1、第四章基于穩(wěn)態(tài)模型的異步電動機調(diào)速系統(tǒng),一、變壓變頻調(diào)速的基本原理： 1、異步電動機穩(wěn)態(tài)數(shù)學模型： 3個假設條件：忽略空間和時間諧波；忽略磁飽和；忽略鐵損。 電動機T型等效電路：圖4-1,一般情況下，Lm比Lls大得多，因此，忽略勵磁電流（斷開Lm支路），獲得電動機簡化等效電路：圖4-2，根據(jù)簡化電路可以獲得電路方程和機械特性方程。 電路方程： 折合到定子側轉子相電流：式（4-1），簡化方程：式（4-2） 機械特性：式（4-3）、圖4-3 臨界轉差率sm：式（4-4） 最大轉矩Tem：式（4-5）,2、變壓變頻調(diào)速基本原理： 變壓變頻調(diào)速是改變同步轉速的一種調(diào)速方法。 為達到良好的控制效果，常

2、采用電壓頻率協(xié)調(diào)控制。 三相異步電機定子的相電動勢的有效值是： 式中，Eg:氣隙磁通在定子每相中感應電罷勢有效值； f1:定子頻率； Ns:定子每相繞組串聯(lián)匝數(shù)； kNs:基波繞組系數(shù)； m:每極氣極隙磁通量，單位為Wb。 只要控制好Eg和f1，便可達到控制磁通m的目的。,（1）基頻以下調(diào)速: 保持m不變，當頻率f1從額定值f1n向下調(diào)節(jié)時，必須同時降代Eg，使 Eg/f1=常數(shù) 即采用恒定的電動勢頻率的控制方式。 Eg難于控制，當Eg較大時，忽略定子繞組漏磁阻壓降，使： U1/f1=常數(shù) 恒壓頻比控制方式 調(diào)速中和Ia均不變 恒轉矩調(diào)速,(2) 基頻以上調(diào)速 在基頻以上調(diào)速時，頻率可以從f1

3、n往地增高，f1N增加時，U1不能比UIN更高，最多只能保持U1=UIN 這樣迫使m和f成反比降低，即相當于直流電機的弱磁升速。屬于恒功率調(diào)速 (3) 電壓頻率協(xié)調(diào)控制：,（4）電壓頻率協(xié)調(diào)控制下的機械特性 恒壓恒頻時的機械特性： 臨界轉矩：,在基頻f1N以下采用恒壓頻比控制時，電磁轉矩可改寫為： s很小時，忽略分母中所含各項，則Te與s成正比， n與Te成正比（P.140）?？梢?，當Us/1為恒值時，對于同一轉矩Te，n基本不變。即在恒壓頻比條件下改變頻率1時，機械特性基本上是平行下移的近似直線。 臨界轉矩可改寫為： 臨界轉矩隨1的降低而減小。見圖4-6。,在基頻f1N以上變頻調(diào)速時，Us=

4、UsN，機械特性可寫為： 臨界轉矩可寫為： 可見，當頻率提高時，同步轉速隨之提高，臨界轉矩減小，機械特性上移。見圖4-6,二、交流PWM變頻技術 1、變頻器： 由電力電子器件構成的靜止式功率變換器。由主回路（包括整流器、中間直流環(huán)節(jié)、逆變器）和控制回路組成。,分類：交-直-交變頻器：,交-交變頻器：,交-直-交變頻器主電路結構： 圖4-10 交-直-交變頻器主電路結構（L濾波） 現(xiàn)代變頻器多采用脈寬調(diào)制技術（PWM）。基本思想：控制逆變器中電力電子器件的開通或關斷，輸出電壓為高度相等、寬度按一定規(guī)律變化的脈沖序列。 （1）正弦脈沖寬度調(diào)制（SPWM）： （2）電流跟蹤PWM（CFPWM） （3

5、）電壓空間矢量PWM（SVPWM）,2、SPWM正弦波脈寬調(diào)制： 1964年，德國的A.Schnung提出了脈寬調(diào)制變頻的思想，把通訊系統(tǒng)中的調(diào)制技術應用于交流變頻。 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，當調(diào)制波與載波相交時，由它們的交點確定逆變器開關器件的通斷時刻，從而獲得高度相等、寬度按正弦規(guī)律變化的脈沖序列。,三相SPWM變頻器電路原理： 三相SPWM逆變器雙極性SPWM波形分析如圖4-12。 普通SPWM變頻器輸出電壓帶有一定的諧波分量。為降低諧波分量，減少電動機轉矩脈動，在SPWM基礎上衍生出“消除指定次數(shù)諧波”的PWM控制技術。

