第5章交流电机控制技术

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1、本讲主要内容,第五章 交流电机控制技术 5.1 交流电机调速系统基本理论 5.2标量控制 5.3矢量控制 5.4直接转矩控制 5.5变频器,交流电机 特点 结构简单、使用与维护方便 交流电机基本分类 异步交流电机和同步交流电机 异步交流电机有鼠笼式和绕线式；同步交流电机有自控式、他控式和永磁式。,使用场合 风机、水泵、压缩机、输送机,5.1 交流电机调速系统基本理论,5.1.1 研究交流电机的解耦问题的必要性 交流电机与直流电机相比，结构简单，使用维护方便，那么为什么早期交流电机调速却得不到应有的普及呢？,限制使用的四个原因,第一是数学模型，由于交流电机的特点是强耦合、时变、非线性，因此其数学

2、模型描述复杂，使得电机转矩控制困难；第二是控制器技术，需要解算的对象相对于直流电机而言复杂，要求交流电机的控制器功能强大；第三是电力电子技术，早期电力电子器件的功能难以满足交流电机对PWM的要求；第四是检测技术，早期反馈检测元件达不到交流电机调速的要求。,随着20世纪80年代微电子制造工艺技术的飞速发展，带动微处理器、电力电子元件及编码器检测技术的制造水平大幅提升，使得交流电机调速系统驱动器的瓶颈得到突破，余下的问题就是电机的模型问题，因此研究交流电机的数学模型十分必要。,5.1.2 交流电机模型,要想解决交流电机分析，就必须建立描述交流电机的方程。其方法就是要对交流电机进行解耦，要能描述交流

3、电机转速、转矩与输入电压之间的关系。描述交流电机模型需建立如下方程： 定子电压方程、转子电压方程、磁链方程、转矩方程和运动方程。,1交流电机的物理模型,1)异步交流电机的物理模型 2) 同步交流电机的物理模型,1) 异步交流电机的物理模型 图5-1所示的是异步交流电机的物理模型，其中A、B、C是定子绕组轴线，a、b、c是转子绕组轴线，是定子轴与转子轴的空间电角度，为转子转速。,2) 同步交流电机的物理模型 图5-2所示的是同步交流电机的物理模型，其中A、B、C是定子绕组轴线，转子分为直轴和交轴，uq是交轴阻尼绕组轴线，ud是直轴阻尼绕组轴线，uf是转子励磁绕组轴线。,2异步交流电机稳态等效电路

4、,图5-3所示的T型等效电路着眼点是气隙磁通m。根据图5-3可以得出下列公式：,图5-4是以气隙磁通m为中心的向量图。,因为异步交流电机的电磁转矩是由转子磁通2产生的，故本章着重于2的等效电路。 图5-4的基本思想是保持电机气隙磁场相同，折算系数a为定子绕组匝数和转子绕组匝数的比值。除了按照定子侧折算之外，还有定子磁链恒定折算法、转子磁链恒定折算法。按照转子总磁链恒定的原则，在保证转子总共磁链不变的条件下，通过控制转差就能有效控制转矩。总转子磁链恒定法是转差控制和矢量控制的理论基础。,2) 异步交流电机等效电路的通用形式,如前所述，a是折算系数，那么转子折算到定子侧的电流、电压分别为 ：,令I

5、m = I1 + I2且u2 = 0，异步交流电机以电感表示的T型稳态等效电路如图5-5所示。,3) a = Lm/L2时突出转子磁链的“T-1型”等效电路 将a = Lm/L2代入图5-5所示的转子回路，得到等效电路图5-6，简称“T-1型”等效电路，其励磁回路代表转子总回路。图5-6适用于转子磁链守恒分析，其向量图如图5-7所示。,3交流电机描述方程,假设： 三相绕组对称，即磁路对称，忽略空间谐波，磁势沿气隙圆周按正弦分布； 忽略磁饱和，各绕组的自感和互感都是线性的； 忽略铁损； 不考虑频率和温度变化对绕组的影响；,在图5-7中，IT = I2/a是电磁转矩电流，定子电流I1能够分解成为励

