自动控制系统4解析

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1、笼型异步电机变压变频调速系 统（VVVF系统） 电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统 第 6 章 学习内容 变压变频调速的基本控制方式 异步电动机电压频率协调控制时的机械 特性 电力电子变压变频器的主要类型 变压变频调速系统中的脉宽调制（PWM） 技术 基于异步电动机稳态模型的变压变频调速 异步电动机的动态数学模型和坐标变换 基于动态模型按转子磁链定向的矢量控制 系统 6.1 变压变频调速的基本控制方式 根据三相异步电机的转速表达式: n=60f1(1-s)/np 可知可知: :只要平滑的调节异步电机的供电频率只要平滑的调节异步电机的供电频率f f 1 1 , ,就可以就可以 平滑的调节异

2、步电机的转速平滑的调节异步电机的转速, ,从而实现电机的无级调从而实现电机的无级调 速速. . 表面上看起来,只要改变定子电压频率就可以调节转 速的大小了,但实际上仅改变f1并不能正常调速. 异步电机的等效电路: Es：定子全磁通感应电势 Er：转子全磁通感应电势 Eg：气隙磁通在定子每相绕组的感应电势 Eg气隙磁通在定子每相中感应电动势有效值 f1定子频率 N1定子每相绕组串联匝数 m每极气隙磁通量 kN1基波绕组系数 定子每相电动势的有效值是：定子每相电动势的有效值是： 如果忽略定子阻抗压降,则有: U U1 1 那么那么: :mm U U 1 1 4.44f4.44f 1 1N N1 1

3、 KKN1 N1 只要控制好Eg和f1，便可达到控制磁通m的目的。 因此,在控制的过程当中,最好是保证m保持不变. 根据f1的不同,可将上控制方式分为两类讨论: (1) (1) 基频以下调速基频以下调速 采用恒定的电动势频率比的控制方式采用恒定的电动势频率比的控制方式, , 为为“ “恒转矩调速恒转矩调速” ” l绕组中的感应电动势是难以直接控制的，当电动势 值较高时，可以忽略定子绕组的漏磁阻抗压降，而认 为定子相电压 U1 Eg，则得U U 1 1/f /f1 1 为恒值。为恒值。 l l 要保持要保持mm不变，当频率不变，当频率f f 1 1 从额定值从额定值f f1N 1N向下调节时 向

4、下调节时 必须同时降低必须同时降低EgEg，保证，保证Eg/fEg/f 1 1 为恒值为恒值. . (2) (2) 基频以上调速基频以上调速 基频以上，属于基频以上，属于“ “恒功率调速恒功率调速” ” l 在基频以上调速时，频率可以从在基频以上调速时，频率可以从f f1N 1N往上增高，但 往上增高，但 电压电压U U 1 1 增大，最多只能保持增大，最多只能保持U U 1 1 =U=U1N 1N。否则会使铁损 。否则会使铁损 加重加重, ,严重时会使绕组过热烧坏严重时会使绕组过热烧坏. . 此时mm降低，相当降低，相当 于弱磁升速。于弱磁升速。 f1N 变压变频控制特性 异步电机变压变频调

5、速的控制特性 恒转矩调速 Us UsN mN m 恒功率调速 mUs f1 O O f 1 UsN f 1N a 无补偿 b 带定子压降补偿 注意:低频时,U1和Eg都很小,此时定子阻抗压降占 的比重大,不能再忽略了,因此要把U1人为的抬高, 对定子压降进行补偿. Us 6.2 异步电动机电压频率协调控 制时 的机械特性 恒压恒频正弦波供电时异步电动机的机械 特性 基频以下电压-频率协调控制时的机械特 性 基频以上恒压变频时的机械特性 6.2.1 恒压恒频正弦波供电时 异步电动机的机械特性 根据电机学原理根据电机学原理, ,异步电机的电磁转矩为异步电机的电磁转矩为: : 当当S S很小时很小时