6、,3、電流跟蹤PWM（CFPWM）控制技術： SPWM控制目標：輸出電壓接近正弦波，電流因負載而異。 CFPWM控制目標：使輸出電流接近正弦波。 CFPWM跟蹤控制：圖4-13。把希望輸出的電流波形iA*作為指令信號，把實際波形iA作為反饋信號，通過兩者的瞬時值比較來決定逆變電路各開關器件的通斷，使實際的輸出跟蹤指令信號變化 控制方法：在原主電路基礎上采用電流閉環(huán)控制（電流滯環(huán)跟蹤），使實際電流快速跟隨給定值，穩(wěn)態(tài)時實際電流接近正弦波形。,基本原理(以A相為例）: 把指令電流iA*和實際輸出電流iA的偏差iA*-iA作為滯環(huán)比較器的輸入，通過比較器的輸出控制器件VT1和VT4的通斷。 VT1（

7、或VD1）通時，i增大 VT4（或VD4）通時，i減小 通過環(huán)寬為2h的滯環(huán)比較器的控制，iA就在iA*+DI和iA*-DI的范圍內(nèi)，呈鋸齒狀地跟蹤指令電流iA*。,參數(shù)的影響： # 滯環(huán)環(huán)寬對跟蹤性能的影響：環(huán)寬過寬時，開關頻率低，跟蹤誤差大；環(huán)寬過窄時，跟蹤誤差小，但開關頻率過高，開關損耗增大。 # 電抗器L的作用：L大時，i變化率小，跟蹤慢； L小時，i變化率大，開關頻率過高。 電路特點： （1）硬件電路簡單； （2）實時控制，電流響應快； （3）不用載波，輸出電壓波形中不含特定頻率的諧波； （4）閉環(huán)控制，是各種跟蹤型PWM變流電路的共同特點。,三相電流跟蹤型PWM逆變電路：,4、交流

8、PWM變頻器-電動機系統(tǒng)的特殊問題：,PWM變頻器的輸出電壓是一系列等高不等寬的脈沖序列。該脈沖序列可以分解為基波和一系列諧波分量，基波產(chǎn)生恒定的電磁轉矩，而諧波分量則會帶來一些負面效應。 （ 1）轉矩脈動： 三相對稱電壓的PWM波可用傅氏級數(shù)表示（式4-81）故三相電流也可以用基波和諧波分量表示（式4-82），其諧波分量產(chǎn)生脈動轉矩（式4-86）。k次諧波產(chǎn)生相應的轉矩分量。K越大，諧波電流較小，脈動轉矩不大，可忽略。 PWM控制時，應抑制脈動轉矩分量。 （2）電壓變化率： 電動機由三相平衡電壓供電時，線電壓UAB的變化率,采用PWM方式供電時，線電壓的跳變幅值為Ud，幾乎在瞬間完成，因此電

9、壓變化率非常大。 過大的電壓變化率將在電動機繞組產(chǎn)生較大的漏電流，不利于電動機正常運行；還將產(chǎn)生很大的電磁輻射，對其他儀器設備造成電磁干擾。 采用多重化技術，可有效降低電壓變化率，但變頻主回路和控制回路都將復雜的多。 （3）能量回饋與泵升電壓： 電動機工作在回饋制動狀態(tài)時，機械能轉換為電能，因PWM為不控整流，單向性造成直流側電壓升高。 （4）對電網(wǎng)的污染： 存在較大的濾波電容，交流電壓大于電容電壓時，才有充電電流通過輸入電流呈脈沖形狀，存在很大諧波分量，電源受污染。,三、 轉速開環(huán)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)： 如圖為系統(tǒng)結構原理圖。UR是可控整流器，用電壓控制環(huán)節(jié)控制它的輸出直流電壓；USI是電壓源逆

10、變器，用頻率控制它的輸出頻率。電壓和頻率控制采用同一個控制信號Uabs，以保證二者協(xié)調(diào)。,由于轉速控制是開環(huán)的，系統(tǒng)本身沒有自動限制啟、制動電流的作用，即不能讓階躍的轉速給信號U*直接加到電壓和頻率控制系統(tǒng)上，否則將產(chǎn)生很大的沖擊電流而使電源跳閘。為了解決這個問題，在給定信號U*和電壓、頻率的控制信號Uabs 之間設置了給定積分器GI和絕對值變換器GAB。 該調(diào)速系統(tǒng)的機械特性如圖4-6。在負載擾動下，轉速開環(huán)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)存在轉速降落，屬于有靜差調(diào)速系統(tǒng)，調(diào)速范圍有限，常用于調(diào)速性能要求不高的風機、水泵類場合。,數(shù)字控制通用變頻器-異步電動機調(diào)速系統(tǒng)：,主電路：由二極管整流器UR、PWM逆

