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1、2018/10/14,1,交流部分复习,异步电动机的稳态模型：机械特性和等效电路 异步电动机调速系统分类 调压调速的机械特性和特点 变压变频调速的机械特性和特点 基频以下电压补偿控制方法及机械特性（三种） spwm控制技术及svpwm控制技术 异步电动机的动态数学模型（四个） 坐标变换（静止坐标系，旋转坐标系） 转子磁链计算（磁链模型） 矢量控制（按转子磁链定向控制：基本思想和控制原理） 直接转矩控制（按定子磁链控制）,2018/10/14,2,交流调速系统,电力拖动自动控制系统 运动控制系统,第 2 篇,2018/10/14,3,交流调速系统的主要类型,交流电机主要分为异步电机（即感应电机）
2、和同步电机两大类，每类电机又有不同类型的调速系统。现有文献中介绍的异步电机调速系统种类繁多，可按照不同的角度进行分类。,2018/10/14,4,按电动机的调速方法分类,常见的交流调速方法有： 降电压调速； 转差离合器调速； 转子串电阻调速； 绕线电机串级调速或双馈电机调速； 变极对数调速； 变压变频调速等等。,2018/10/14,5,按电动机的能量转换类型分类,从能量转换的角度上看，转差功率是否增大，是消耗掉还是得到回收，是评价调速系统效率高低的标志。从这点出发，可以把异步电机的调速系统分成三类 。 （1）转差功率消耗型 （2）转差功率馈送型 （3）转差功率不变型,2018/10/14,6
3、,两类交流调速,从控制方法上看，可以将交流调速系统分为两类： 基于交流电动机的稳态模型，其动态性能不高，是在交流调速发展初期出现的。 基于交流电动机的动态模型，能实现高动态性能，是随着客观需要和研究成果陆续开发出来的。,2018/10/14,7,交流变频调速系统主要控制方式,异步电动机交流变频调速系统主要有4种控制方式： 电压-频率协调控制方式 转差频率控制方式 矢量控制方式 直接转矩控制方式 前两种方式是依据异步电动机的稳态数学模型，仅对交流电量的幅值进行控制，也称为标量控制； 后两种方式是依据异步电动机的动态数学模型，不仅控制交流电量的幅值，还控制交流电量的相位,2018/10/14,8,
4、电力拖动自动控制系统 运动控制系统,第5章,基于稳态模型的异步电动机调速系统,2018/10/14,9,基于稳态模型的异步电动机调速,在基于稳态模型的异步电动机调速系统中，采用稳态等值电路来分析异步电动机在不同电压和频率供电条件下的转矩与磁通的稳态关系和机械特性，并在此基础上设计异步电动机调速系统。,2018/10/14,10,基于稳态模型的调速方法,常用的基于稳态模型的异步电动机调速方法有调压调速和变压变频调速两类。,2018/10/14,11,5.1 异步电动机稳态数学模型和调速方法,异步电动机稳态数学模型包括异步电动机稳态等值电路和机械特性，两者既有联系，又有区别。稳态等值电路描述了在一
5、定的转差率下电动机的稳态电气特性。机械特性则表征了转矩与转差率（或转速）的稳态关系。,2018/10/14,12,5.1.1异步电动机稳态数学模型,转差率与转速的关系,或,电动机极对数,供电电源频率,同步转速,2018/10/14,13,异步电动机稳态等效电路,图5-1 异步电动机T型等效电路,假定条件：忽略空间和时间谐波， 忽略磁饱和，忽略铁损,2018/10/14,14,异步电动机的电磁转矩（机械特性方程式 ）,异步电动机的机械特性,（5-5）,2018/10/14,15,异步电动机的机械特性,异步电动机由额定电压、额定频率供电，且无外加电阻和电抗时的机械特性方程式，称作固有特性或自然特性
