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1、第二节异步电动机变频调速控制系统变频调速控制系统 引 言直流电机的主磁通和电枢电流分布的空间 位置是确定的，而且可以独立进行控制， 交流异步电机的磁通则由定子与转子电流 合成产生，它的空间位置相对于定子和转 子都是运动的，除此以外，在笼型转子异 步电机中，转子电流还是不可测和不可控 的。因此，异步电机的动态数学模型要比 直流电机模型复杂得多，在相当长的时间 里，人们对它的精确表述不得要领。n好在不少机械负载，例如风机和水泵，并 不需要很高的动态性能，只要在一定范围 内能实现高效率的调速就行，因此可以只 用电机的稳态模型来设计其控制系统。n 为了实现电压-频率协调控制，可以采用转 速开环恒压频比
2、带低频电压补偿的控制方 案，这就是常用的通用变频器控制系统。转速开环型控制系统n电压/频率比控制是控制定子电压和定子频 率，使定子电压以一定的函数关系跟踪定 子频率的变化，从而在调频调速过程中近 似地保持电机气隙磁通不变的一种控制方 法。n中间直流电压可调的电压型逆变器异步 电机变频调速系统控制电路由基准部分、 整流器控制部分和逆变器控制部分组成。1、基准部分 2、整流器控制部分 3、逆变器控制部分q电压/频率比控制，无法控制异步电机的转 差频率，对于多台电动机由同一台逆变器 供电的情况，各台异步电机的转差频率一 般是不同的，即使同一台异步电机，转差 频率的大小也是随负载的大小而变化的。 是一
3、种频率（转速）的开环控制，并不能 对电机的转速进行精确的控制。转速开环型控制系统q如果变频调速系统长期处于稳定运行状态 而不需要频繁起动和制动；或者负载特性 比较固定，基本上不需要因电机特性差异 而进行调整的一类负载（风机、水泵等节 能调速），可以采用电压闭环、转速开环 的控制系统。转速开环型控制系统q电压/频率比控制时的各种稳态运行特性通 常是以转差频率为恒坐标给出的。电压/频率比控制稳态特性电压/频率比控制稳态特性电压/频率比控制稳态特性6.5.1 转速开环恒压频比控制调速系统通用变频器-异步电动机调速系统q概述现代通用变频器大都是采用二极管整流 和由快速全控开关器件 IGBT 或功率模块
4、 IPM 组成的PWM逆变器，构成交-直-交电 压源型变压变频器，已经占领了全世界 0.5500KVA 中、小容量变频调速装置的 绝大部分市场。所谓“通用”，包含着两方面的含义： （1）可以和通用的笼型异步电机配套使用； （2）具有多种可供选择的功能，适用于各种 不同性质的负载。q 下页图绘出了一种典型的数字控制通用变 频器-异步电动机调速系统原理图。1. 系统组成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URUIR0R1R2RbVTbKR0R1RbR22. 电路分析l主电路由二极管整流器UR、PWM逆 变器UI和中间直流电路三部分组
5、成，一般 都是电压源型的，采用大电容C滤波，同 时兼有无功功率交换的作用。主电路（续）u限流电阻：为了避免大电容C在通电瞬 间产生过大的充电电流，在整流器和滤 波电容间的直流回路上串入限流电阻（ 或电抗），通上电源时，先限制充电电 流，再延时用开关K将短路，以免长期 接入时影响变频器的正常工作，并产生 附加损耗。主电路（续）u泵升限制电路由于二极管整流器不能为异 步电机的再生制动提供反向电流的通路，所以 除特殊情况外，通用变频器一般都用电阻吸收 制动能量。减速制动时，异步电机进入发电状 态，首先通过逆变器的续流二极管向电容C充 电，当中间直流回路的电压（通称泵升电压） 升高到一定的限制值时，通