6、磁电流分量Im和转矩电流分量IT。向量图以2为核心，可得出转矩表达式为,无论电机转子是绕线式还是鼠笼式，都将它等效成绕线转子，并折算到定子侧，折算后的定、转子每相匝数都相等； 不失一般性地，可将多相绕组等效为空间上互差90电角度的两相绕组，即直轴和交轴绕组；对于同步交流电机转子的阻尼绕组，假设阻尼条和转子导磁体对转子直轴d、交轴q对称。,1) 异步交流电机的基本方程 定子的电压方程为 UA、UB、UC分别为A、B、C三相定子绕组电压；RA、RB、RC分别为定子绕组电阻；IA、IB、IC分别为定子绕组电流；A、B、c 分别为定子三相绕组磁链；p是微分算子。,转子的电压方程为: 式中，Ua、Ub、

7、Uc分别为a、b、c三相转子绕组电压；Ra、Rb、Rc分别为转子绕组电阻；Ia、Ib、Ic分别为转子绕组电流；a、b、c分别为转子三相绕组磁链；p是微分算子。,2) 同步交流电机基本方程 励磁绕组的电压方程为 ： Uf为同步交流电机励磁绕组电压；Rf为励磁绕组电阻；If为励磁绕组电流；f为励磁绕组磁链；p是微分算子。,直轴与交轴阻尼绕组的电压方程为： Ud、Uq分别为d、q同步交流电机转子直轴和交轴绕组电压；Rd、Rq分别为直轴和交轴绕组电阻；Id、Iq分别为直轴和交轴绕组电流；d、q 分别为直轴和交轴绕组磁链；p是微分算子。,3) 磁链方程 异步交流电机的磁链方程为 ： Lxx为系数矩阵，X

8、(A，B，C，a，b，c)，若下角标xx取值相同，则代表自感；若下角标xx取值不同，则代表互感。由此可见，矩阵对角线上的主元素LAA、LBB、LCC是定子绕组的自感，Laa、Lbb、Lcc是转子绕组的自感，LxA、LxB、LxC是定子或者转子某相绕组对其他绕组的互感。,定子漏磁通所对应的电感是定子漏感L11，转子漏磁通所对应的电感是转子漏磁L2l，如果用L1m表示与主磁通对应的定子电感，L2m表示与主磁通对应的转子电感，则定子、转子之间的自感分别为,4) 转矩方程与运动方程 转矩方程为 Te是电磁转矩；TL是负载转矩；J是转动惯量；np是电机极对数；是角速度。,5) 交流电机数学模型,5.1.

9、3 交流电机解耦分析,(2) 逆变换,Park变化的能量守恒问题,5.1.4 交流电机在两相(, )静止坐标系下的数学模型,根据Park变换的基本方法、式(5-24)、式(5-27)、式(5-28)和图5-8，求解交流电机在两相(, )静止坐标系下的数学模型，可以得出如下对应的电压、磁链、转矩方程。 (1) 三相电机在两相(, )静止坐标系下的电压方程为,5.1.5 交流电机在两相(d, q)旋转坐标系下的数学模型,5.1.6 交流电机在两相(M, T)旋转坐标系下的数学模型,(1) 交流电机在两相(M, T)旋转坐标系的电压方程为,5.2 标 量 控 制,只控制磁通的幅值大小, 不控制磁通的

10、相位，这就是异步交流电机的标量控制。由异步交流电机的稳态特性推导出的恒压频比控制法和可控转差频率控制法，都只控制变量的幅值，并且给定量和反馈量都是与相应变量成正比的直流量，因此这两种调速方法都是标量控制。,1) 恒压频比控制 在异步交流电机中，磁通m由定子磁势和转子磁势合成产生，因此要保持磁通恒定就需要费一些周折。根据交流电机学公式，三相异步电机定子每相电动势的有效值为 (5-43) 控制好Eg和f1，便可达到控制磁通m的目的，对此需要考虑基频（额定频率）以下和基频以上两种情况。,(2) 基速之下存在的问题 低频时，Us和Eg都较小，定子漏磁阻抗压降所占的比重较大，不能再忽略。这时，可以人为地

11、把电压Us抬高一些，以便近似地补偿定子压降。带定子压降的补偿和无补偿的恒压频比控制特性如图5-10所示。从图中可以看出，非线性特性曲线中，Us与的比值在高频段是成比例的，但随着频率的下降，开始出现非线性，这时电压逐渐被抬高。 在实际应用中，由于负载大小不同，需要补偿的定子压降值也不一样。在控制软件中，必须备有不同斜率的补偿特性，以供用户选择。,(3) 基速以上 在基频以上调速时，频率从f1N向上升高，由于定子电压Us绝对不可能超过额定电压UsN，最多只能保持Us=UsN，这将迫使磁通与频率成反比降低，相当于直流电机弱磁升速的情况。 把基频以下和基频以上两种情况的控制特性画在一起，如图5-9所示

