（电气工程专业论文）变频技术在供水系统中的应用.pdf

t h e a p p l i c a t i o no ff r e q u e n c yc o n v e r s i o nt e c h n o l o g y i nw a t e rs u p p l ys y s t e m a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h ef i e l d si ne l e c t r i c a p p a r a t u s ，e l e c t r o n i cs k i l l s ， c o n t r o l l i n gs k i l l sa n dc o m p u t e rs k i l l se t c ，t h et h e o r yo ff r e q u e n c yc o n v e r s i o na n d s p e e da d j u s t i n ga sw e l la st h ep r o d u c t sh a v eb e e na p p l i e di nt h ei n d u s t r yw i d e l y t h e a p p l i c a t i o no ff r e q u e n c yc o n v e r s i o na n ds p e e da d j u s t i n gi sac e r t a i nt e n d e n c yi nt h e v a r i o u sr a n k so fp u l l i n gs y s t e mo fe l e c t r i cp r e s s u r e t h i sp a p e ra n a l y z e st h et h e o r yo ff r e q u e n c yc o n v e r s i o na n ds p e e da d j u s t i n ga s w e l la sd i f f e r e n tc o n t r o l l i n gw a y s ，s u c ha sv e c t o rc o n t r o l l i n g ，d i r e c tt o r q u ec o n t r o l l i n g ， a n dv a r i o u sp w m a d j u s t i n gw a y s ，i n c l u d i n gs i n ep w m ，s p a c ev e c t o rp w m ，c u r r e n t f o l l o w i n gp w me t c ，a n ds o m ea r t i f i c i a lt e s t sh a v eb e e np a s s e d ；i ta l s oi n t r o d u c e st h e e n e r g ys a v i n gt h e o r yo ff r e q u e n c yc o n v e r s i o na n ds p e e da d j u s t i n ga n di t sp r a c t i c a l s i g n i f i c a n c e ； t h i sp a p e rp u t su pw i t ht h eg e n e r a lp r i n c i p l e sa n ds t e p so ft h es y s t e md e s i g no f f r e q u e n c yc o n v e r s i o na n ds p e e da d j u s t i n g ，i nc o m b i n a t i o nw i t ht h ec h a r a c t e ra n d f u n c t i o no ft h eg e n e r a lf r e q u e n c yc h a n g e r ；i ta l s od e m o n s t r a t e ss i m p l yh o wt oc h o o s e t h ea c t u a t i n gm o t o rw i t hf r e q u e n c yc o n v e r s i o na n dt h ev o l u m eo fg e n e r a lf r e q u e n c y c h a n g