持不

2、變，在頻率下調(diào)時(shí)，須使E1/f1=常數(shù)，但由于E1是定子反電動(dòng)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f1f1n調(diào)頻時(shí)，同時(shí)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(shí)，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。,.,5,2020年6月20日星期六,7.1.2 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=f f1n , 同時(shí)相應(yīng)調(diào)節(jié)U1，使U1= f U1n，則,設(shè)在額定頻率f1n時(shí)，定、轉(zhuǎn)子漏電

3、抗為xn = x1n + x2n, 則有,（7-3）,（7-4）,.,6,2020年6月20日星期六,圖7-1 U1/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(gè)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(shí)，最大拖動(dòng)轉(zhuǎn)矩近似不變。 3）轉(zhuǎn)速較低的情況下，Tm將明顯下降。,.,7,2020年6月20日星期六,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(shí)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(shí)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k

4、f ( f1=kf f1n )，即相對(duì)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(dòng)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(duì)額定頻率f1n以下變頻調(diào)速特性的修正,.,8,2020年6月20日星期六,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,.,9,2020年6月20日星期六,圖7-3 變頻器的U/f控制曲線,.,10,2020年6月20日星期六,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,.,11,2020年6月20日星期六,圖7-5 典型的數(shù)字控制通用變頻器-異步電

5、動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)原理圖,.,12,2020年6月20日星期六,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(dòng)態(tài)性能都有限，要提高靜、動(dòng)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,.,13,2020年6月20日星期六,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(dòng)態(tài)性能都有限，要提高靜、動(dòng)態(tài)性能需要進(jìn)行轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制。 轉(zhuǎn)差頻率

6、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,.,14,2020年6月20日星期六,（7-7）,（7-6）,（7-8）,定義s=s1為轉(zhuǎn)差角頻率，則有,（7-9）,.,15,2020年6月20日星期六,（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sm ； 2) 保持主磁通m恒定。 控制轉(zhuǎn)差角頻率s ，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）,.,16,2020年6月

7、20日星期六,7.2.2 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,.,17,2020年6月20日星期六,7.3.1 矢量控制簡介,7.3 矢量控制,眾所周知，直流電動(dòng)機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)具有優(yōu)良的動(dòng)、靜態(tài)調(diào)速特性，其根本原因在于作為控制對(duì)象的他勵(lì)直流電動(dòng)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(duì)象交流電動(dòng)機(jī)是否可以模仿直流電動(dòng)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(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩的有效控制，使異步電動(dòng)機(jī)可以像他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)那

8、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(dòng)系統(tǒng)。,.,18,2020年6月20日星期六,圖7-8 他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的物理模型,1. 與直流傳動(dòng)類比,.,19,2020年6月20日星期六,圖7-9 等效的交流電動(dòng)機(jī)繞組和直流電動(dòng)機(jī)物理模型,1. 與直流傳動(dòng)類比,.,20,2020年6月20日星期六,圖7-10 異步電動(dòng)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(dòng)勢)的

9、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)(Vector Control System)，控制系統(tǒng)的原理結(jié)構(gòu)如7-11所示。,.,21,2020年6月20日星期六,圖7-11 矢量控制結(jié)構(gòu)圖,.,22,2020年6月20日星期六,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),.,23,2020年6月20日星期六,7.4 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(dòng)機(jī)需要輸入三相正弦電流，其最終目的是在電動(dòng)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(duì)準(zhǔn)這一

10、目標(biāo)，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(Space Vector PWMSVPWM)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。,.,24,2020年6月20日星期六,7.4.1 電壓空間矢量,7.4 直接轉(zhuǎn)矩控制,交流電動(dòng)機(jī)繞組的電壓、電流、磁鏈等物理量都是隨時(shí)間變化的，分析時(shí)常用時(shí)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

11、-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,.,25,2020年6月20日星期六,（7-13）,上式表明，當(dāng)磁鏈幅值一定時(shí)，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(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。這樣，電動(dòng)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(dòng)軌跡問題。,（7-14）,（7-15）,（7-16）,（7-17）,（7-18）,.,26,2020年6月20日星期六,圖7-14 旋轉(zhuǎn)磁場與電壓空間矢量 的運(yùn)動(dòng)軌跡,圖7

12、-15 三相逆變器-異步電動(dòng)機(jī) 調(diào)速系統(tǒng)主電路的原理圖,.,27,2020年6月20日星期六,（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,.,28,2020年6月20日星期六,（7-23）,（7-24）,以U5(1，0，1)為例，由式(7-19)有壓,代人式(7-13)，得,.,29,2020年6月20日星期六,圖7-16 逆變器的電壓矢量,.,30,2020年6月20日星期六,7.4.2 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(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，如圖7-17所示。,圖7-17 異步電動(dòng)機(jī)定子磁鏈?zhǔn)噶?與電壓空間矢量,.,31,2020年6月20日星期六,圖7-18 逼近圓形時(shí)的磁鏈增量軌跡,圖7-19 兩個(gè)矢量線性組合后的電壓矢量us,.