6、, ,则有则有: :TeTeS S 机械特性为直线机械特性为直线. . 当当S S接近与接近与1 1时时, ,则有则有:Te :Te 1/S 1/S 机械特性为双曲线机械特性为双曲线. . 当当S S在两者之间在两者之间, ,则机械特性从一段过度到另一段则机械特性从一段过度到另一段. . 因此因此, ,可得其机械特性如下可得其机械特性如下: : 恒压恒频机械特性 sm n n0 s Te 0 1 0 Temax Temax 6.2.2 基频以下电压-频率协调控制时 的 机械特性 由机械特性方程式可以看出，对于同一组 转矩 Te 和转速 n（或转差率s）的要求，电压 Us 和频率 1 可以有多种

7、配合。 在 Us 和 1 的不同配合下机械特性也是不 一样的，因此可以有不同方式的电压频率协 调控制。 1. 恒压频比控制（ Us /1 ） 其机械特性形状和恒压恒频机械特性形状一样. 当变频时,其同步转速为n0=601/2np,它随频率 的变化而变化. n=Sn0=60s1/2np,s1R2Te/3nP(Us/1)2,则 ,当Us/1恒定时n就恒定. TemaxTemax=1.5n=1.5n P P (U(U 1 1 / / 1 1 )2/(Rs/)2/(Rs/ 1)+(Rs/1)+(Rs/ 1 1 )2+ )2+ (L(Ll1 l1+L +Ll2 l2 )21/2, )21/2,因此当Us

8、/1恒定时,随着随着 的减小的减小 , , TemaxTemax会减小会减小. . 因此其人为机械特性如下: 机械特性曲线 O n 恒压频比控制时变频调速的机械特性 补偿定子压 降后的特性 2. 恒 Eg /1 控制 其其n n 0 0 的变化和的变化和n n的变化规律与的变化规律与恒恒Us/Us/ 1 1 控制完全控制完全 一致一致 但但Temax=1.5nP(Eg/1)2(1/Ll2 ),Temax恒定. 因此其人为机械特性如下因此其人为机械特性如下: : 机械特性曲线 O n Temax 恒 Eg /1 控制时变频调速的机械特性 3. 恒 Er /1 控制 (1) 什么是恒Er/1控制?

9、 n在实际控制中,应该把U1补偿得更高一些,把转子漏 抗上的压降也补偿掉. n这种控制方式就是恒Er/1控制,即保持转子全磁通 rm恒定.其中Er称为转子全磁通感应电动势. (2) 控制特性 n n 根据电磁转矩基本关系式得根据电磁转矩基本关系式得: : Te=3n Te=3n p p (Er/(Er/ 1 1 ) ) 2 2 s s 1 1 /R/R 2 2 n n 此时此时, ,不做任何假设不做任何假设, ,其特性曲线其特性曲线Te=Te=f(sf(s) )完全是一条完全是一条 直线直线. .如下如下: : 0 s 1 0Te 几种电压频率协调控制方式的特性比较 不同电压频率协调控制方式时

10、的机械特性 恒 Er /1 控制 恒 Eg /1 控制 恒 Us /1 控制 a b c 4几种协调控制方式的比较 （1）恒压频比（ Us /1 = Constant ）控制最容易 实现，但低速须对定子压降实行补偿。 （2）恒Eg /1 控制是通常对恒压频比控制实行电压 补偿的标准，可以在稳态时达到m = Constant，但 机械特性还是非线性的。 （3）恒 Er /1 控制可以得到和直流他励电机一 样的线性机械特性，是交流调速最理想但最复杂 的控制方式。 6.2.3 基频以上恒压变频时的机械特性 n0随着的升高而升高. Temax随着的升高而减 小. n n 其人为机械特性如下其人为机械特

11、性如下: : U1N不变,只变f(或). 机械特性曲线 恒功率调速 O 100R0 ）其输出电压U1 只取与给定电压 相反的极性,不管 大小如何,U1都是 饱和值. 2. 绝对值变换器GAB 绝对值变换器GAB的作 用：只要改变三相逆 变器输出的电压的相 序，就可以使电动机 转速改变方向。因此 ，不论转速给定信号 为正还是为负，即不 论要求正转还是反转 ，逆变器输出电压和 频率的指令值均为正 值，但是，经给定积 分器GI后的转速给定 信号却有正有负，因 此需要经过绝对值变 化器GAB将变换成只输 出其绝对值信号，来 控制逆变器的输出频 率。 3. 电压控制环节 电压控制环节一般采用电压、电流双