e r ；t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h eg e n e r a lw o r k i n gp r i n c i p l e sa n dp r o c e s so ft h e w a t e rs u p p l ys y s t e m ；i ta l s oi n t r o d u c e st h ed e s i g np l a n so fd r i v i n gs y s t e mo fm y c o m p a n ya tb e i s h a np r e s s u r ep r o m o t i o ns t a t i o n t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h i ss y s t e m ：h i 曲i n t e n s i t y , h i 曲 s e c u r i t ya n da u t o m a t i cc o n t r o lo v e rt h ec o n s t a n tp r e s s u r ew a t e rs u p p l yc o u r s eo f f r e q u e n c yc o n v e r s i o na n ds p e e da d j u s t i n ge c t t h i sd e s i g n g e t sal o t o fs u c c e s s f u l e x p e r i e n c ef r o ms h i d o n g g o up r e s s u r e s t a t i o n ，b a i y up r e s s u r es t a t i o na n db e i s h a np r e s s u r es t a t i o no fc h e n g d ew a t e r w o r k s ， w h i c ha l lh a v eu s e dt h i ss y s t e mf o rl o n ga n dg o tg o o dr e s u l t i ta n a l y z e st h ee n e r g y s a v i n gw h e nt h es y s t e mw o r k s t h i ss y s t e mw o r k sw e l la n dr e s p o n s e sq u i c k l y , a n di tc a ns a v ee n e r g y i th a st h e f o l l o w i n gc h a r a c t e r i s t i c sc o m p a r i n gw i t ht h et r a d i t i o n a lw a t e rs u p p l ys y s t e m ：h i g h e r q u a l i t yw a t e rs u p p l y , s t r o n g e rf l e x i b i l i t y , s m a l l e re l e c t r i cc o n s u m i n g ，s m o o t h e rb r a k e o ft h ee n g i n e ，a n dl e s ss p a c eo c c u p a t i o n ，l e s sc o s to fr a wm a t e r i a l i td e c r e a s e st h e w o r k i n gl o a da n df a u l tt oal a r g ee x t e n t s ot h ec o n s t a n tp r e s s u r ew a t e rs u p p l ys y s t e m 4 w l m 呐u 锄c y c o n v c r s o n 枷s p e e da d j u s t i n g ，w h i c hi st h em o s te c o n o m i c a lm e a n s ， 1 sw o r t h s p r e a d i n gw i t hp r o s p e r o u sp r o s p e c t a t1 a s t ，t h i sp a p e rt a l k sa b o u tt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h i s s y s t 锄a 1 1 dt 1 1 e 如t l l r e w o r k n 。