6、。,图5-3 异步电动机的机械特性,2018/10/14,16,最大转矩，又称临界转矩,（5-7）,临界转差率：对应最大转矩的转差率,（5-6）,2018/10/14,17,异步电动机的调速方法,由异步电动机的机械特性方程式,可知，能够改变的参数可分为3类： 电动机参数、电源电压和电源频率（或角频率）。,（5-5）,2018/10/14,18,5.2 异步电动机调压调速,保持电源频率为额定频率，只改变定子电压的调速方法称作调压调速。 由于受电动机绝缘和磁路饱和的限制，定子电压只能降低，不能升高，故又称作降压调速。,2018/10/14,19,调压调速的基本特征：电动机同步转速保持额定值不变,气
7、隙磁通,随定子电压的降低而减小，属于弱磁调速。,2018/10/14,20,图5-5 异步电动机调压调速的机械特性,调压调速的机械特性,2018/10/14,21,临界转差率保持不变,理想空载转速保持为同步转速不变,调压调速的基本特征,临界转矩,随定子电压的减小而成平方比地下降,2018/10/14,22,5.3 异步电动机变压变频调速,变压变频调速是改变异步电动机同步转速的一种调速方法，同步转速随频率而变化,（5-24）,2018/10/14,23,1. 基频以下调速,恒值电动势频率比的控制方式,恒压频比的控制方式,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 Us E
8、g，,（5-26）,（5-27）,2018/10/14,24,低频补偿（低频转矩提升）低频时，定子电阻和漏感压降所占的份量比较显著，不能再忽略。人为地把定子电压抬高一些，以补偿定子阻抗压降。负载大小不同，需要补偿的定子电压也不一样。,带压降补偿的恒压频比控制特性,图5-9 恒压频比控制特性,a 无补偿,b 带定子压降补偿,2018/10/14,25,2. 基频以上调速,在基频以上调速时，频率从f1N向上升高，受到电机绝缘耐压和磁路饱和的限制，定子电压不能随之升高，最多只能保持额定电压不变。 这将导致磁通与频率成反比地降低，使得异步电动机工作在弱磁状态。,2018/10/14,26,变压变频调速
9、的控制特性,图5-10 异步电动机变压变频调速的控制特性,在基频以下，磁通恒定时转矩也恒定，属于“恒转矩调速” ，在基频以上，转速升高时转矩降低，基本上属于“恒功率调速”。,2018/10/14,27,5.3.2 变压变频调速时的机械特性,基频以下采用采用恒压频比控制。,对于同一转矩，转速降落基本不变 在恒压频比的条件下把频率1向下调节时，机械特性基本上是平行下移 临界转矩 Tem随着频率1的降低而减小。,2018/10/14,28,基频以上电压不能从额定值再向上提高，只能保持不变。,对于相同的电磁转矩，角频率越大，转速降落越大，机械特性越软，与直流电动机弱磁调速相似。 当角频率提高时，同步转
10、速随之提高，临界转矩Tem减小，机械特性上移，而形状基本不变，,2018/10/14,29,变压变频调速时的机械特性,图5-11 异步电动机变压变频调速机械特性,2018/10/14,30,5.3.3 基频以下电压补偿控制,在基频以下运行时，采用恒压频比的控制方法具有控制简便的优点。 但负载的变化时定子压降不同，将导致磁通改变，须采用定子电压补偿控制。 根据定子电流的大小改变定子电压，以保持磁通恒定。,2018/10/14,31,5.3.3 基频以下电压补偿控制,图5-12 异步电动机等值电路和感应电动势,三种磁通,气隙磁通在定子每相绕组中的感应电动势,定子全磁通在定子每相绕组中的感应电动势,
11、转子全磁通在定子每相绕组中的感应电动势,2018/10/14,32,5.3.3 基频以下电压补偿控制,基频以下电压补偿控制有三种不同方式。,恒定子磁通控制：,常值,恒气隙磁通控制：,常值,恒转子磁通控制：,常值,2018/10/14,33,定子电压及补偿控制的机械特性,图5-13 异步电动机在不同控制方式下的机械特性,a）恒压频比控制 b）恒定子磁通控制 c）恒气隙磁通控制 d）恒转子磁通控制,2018/10/14,34,5.4.4 电流跟踪PWM（CFPWM）控制技术,电流跟踪PWM（CFPWM，Current Follow PWM）的控制方法是：在原来主回路的基础上，采用电流闭环控制，使实