6、过泵升限制电路使 开关器件导通，将电机释放的动能消耗在制动 电阻上。为了便于散热，制动电阻器常作为附 件单独装在变频器机箱外边。二极管整流电流波形具有较大的谐波分 量，使电源受到污染。为了抑制谐波电流，对于容量较大的 PWM变频器，都应在输入端设有进线电抗 器，有时也可以在整流器和电容器之间串 接直流电抗器。还可用来抑制电源电压不 平衡对变频器的影响。电路分析（续）l控制电路现代PWM变频器的控制电路 大都是以微处理器为核心的数字电路，其 功能主要是接受各种设定信息和指令，再 根据它们的要求形成驱动逆变器工作的 PWM信号，再根据它们的要求形成驱动逆 变器工作的PWM信号。微机芯片主要采用 8
7、位或16位的单片机，或用32位的DSP，现 在已有应用RISC的产品出现。控制电路（续）uPWM信号产生可以由微机本身的软件产生 ，由PWM端口输出，也可采用专用的PWM生成 电路芯片。u检测与保护电路各种故障的保护由电压、电 流、温度等检测信号经信号处理电路进行分压、 光电隔离、滤波、放大等综合处理，再进入A/D 转换器，输入给CPU作为控制算法的依据，或者 作为开关电平产生保护信号和显示信号。控制电路（续）u信号设定需要设定的控制信息主要有：U/f 特性、工作频率、频率升高时间、频率下降时间 等，还可以有一系列特殊功能的设定。由于通用 变频器-异步电动机系统是转速或频率开环、恒 压频比控制
8、系统，低频时，或负载的性质和大小 不同时，都得靠改变 U / f 函数发生器的特性来补 偿，使系统达到恒定，甚至恒定的功能（见第 6.2.2节），在通用产品中称作“电压补偿”或“转矩 补偿”。补偿方法实现补偿的方法有两种：q一种是在微机中存储多条不同斜率和折线段的 U / f 函数，由用户根据需要选择最佳特性；q另一种办法是采用霍耳电流传感器检测定子电 流或直流回路电流，按电流大小自动补偿定子 电压。但无论如何都存在过补偿或欠补偿的可 能，这是开环控制系统的不足之处。控制电路（续）u给定积分由于系统本身没有自动限制起制动 电流的作用，因此，频定设定信号必须通过给定 积分算法产生平缓升速或降速信
9、号，升速和降速 的积分时间可以根据负载需要由操作人员分别选 择。综上所述，PWM变压变频器的基本控制 作用如下页图所示。近年来，许多企业不 断推出具有更多自动控制功能的变频器， 使产品性能更加完善，质量不断提高。控制电路（续）tff *ufu斜坡函数U / f 曲线脉冲发生器驱动 电路工作频 率设定升降速 时间设定电压补偿设定PWM产生图6-39 PWM变压变频器的基本控制作用 转速闭环、转差频率控制系统q为克服U/f恒定的转速开环变频调速系统的缺点 ，提高调速系统的稳态精度和动态性能，可采 用转速闭环的变频调速系统，由电力传动系统 的运动方程可知，转速的控制可通过对电动机电磁转矩T控制来实现
10、，基于此思路，提出了转差频率控制 方式。转差频率控制的基本原理由三相电机一相等值电路图可知，转子电流为定子感应电动势为式中，转差频率控制的基本原理转差频率控制的基本原理又因为 转差角频率 将（2）（3）带入转子电流I2的表达式，可得 电磁功率 转差频率控制的基本原理电磁转矩式中 式（6）说明在电动机的参数 为常数，且当磁 通 为常数时，电磁转矩仅和转差角频率有关，对 应的曲线如下：转差频率控制的基本原理对式（6）求导，并令 可求出与 无关， 与 成正比 如果wsl较小， 则可忽略 ，式(6)简化为 如图中虚线所示转差频率控制的基本原理q可见，当m 一定时，则电磁转矩T和转差 角频率wsl成正比
11、，这与直流电动机的转矩 特性Tf（Ia）十分相似，即对于异步电动 机在wslwslm范围内，如果保持m 一定， 就可以像直流他励电动机用Ia控制T那样控 制wsl来控制电磁转矩，这是转差频率控制 的基本原理。转差频率控制的基本原理q转差控制系统中控制气隙磁通恒定的方法 有直接控制和间接控制两种。q直接控制气隙磁通的方法是用检测线圈或 霍尔片检测气隙磁通，以此为反馈量进行 闭环控制，而间接控制气隙磁通的方法则 是通过控制定子电流或定子电压以控制励 磁电流，励磁电流恒定则气隙磁通恒定。转差频率控制的基本原理q对于电压型逆变系统，无论输出电压是方 波还是脉宽调制波，电流的谐波含量都比 电压谐波含量大