w a d a y s , t h e t r a n s m i s s i 。ns y s t e r n 。f a l t e r n a t i n gs p e e de h a n g i n gh a sb e 朗t h e m a l n 蝴t d u et ot h ea d v a n t a g e so ft h eg e n e r a lf r e q u e n c y c o n v e n e r ：b r o a ds c a l e n l g hi n t e l l s i t y ，q u i c kr e s p o n s e ，h i g he f f i c i e n c y ，h i g hh o r s e p o w e r ，c o n v 饥i e n t o p e r a t i o n ， e a s yc 0 姗e c t i o nw i t ho t h e re q u i p m e n t ，i tw i l lb ea p p l i e dw i d e l y k e yw o r d s ：蛔u e i l c yc o n v e r t e r , t o r q u e ，p w m ，e n e r g ys a v i n 吕p u n l pd e c 研c a l m a c m n e + 5 插图清单 图1 1 电机耗用功率与流量的夫系6 图1 2 风机与管网阻力特6 图1 3 水泵调速节能原理7 图2 1 异步电机等值电路图1 0 图2 2 异步电机转矩特性曲线11 图2 3 整个转速范围内异步电机的转矩功率特性1 1 图2 4 恒压频比函数发生器及其补偿特性12 图2 5 转速开环、恒压频比变频调速系统原理图1 2 图2 6 维持磁通恒定1 1 与珏关系曲线13 图2 7 转差频率控制变频调速系统原理图14 图2 8 各坐标系之间的关系图15 图2 9 带速度传感器的矢量控制原理图1 6 图2 一l o 无速度传感器矢量控制原理图1 7 图2 1 1 空间电压矢量示意图1 9 图2 1 2 空间电压矢量与转矩控制2 0 图2 1 3 区段磁链电压示意图2 0 图2 1 4 直接转矩控制的结构原理图2 1 图2 1 5 带磁链控制的直接转矩控制组成原理图2 2 图2 一1 6 磁链辐值模型切换示意图2 3 图2 1 7 弱磁范围内的功率调节原理图2 3 图2 18 变频器的基本构成2 4 图2 1 9 变频器的控制与指令2 4 图2 2 0 电压和电流型变频器原理图2 5 图2 2 1 通用变频器主电路结构图2 6 图2 2 2 p w m 调制原理2 7 图2 2 3 单极性p w m 调制原理2 9 图3 1 变频器恒压供水系统31 图4 1 泵在火力发电厂的应用示意图3 3 图4 2 给水排水系统基本工艺流程图3 4 图4 3 变频调速系统框图3 5 图4 4 变频调速控制框图3 9 图4 5e c o 电气安装端子图3 9 图4 6e c o 电气安装方块图4 0 图4 7e c o 电气主接线原理图4 1 图4 8 恒压供水系统控制框图4 1 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文不包含其他人已经发表或撰写 过的研究成果，也不包含为获得 盒巴王些厶堂 或其他教育机构的学位或证书而使 用过的材料。与我一同工作的i 一志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明 并表示感谢。 学位论文作者签字： 1 埘一， 炒却 ， 签字日期：雳口) 汐年占月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解佥g 巴工些厶堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文夯蒯和借阅。本人授权 妲工些太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有天数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 轨荔 j 导师签名： 签字日期：0 棚年6 月f f 日签字日期：。