11、變器UI和中間直流電路三部分組成，一般都是電壓源型的，采用大電容C濾波，同時兼有無功功率交換的作用。 限流電阻：為了避免大電容C在通電瞬間產(chǎn)生過大的充電電流，在整流器和濾波電容間的直流回路上串入限流電阻（或電抗），通上電源時，先限制充電電流，再延時用開關K將短路，以免長期接入時影響變頻器的正常工作，并產(chǎn)生附加損耗。 泵升限制電路：由于二極管整流器不能為異步電機的再生制動提供反向電流的通路，所以除特殊情況外，通用變頻器一般都用電阻吸收制動能量。減速制動時，異步電機進入發(fā)電狀態(tài)，首先通過逆變器的續(xù)流二極管向電容C充電，當中間直流回路的電壓（通稱泵升電壓）升高到一定的限制值時，通過泵升限制電路使開關

12、器件導通，將電機釋放的動能消耗在制動電阻上。為了便于散熱，制動電阻器常作為附件單獨裝在變頻器機箱外邊。,進線電抗器 ：二極管整流器雖然是全波整流裝置，但由于其輸出端有濾波電容存在，因此輸入電流呈脈沖波形，這樣的電流波形具有較大的諧波分量，使電源受到污染。為了抑制諧波電流，對于容量較大的PWM變頻器，都應在輸入端設有進線電抗器，有時也可以在整流器和電容器之間串接直流電抗器。還可用來抑制電源電壓不平衡對變頻器的影響。 控制電路：現(xiàn)代PWM變頻器的控制電路大都是以微處理器為核心的數(shù)字電路，其功能主要是接受各種設定信息和指令，再根據(jù)它們的要求形成驅動逆變器工作的PWM信號，再根據(jù)它們的要求形成驅動逆變

13、器工作的PWM信號。微機芯片主要采用8位或16位的單片機，或用32位的DSP，現(xiàn)在已有應用RISC的產(chǎn)品出現(xiàn)。,PWM信號產(chǎn)生：可以由微機本身的軟件產(chǎn)生，由PWM端口輸出，也可采用專用的PWM生成電路芯片。 檢測與保護電路：各種故障的保護由電壓、電流、溫度等檢測信號經(jīng)信號處理電路進行分壓、光電隔離、濾波、放大等綜合處理，再進入A/D轉換器，輸入給CPU作為控制算法的依據(jù)，或者作為開關電平產(chǎn)生保護信號和顯示信號。 信號設定：需要設定的控制信息主要有：U/f 特性、工作頻率、頻率升高時間、頻率下降時間等，還可以有一系列特殊功能的設定。由于通用變頻器-異步電動機系統(tǒng)是轉速或頻率開環(huán)、恒壓頻比控制系統(tǒng)

14、，低頻時，或負載的性質和大小不同時，都得靠改變 U / f 函數(shù)發(fā)生器的特性來補償，使系統(tǒng)達到恒定，甚至恒定的功能（見第6.2.2節(jié)），在通用產(chǎn)品中稱作“電壓補償”或“轉矩補償”。,四、轉速閉環(huán)轉差頻率控制的變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)： 1、系統(tǒng)結構：,圖4-38有2個轉速反饋控制。 內(nèi)環(huán)：正反饋，將轉速調(diào)節(jié)器ASR（PI調(diào)節(jié)器）的輸出信號（給定轉差頻率s*）與實際轉速相加，得到定子給定頻率信號1*，同時由1*和當前定子電流Is求得定子電壓給定信號Us*,用Us*和1*控制PWM變頻器，即得到異步電動機調(diào)速所需的定子電壓和頻率。 外環(huán)：由于內(nèi)環(huán)正反饋是不穩(wěn)定結構，需設置轉速負反饋外環(huán)，才能使系統(tǒng)穩(wěn)定運行。,2、轉差頻率控制系統(tǒng)的特點： 在調(diào)速過程中，實際頻率1隨著實際轉速同步地上升或