12、际电流快速跟随给定值。 在稳态时，尽可能使实际电流接近正弦波形，这就能比电压控制的SPWM获得更好的性能。,电流控制器是带滞环的比较器，环宽为2h。将给定电流与输出电流进行比较，电流偏差超过h时，经滞环控制器HBC控制逆变器上（或下）桥臂的功率器件动作。,2018/10/14,35,5.4.4 电流跟踪PWM（CFPWM）控制技术,图5-19 电流滞环跟踪控制的A相原理图,2018/10/14,36,滞环比较方式的输出电流和相电压,图5-20 电流滞环跟踪控制时的电流波形与相电压波形a) 电流波形 b) 电压波形,2018/10/14,37,5.4.5 电压空间矢量PWM（SVPWM）控制技术
13、,把逆变器和交流电动机视为一体，以圆形旋转磁场为目标来控制逆变器的工作，这种控制方法称作“磁链跟踪控制”，磁链轨迹的控制是通过交替使用不同的电压空间矢量实现的，所以又称“电压空间矢量PWM（SVPWM，Space Vector PWM）控制”。,2018/10/14,38,1. 空间矢量的定义,交流电动机绕组的电压、电流、磁链等物理量都是随时间变化的，如果考虑到它们所在绕组的空间位置，可以定义为空间矢量。定义三相定子电压空间矢量,k为待定系数,2018/10/14,39,空间矢量的合成,三相合成矢量,图5-21 电压空间矢量,定义三相定子电压空间矢量,2018/10/14,40,空间矢量表达式
14、,当定子相电压为三相平衡正弦电压时，三相合成矢量,2018/10/14,41,空间矢量表达式,以电源角频率为角速度作恒速旋转的空间矢量，幅值,在三相平衡正弦电压供电时，若电动机转速已稳定，则定子电流和磁链的空间矢量的幅值恒定，以电源角频率为电气角速度在空间作恒速旋转。,2018/10/14,42,2. 电压与磁链空间矢量的关系,当电动机由三相平衡正弦电压供电时，电动机定子磁链幅值恒定，其空间矢量以恒速旋转，磁链矢量顶端的运动轨迹呈圆形（简称为磁链圆）。,定子磁链矢量,（5-70）,定子电压矢量,2018/10/14,43,电压与磁链空间矢量的关系,图5-22 旋转磁场与电压空间矢量的运动轨迹,
15、图5-23 电压矢量圆轨迹,2018/10/14,44,3. 电压空间矢量,2个零矢量,6个有效工作矢量,幅值为,空间互差,8个基本空间矢量,2018/10/14,45,基本电压空间矢量图,图5-24 基本电压空间矢量图,2018/10/14,46,4. 正六边形空间旋转磁场,图5-26 正六边形定子磁链轨迹,在一个周期内，6个有效工作矢量顺序作用一次，定子磁链矢量是一个封闭的正六边形。,2018/10/14,47,5. 期望电压空间矢量的合成,六边形旋转磁场带有较大的谐波分量，这将导致转矩与转速的脉动。 按空间矢量的平行四边形合成法则，用相邻的两个有效工作矢量合成期望的输出矢量，这就是电压空
16、间矢量PWM（SVPWM）的基本思想。 按6个有效工作矢量将电压矢量空间分为对称的六个扇区，当期望输出电压矢量落在某个扇区内时，就用与期望输出电压矢量相邻的2个有效工作矢量等效地合成期望输出矢量。,2018/10/14,48,期望电压空间矢量的合成,基本电压空间矢量,图5-28 期望输出电压矢量的合成,期望输出电压矢量与扇区起始边的夹角,的线性组合构成期望的电压矢量,2018/10/14,49,期望电压空间矢量的合成,在一个开关周期 T0,图5-28 期望输出电压矢量的合成,的作用时间,的作用时间,合成电压矢量,2018/10/14,50,期望电压空间矢量的合成,由正弦定理可得,解得,零矢量的作用时间,2018/10/14,51,6. SVPWM的实现,