& 年么月f 岬 学位论文作者毕业后去向： 丁作单位： 通讯地址： 2 电话： 邮编： 致谢 在论文写作及整个求学问，深切地感受到来自各方面的关心和帮助，能有机 会表达对他们的感谢是我真诚的愿望。 在论文完成之际，我首先要感谢我的指导老师杜少武教授，感谢他在我求学 期间以及撰写论文期间给予我的悉心指导和教育。导师扎实渊博的专业知识、严 谨的治学态度、积极进取的精神和谦逊务实的工作作风使我受益匪浅，我将永远 铭记在心。在三年的学习、工作和生活中，导师给予我的关怀和帮助令我永生难 忘。本论文从选题、撰写到修改、定稿无处不凝结着导师的心血和汗水，在此向 我的导师表示崇高的敬意和深深的感激之情! 同时，我还要感谢我的家人，以及在课题组工作期间，给予我很大帮助的同 事和朋友们，是您们无私的奉献和积极的工作才使我得以完成此项课题研究。 在今后的工作和学习生活中，我将更加勤奋，更加珍惜美好时光，决不辜负 各位老师、同学和朋友对我的信任和期望。 6 作者：孟凡莉 2 0 0 8 年4 月1 8 日 1 1 引言 第一章绪论 交流电机分为同步机和异步机两大类型，其转速表达式为： 刀：6 0 f ( 1 - s ) ( 1 - 1 ) p s = 竺型( 卜2 ) 刀o 式中疗为转子转速，厂为电源频率，s 为转差率，p 为电机极对数，n o 为电机 的同步转速，从式( 1 1 ) 可以看出，要改变电机的转速，可以通过改变电源频率f 、 极对数p 以及转差率s 三个方面来实现，各种交流电机的调速无非都是围绕着这 几个方面来考虑的。概括起来，主要有：调压调速、变极调速，电磁滑差离合器 调速、液力藕合调速、变频调速，以及适用于绕线式异步电动机的串级调速、双 馈调速和变阻调速等。 在众多调速运行的方式中，变频调速优于以往任何一种交流调速方式，已使 世界范围内的电气传动控制领域发生了根本性的变革，是当今国际上一项效益最 高、性能最好、应用最广的高新技术。它采用最新微机控制功率电子和电机传动 技术实现了工业交流电机的无级调速，它是计算机控制技术、智能控制技术( 各 种非线性控制) 、光电技术、电力电子技术，信息技术，甚至冷却技术的综合产 物。它能根据负载的变化使电机实现自动、平滑的增速或减速，在节约能源、提 高生产机械效率、优化资源的合理利用、改善电力系统供电质量等方面有着重要 的现实意义，是异步电机最理想的调速方法，是自动化电力拖动的发展方向。 变频调速，简单讲就是通过改变定子供电频率来达到电机调速的目的。由于 异步电机的同步转速与输入电源频率成正比关系，所以改变输入电源的频率就改 变了电机的同步转速，这也就达到了交流电机的调速要求。但在许多条件下，为 了保持在调速时电机的最大转矩不变，必须维持电机的磁通量恒定，因此定子的 供电电压也要作相应调节。变频器就是利用变频调速技术开发的典型产品，兼有 调频调压两种功能，通常称为v v 汗( v a r i a b l ev o l t a g ev a r i a b l ef r e q u e n c y ) 变频 器，也称作“交一直一交 交频器。其工作原理为：工频电源( a e 3 8 0 v 或2 2 0 v ， 5 0 h z ) 通过整流器部分，整流为固定的直流电压，然后应用六个大功率晶体管 ( g t o 、g t r 或i g b t ) 组成具有正弦波脉宽调制功能的三种桥式逆变器，将直流 电逆变成具有可变电压和可变频率的交流电源。由于采用了微处理器编程的正弦 波脉宽调带i j ( s p w m ) 方法，电流输出波形近似于正弦波，故可用于驱动普通型交 流异步电机或变频专用电机实现无级调速。 2 1 2 变频调速技术的发展历程 变频技术是应交流电机无级调速的需要而诞生的。2 0 世纪6 0 年代后半期 开始，电力电子器件从s c r ( 晶闸管) 、g t o ( n 极可关断晶闸管) 、b j t ( 双极型功 率晶体管) 、m o s f e t ( 金属氧化物场效应管) 、s i t ( 静电感应晶体管) 、s i t h ( 静电 感应晶闸管) 、m g t ( m o s 控制晶体管) 、m c t ( 控制晶闸管) 发展到今天的i g b t ( 绝 缘栅双极型晶体管) 、h v i g b t ( 耐高压绝缘栅双极型晶闸管) ，器件的更新促使电 力变换技术的不断发展。2 0 世纪7 0 年代开始，脉宽调制变压变频( p v m - - v v v f ) 调速研究引起了人们的高度重视，作为变频技术核心的p w m 模式优化问题吸引 着人们的浓厚兴趣，并得出诸多优化模式，其中以鞍形波p w m 模式效果最佳。 