12、，当f f1N时，如果电机在不同转速时所带的负载都能使电流达到额定值，即都能在允许温升下长期运行，则转矩基本上随磁通变化。按照电力拖动原理，在基频以下，磁通恒定时转矩也恒定，属于“恒转矩调速”；而在基频以上，转速升高时磁通与转矩降低，基本上属于“恒功率调速”。,2) 可控转差频率控制 标量控制除了恒压频比控制法之外，还有一种就是可控转差频率控制法。有关可控转差频率控制法详见5.2.2节。,5.2.1 电压频率协调控制的变频调速系统,由式(5-48)，当U1/1等于常数时，假如转差率S很小，那么对于同一转矩Te，不同的1带负载时的速度降n基本不变。也就是说，在恒压频比条件下改变频率时，机械特性基

13、本是平行移动的。这就是交流异步电机恒压频比控制的依据，它与直流他励电机的调压调速特性类似。当S变大时，机械特性就变软，根据式(5-46)可以导出恒压频比的机械特性曲线，如图5-11所示。其中1N是额定磁通，13 12 11 1N。频率越低，最大转矩就越小。低频时，最大转矩太小，将限制带载能力。,2) 缺陷解决方法 恒压频比的缺点是低频阶段的非线性，导致无法满足要求，详见图5-10。解决办法是在低速时，对给定电压进行补偿，以改善机械特性。图5-10中的偏置特性就是改善的压频比特性。,3恒压频比开环交流控制系统 恒压频比的开环交流控制系统框图如图5-13所示。系统由静止变频器、异步交流电机、速度设

14、定n*、压控振荡器VCO、比例器K和电压设定U0组成。 其工作原理是：的值由U0和确定，由压控振荡器VCO根据设定速度n*确定，开环系统始终确保电路实现= 常数，这样就能确保静止变频器处于恒压频比的控制方式之中。,4恒压频比闭环交流控制系统 将给定速度与实际速度比较，确定速度偏差，然后通过速度调节器，决定逆变器的频率和电压。 速度环的输出信号通过电流极限控制器来限制变频器的电压和频率的快速变化。 电流反馈只有当电机电流升到预置的最大值时才起作用，它控制逆变器电压和频率的变化率。,5.2.2 可控转差频率控制的变频调速系统,3可控转差率系统结构和机理分析 图5-17所示的是一个恒转差率双闭环调速

15、系统，外环是速度环调节器ASR，内环是电流环调节器ACR。ASR的输出是转差频率给定U*s ，而U*s是ACR的输入设定。转差频率s分两路作用在UR和CSI；一条支路通过GF，按照的大小产生相应的信号，再通过ACR控制定子电流，以保持气隙磁通m恒定。另一条支路按照s + m = 1的规律，产生对应定子频率1的控制电压U1 ， U1 = U + U*s ；当速度给定信号反向时， U*s 、 U1 、 U都反向。DPI判断U1的极性，以确定DRC的输出相序，而U1信号本身经过GAB决定输出频率的高低。,5.3 矢 量 控 制,矢量控制又称为磁场定向控制，是20世纪70年代德国和美国学者提出的。德国

16、学者Blaschke提出“感应电机磁场定向的控制原理”，美国学者Custman和Clark提出“感应电机定子电压的坐标变换控制”。这些理论的提出使得交流变频调速技术大大进步。矢量控制按照其控制模式可分为：直接磁场定向控制，以Blaschke为代表；间接磁场定向控制，以Hasse为代表。,矢量控制是一种解耦控制。通过坐标变换，它将定子电流分解成磁通分量和转矩分量，分别进行控制。矢量控制使得在动态过程中对电磁转矩进行精细的控制成为可能，从而大大提高了调速的动态性能。 在矢量控制中，定子电流被分成互相垂直的两个分量iM1、iT1，其中iM1用于控制转子磁链，被称为磁链分量；iT1用于调节电机转矩，被称为转矩分量。矢量控制的结果就是通过对定子电流分解，达到转子磁链和电磁转矩的解耦控制。,根据控制结构中是否含有转子磁通调节器，可以分为直接磁场定向控制和间接磁场定向控制。直接磁场定向控制中含有转子磁通调节器，依照转子磁通的实际方向进行定向；间接磁场定向控制则仅仅依靠