12、；而且在不同频率以及脉 宽调制的不同载波比时，电流谐波分量又 在很大范围内变化。因此，检测电压作为 反馈量进行控制更能提高控制的精度。 qm恒定的实现方式 通过U/fconst，低频时适当补偿定子电 阻压降的影响即可以实现恒磁通的控制。转差频率控制的基本原理系统组成FBS电 压 型 逆 变 器PWMM 3 ASR图 转差频率控制的转速闭环变压变频调速系统结构原理图 控制原理实现上述转差频率控制规律的转速闭环变 压变频调速系统结构原理图如图所示。q频率控制转速调节器ASR的输出信号 是转差频率给定 s* ，与实测转速信号 相加，即得定子频率给定信号 1* ，即 （6-66） q电压控制由 1和定
13、子电流反馈信号 I1 从微机存储的 U1 = f (1 , I1) 函数中查得定 子电压给定信号 U1* ，用 U1* 和 1* 控制 PWM电压型逆变器，即得异步电机调速所需的变压变频电源。q三角波的幅值虽然固定，但三角波的频率 却需要随着基准正弦波频率（即逆变器输 出频率或电机定子频率）的变化而变化： 定子频率降低，载波比应相应增大，否则 在低频区将导致电机谐波电流增大，引起 转矩脉动增加。q一般做法是低频时异步调制，然后转为分 段同步调制，最后直至额定定子频率时放 弃脉宽调制改为方波输出为止。转速闭环、转差频率控制系统转速闭环、转差频率控制系统q在逆变器输出电压可调 的范围内，由于可保证
14、 气隙磁通为额定值，因 此，只要改变转差频率 函数发生器特性，就可 使异步电机变频调速系 统获得不同的运行方式 以及不同的稳态运行特 性。转速闭环、转差频率控制系统q转差控制下有恒磁通、恒转矩和 恒电压、恒功率两种运行方式， 其对应的各种稳态运行特性公式 如右所示，各特性曲线图如下页 所示。转速闭环、转差频率控制系统转速闭环、转差频率控制系统转速闭环、转差频率控制系统转速开环型控制系统q基准部分由速度给定、输入限制器（速度给 定即使作阶跃式变化也能变为斜坡函数并加 以限幅）、绝对值变换器（输入极性不同， 但输出均为正值）以及正反转检测器（根据 速度给定的极性判别正反转要求）构成。q基准部分的输
15、出既作为定子电压基准，又作 为定子频率基准，还给出电机正反转指令。转速开环型控制系统q整流器控制部分由电压比较器与电压调节 器（将电压基准与实测电压进行比较和调 节以获得电流基准）、电流比较器与电流 调节器（将电流基准与实测电流量比较和 调节得到相位基准）、相位控制器（决定 整流器触发脉冲的产生与分配）和脉冲放 大器组成。q逆变器控制部分由电压频率变换器（根 据定子频率基准产生振荡脉冲）、脉冲分 配器（将振荡脉冲进行分频并按逆变器功 率器件导通顺序的要求以及正反转指令进 行脉冲分配）及脉冲放大器组成。转速开环型控制系统q基准部分由速度给定（给定速度与正、反转要求 ）、输入限制器（将输入由跃变式
16、信号变为斜坡 函数并可以限制其最大值）、转差频率函数发生 器（根据电机参数及运行方式的要求由定子频率 决定出转差频率）、绝对值变换器（使极性不同 的输入信号均变为正值）以及正、反转控制器（ 根据速度给定的极性不同，判别正、反转要求） 等组成。基准部分输入为速度给定信号，输出为 转差频率信号与正反转指令。转速闭环、转差频率控制系统q整流器控制部分由电压给定函数发生器（根据转差 频率给定值和定子频率确定定子电压给定值）、电 压比较器（将实测定子电压与给定电压进行比较） 、电压调节器（将由电压比较器来的误差信号放大 、调节后得出相位控制信号）、相位控制器（决定 整流器触发脉冲的产生与分配）和脉冲放大器等组 成。q作用：根据转差频率给定值和定子频率来调节整流 器的输出电压，从而改变电机定子电压，以保证励 磁电流为额定值，使电机气隙磁通为额定磁通。转速闭环、