v w f 变频器的控制相对简单，机械特性硬度也较好，能够满足一般传动 的平滑调速要求，已在产业的各个领域得到广泛应用。但是，这种控制方式在低 频时，由于输出电压较小，受定子电阻压降的影响比较显著，故造成输出最大转 矩减小。另外，其机械特性终究没有直流电动机硬，动态转矩能力和静态调速性 能都还不尽如人意，因此人们又研究出矢量控制变频调速。 矢量控制变频调速的做法是：将异步电动机在三相坐标系下的定子交流电流 i a 、i b 、i c 、通过三相一二相变换，等效成两相静止坐标系下的交流电流i a l 、i n ， 再通过按转子磁场定向旋转变换，等效成同步旋转坐标系下的直流电流i m l 、 i t l ( i m l 相当于直流电动机的励磁电流，n l 相当于与转矩成正比的电枢电流) ，然后 模仿直流电动机的控制方法，求得直流电动机的控制量，经过相应的坐标反变换， 实现对异步电动机的控制。 矢量控制方法的提出具有划时代的意义。然而在实际应用中，由于转子磁 链难以准确观测，系统特性受电动机参数的影响较大，且在等效直流电动机控制 过程中所用矢量旋转变换较复杂，使得实际的控制效果难以达到理想分析的结 果。 1 9 8 5 年，德国鲁尔大学的d e p e nb r o c k 教授首次提出了直接转矩控制变频技 术。该技术在很大程度上解决了上述矢量控制的不足，并以新颖的控制思想、简 洁明了的系统结构、优良的动静态性能得到了迅速发展。目前，该技术已成功地 应用在电力机车牵引的大功率交流传动系统上。 直接转矩控制直接在定子坐标系下分析交流电动机的数学模型，控制电动机 的磁链和转矩。它不需要将交流电动机化成等效直流电动机，因而省去了矢量旋 转变换中的许多复杂计算；它不需要模仿直流电动机的控制，也不需要为解耦而 简化交流电动机的数学模型。 、l r 、，、，f 变频、矢量控制变频、直接转矩控制变频都是交一直一交变频中的 一种。其共同缺点是输入功率因数低，谐波电流大，直流回路需要大的储能电容， 再生能量又不能反馈回电网，即不能进行四象限运行。为此，矩阵式交一交变频 应运面生。由于矩阵式交一交变频省去了中间直流环节，从而省去了体积大、价 格贵的电解电容。它能实现功率因数为1 ，输入电流为正弦且能四象限运行，系 统的功率密度大。该技术目前虽尚未成熟，但仍吸引着众多的学者深入研究。 现在，变频调速技术已被国内外公认为交流调速领域里最理想调速方式， 特别是高压大功率的变频调速器的研制，具有广阔的市场前景和重要的理论研究 价值，在工业应用各相关领域，对原有传动系统进行变频改造也是势在必行，无 疑会优化资源配置，改善原有系统的运行并产生较大的经济效益。 1 3 变频调速的优点和现实意义 交流调速从用途上可以分为工艺调速和节能调速，前者如轧钢机、造纸机、 矿井卷扬机、机床、电梯等。这类生产工艺要求的调速，调速的指标较高，即要 求有宽的调速范围，小的静差率，快的动态响应。目前这类调速多采用变频变压 ( 、厂、厂、伍) 的矢量控制方式，正在发展的调速方式是直接转矩控制的变频调速。后 者如风机、泵类电机，应用量很大，节电效果很可观，可达3 0 - - 4 0 。据有 关部门统计，在我国的工业电动机负荷中，交流电机占9 0 左右，其中鼠笼型 电动机又占交流电机的9 0 以上。交流电机的负载主要是风机、泵类平方根转 矩电动设备、恒转矩电动设备、以及倒数转矩类电动设备，虽然这几类设备节能 潜力不同，但一般都在2 0 以上。 变频调速的优点是可以做到无级并精确调速，调速范围大，变频调速系统 可同时满足调速精度和节能两个要求，达到高性能、高动态、高品质的行业标准。 并且正日益向着智能化、自适应化、自诊断的方向发展，给各种实际应用带来很 大的方便和经济效益。当今微电子技术迅速发展，器件质量好，也为能供应高性 能，高可靠性，高控制精度的变频器创造了条件。 推广变频调速的现实意义： ( 1 ) 可以大大提高生产设备加工工艺精度、工艺水平、生产效率，进而提高 产品质量和数量。 ( 2 ) 节能和环保意义。泵和风机负载的耗电量约占工业总用电量的5 0 左 右。变频调速技术用于泵和风机的感应电动机，节能效果显著，可以达刭2 0 0 - 6 0 ，并且输出谐波小，对电网污染小，容易满足国际和国内标准。 ( 3 ) 减少生产机械的体积和重量，减少金属耗量和成本，增加产品竞争力。 ( 4 ) 变频调速容易实现电机的频繁起动及软启动，对电机冲击小，不需电机 降额使用，延长驱动部件的寿命。 1 4 变频调速的节能原理 变频调速各种应用中，用调节转速的方法来调节流量是最节能的，在工业 实际生产中，以流体( 气体或者液体) 的流量作为控制对象的负荷占很大比重，譬 4 如风机、泵类、压缩机等。