12、闭环的 结构，内环设电流调节器ACR用以限制动态 电流，兼起保护作用，外环设电压调节器 AVR，用以控制输出电压。电压频率控制 信号加到电压调节器上以前，应先通过函数 发生器GF，把电压给定信号提高一些，以补 偿定子阻抗压降，改善调速时（特别是低速 时）的机械特性。 由绝对值变换器GAB输出的频率指令信号分 为两路，一路通过频率控制环节控制逆变器 的输出频率，另一路通过电压控制环节控制 逆变器的输出电压。由于变频调速系统中， 频率和电压之间必须满足一定关系，为此， 二者的指令信号之间也必须满足对应的关系 ，这一关系由函数发生器GF实现。 图a中绘出了函数发生器GF的原理图，其输入信号为Uabs

13、，输 出信号为AVR的给定电压。通过调节电位器RP1和RP2能够获得 图b所示的函数特性。 4.频率控制环节 频率控制环节主要由压频变换器GVF、环 形分配器DRC和脉冲放大器AP三部分组成将 电压频率控制信号转变成具有一定频率的 脉冲列，再按六个脉冲一组依次分配给逆变 器，分别触发桥臂上相应的六个晶闸管。 l压频变换器GVF是一个由电压控制的振荡器 ，它的作用是将电压信号转变成一系列脉冲 信号，脉冲列的频率与控制电压的大小成正 比，从而得到恒压频比的控制作用。如果逆 变器输出的最高频率是f，则压频变换器应 能给出最高频率6f，以便在逆变器的一个工 作周期内发出六个触发脉冲，分别触发六个 桥臂

14、的晶闸管, 其电路见有关参考书。变频 调速系统对压频变换器的主要要求有：有较 好的电压-频率变化线性度；有较好的频率 稳定性；能方便地改变参数来调节变频范围 。 环形分配器DRC是一个具有六分频的环形计 数器，它将GVF输出脉冲类分配成六个一组 相互间隔的具有一定宽度的脉冲信号。 l脉冲放大器AP的主要任务是脉冲功率的放大和 触发脉冲宽度的保证。 在频率指令信号和压频变化器GVF之间还可加入频 率给定动态校正环节GFC。这是因为在交-直-交电 压源变频调速系统中，由于中间直流回路存在大 滤波电容，它使动态过程中电压的变化比较缓慢 ，但频率控制环节的响应却比较快，这势必造成 动态过程中压频比的大

15、幅度变化，从而引起磁通 的波动。为此，在GVF前设置GFC，其作用是让频 率的变化也慢一些（例如采用一阶惯性环节）， 使它与电压的变化在动态中基本保持一致。GFC的 具体参数只能在调试中确定。 4.频率校正环节 汇总： M 3 电压 检测 泵升 限制 电流 检测 温度 检测 电流 检测 单 片 机 显示 设定 接口 PWM 发生器 驱动 电路 URUIR 0 R 1 R 2 R b VT b K R0 R1Rb R2 二、电压源逆变器供电的转速开环系统(数 字） M 3 电压 检测 泵升 限制 电流 检测 温度 检测 电流 检测 单 片 机 显示 设定 接口 PWM 发生器 驱动 电路 URUIR0 R1 R2 Rb VTb K 常用模块及电路简介 （1）SPWM信号发生器芯片 HEF4752V 1)主激励输出 ORM1,ORM2;OYM1,OYM2;O BM1,OBM2分别接三相逆变器 的开关器件的驱动电路。 2）四个时钟输入 FCT：频率控制时钟。控制逆变 器输出频率，控制电机转速。 VCT：电压控制时钟。 RCT：频率参考时钟，控制逆 变器载波的最高频率。 OCT：输出延时时钟。 3）4个重要控制输入信号（数字 信号） I：0驱动晶体管逆变器 1驱动晶闸管逆变器 K：与OCT配合，决定延时长短。 L: 0输出调制信号被封锁 1输