由于流量q 与转速n 是正比关系，即： q = k e n ( 1 _ 3 ) 式中：q 一流量，单位m 3 s ，n 转速，单位r m i n ，k o 比例系数。因此，流 量是可以通过转速来调节的，而电机的耗用功率，则与负荷的机械特性有关，它 与转速的关系也因负荷的性质不同而不同，具体到平方律和恒转矩两类负荷来 说，有如下关系： 1 、平方律负载的耗用功率：在大部分风机和泵类( 萝茨风机和齿轮泵除外) 负载中，阻转矩t l 与转速n 之间的关系为： = r o + k r n 2 式中，t o 为损耗转矩，所占比例很小，可忽略，则z k t n 2 。 转矩t l 与转速n 的平方成正比。 拖动电机的耗用功率最为： p 一玎 9 5 5 0 整理以上三式可得： ( 1 4 ) 粗略的看，阻 ( 1 5 ) 尸= ! 丝+ 茎互望：( 1 - 6 ) 9 5 5 09 5 5 0 k 三 式中p o 为损耗功率，所占比例很小，忽略p o 时，则电机耗用功率与转速或 流量成三次的关系，如图1 1 中曲线所示。 2 、恒转矩负载的耗用功率：各种压缩机、萝茨风机和齿轮泵均为恒转矩负 载，基本特点是调速范围内转矩恒定不变。在忽略电机损耗功率的情况下，可推 得电机的耗用功率p l 与流量q 的关系式为： = k 尸q ( 1 - 7 ) 厶 、7 如图1 1 中曲线2 所示的线性关系。在图1 - 1 中曲线3 为采用传统的节流阀 调节流量时电机耗用功率与流量的关系曲线，显然，采用调速的方法与采用调节 阀门的方法相比，具有明显的节能效果，尤其是在平方律负载情况下。 5 “巧；一一一q 图1 1 电机耗用功率与流量的关系 曲线1 风机o 曲线 曲线2 管网阻力特性曲线 曲线3 节流阀调节时功率流量关系曲线 图1 2 风机与管网阻力特性 曲线l 平方律负载对功率流量关系曲线 曲线2 管网阻力特性曲线 卜而以水泵为例晚明调1 了转速的节能原理。 水泵的摹本参数包括流量q ( m 3 s ) 、压力h ( p a ) 、轴功率p s ( k w ) ，在考虑 水泵效牢7 ，和传动机构效二红仉的情况下，水泵的轴功率和适配电机的功率只， 分别为： k ：丝 卜器_ 。8 水泵运行时，其工作点山水泵水j ! 匿。流量曲线( h q 曲线) 与管网阻力特性曲线 h q 曲线共同决定，电机耗用功率可用二 作点与坐标轴的面积来表示，如图1 2 阴影部分所示。水泵的渊速特性见图1 - 3 衍示，具体晚明如下： 6 o 。一 ， 一 。： 。一 。 | | ， p 哪 眦 n h h h 图1 - 3 水泵调速节能原理 设水泵在设计时工作于a 点效率最高，此时输出流量q l 为1 0 0 ，轴功率 p s i 与q l 、h l 的乘积成正比，即p s l 与a h i o q l 所所包围的面积成正比。当需要 调节流量从1 0 0 0 6 0 至5 0 时，即从q l 减少到q 2 时，若采用调节阀门的办法， 则管网阻力特性由曲线2 过渡为曲线4 ，因为此时增加了管网的阻力，系统工作 点由a 点移至b 点，流量虽然降低了，但是压力增加了，水泵轴功率p s 2 与面积 b h 2 0 q 3 成正比，与p 。i 相比减少不多；若采变频调速，水泵的转速由n l 降至1 1 2 ， 此时与水泵对应的h q 特性如图1 3 曲线3 所示，水泵工作于c 点。我们可以看 出，在满足同样流量q 2 的条件下，水压大幅度降低至h 3 ，轴功率p s 3 与面积 c h 3 0 q 2 成正比，明显降低，节约的轴功率很可观。 按前面所述平方律负载的特点，在忽略功率损耗时，水泵轴功率按转速的三 次方成正比变化，如所需流量为额定流量的8 0 ，则转速也为额定的8 0 ，水 泵轴功率下降为额定功率的5 1 2 ：当水泵所需流量为额定的5 0 时，轴功率 可下降至额定功率的1 2 5 。扣除转速下降效率降低和损耗功率以及其他附加损 耗，节能效果是很显著的。 1 5 本文的主要工作和章节安排 本论文的研究对象是交频调速技术在供水系统中的应用，并结合我公司北山 加压站恒压供水系统交频设计方案设计，对变频技术在供水系统中用应用做了系 统全面的分析和研究。全文的章节安排如下：第一章绪论，简要介绍交流变频调 速的发展历程、推广变频调速的现实意义和应用变频调速的节能原理分析，以及 全文章节安排。第二章变频调速控制方案，简要介绍异步电机转矩特性和几种典 型的变频调速控制方案，如矢量控制、直接转矩控制等等，p w m 技术，介绍 变频调速器的分类和构成、一般p w m 调制理论和实现方法以及特点分析，它们 是后续章节分析和解决问题的基础，为后续变频器的选型和控制系统的组态提供 依据。第三章介绍恒压供水的基本原理，变频调速恒压供水系统的主要特点，水 泵调速方案的选择，变频调速恒压供水控制系统的结构及工作原理，恒压供水 设备容量的确定，供水扬程计算等内容。第四章我公司北山加压站恒压人供水系 7 统变频设计方察，介绍了变频调速的系统设计方法及系统完整的变频驱动设计方 案与运行分析。第五章全文总结，概述变频器应用中存在的问题及对应用前景的 展望。 8 第二章变频调速常用频率控制策略 2 1 异步电机的转矩特性 2 1 1 异步电机转矩方程 交流电机中应用最为广泛的是异步电机，根据载流导体在磁场中受力的基本 公式可以得到电机电磁转矩的公式为 互= 一n p m i ：【o 月l 。a r + i j , i b ，+ i c i 。, ) s i n0 + o 一，+ 屯屯 1 - l c l a ，) s i n ( o + 1 2 0 。) + ( 屯0 + 屯0 + i a ，) s i n ( e 一1 2 0 。) 】( 2 - 1 ) 在一般情况下，电机的转矩平衡方程式是： 互母等一等 ( 2 _ 2 ) 式中t l _ 负载阻力矩； j 一机绢的转动惯量： d 一与转速成正比的摩擦及风阻阻力矩系数； 秒一对应的电气角度； p 一电机磁极对数。 对于异步电机传动系统，转子旋转电气角速度彩， 矩也归并到负载力矩r 中去，那么转矩方程式变为： z = z 一j d c o 。 p d t = d 秒沈，把摩擦阻力 ( 2 - 3 ) 可见，异步电机是一个强的非线性系统，磁链、电压方程中系数矩阵各元素 都是时变的，求解该模型十分困难。为此在异步电机变频控制方案中，常采用各 种坐标变换，使异步电机的动态性能的分析和求解变得比较容易进行。 2 1 2 异步电机的机械特性及转矩功率特性 异步电机的变频问题需要解决好如下几个问题： ( 1 ) 维持磁通恒定 电机在额定磁通附近其性能最好，能充分利用材料。电机的转矩是由主磁通 和转子电流的相互作用产生的，转子电流受到温升的限制不能超过维持热稳定的 值，磁通减少时，会导致电机输出转矩降低；磁通增大，会使电机磁路饱和，磁 9 化曲线进入非线性区，会导致励磁电流谐波含量增加，电机损耗和发热增加。 ( 2 ) 变压变频问题 异步电机的通用等效电路如图2 1 所示，定子感应电势e l 为： e x = 4 4 4 f io m n lk n i( 2 _ 4 ) 其中n l - - 每相串联匝数，k n l 一绕组基波系数。对于给定电机，两者都为常数，因 此，要维持电机主磁通o m 的恒定，需要保持e l f l 为常数，即变频的同时需要 变压。 图2 1 异步电机等值电路图 ( 3 ) 低频定子阻抗压降的补偿问题 在实际中，由于定子电势难以测量，而定子电压反易于检测，两者满足关 系式： u l = ( r l + 豇1 ) ，l + e l( 2 5 ) 在不同频率范围内，定子电流几乎没有变化，定子阻抗压降可近似认为是恒 定的。在额定频率附近，定子阻抗压降所占地比例很小，可以忽略不计，因而我 们可以用v f , 的恒定来近似代替e l z 维持不变。但是随着频率的降低( 3 0 额 定转速以下) ，虽然定子阻抗压降变化不大，但是其在u l 中所占的比例逐渐增大， 因而e f 实际上是降低的，即磁通减小，临界转矩减小，低频时异步电机的转 矩特性如图2 - 2 ( a ) 所示。因此需要采用一定的补偿措施，抬高定子电压u l ，以维 持e f 为常数。 异步电机的转矩通用表达式为： 卜赢2差=警“m髭蠢耘nfi 【( 斛竺) 2 + ( 舻x ：) 2 】 2 t呓+ ( 国，) 其中k 。= m ，2 a 2 。p m 2 为主磁通，对于给定的电机，为常数，维持加 不变，则电机转矩仅为转差频率o ) s 的函数，即t = 厂( q ) ，其中q = s o ) l = s * 2 用f l 。 将转矩t 对弛求导，并令d t d c o 。= 0 ，得到最大临界转差率 c o 。= 呓l ；，= r 2 l 2 仃，最大i 临界转矩为： t = k m 矽2 所2 l 2 0 ( 2 7 ) 可见，最大转矩为常数，即基频以下为恒转矩调速，并且在稳态时，缎很 l o 小，转矩表达式可以简化为： t = 矽2 m 绌，7 2 ( 2 8 ) 即转矩为转差频率。函数，当转差率s 很小时，t 与( o s 成正比，此时，异步电 机的转矩特性如图2 2 ( b ) 所示。 t ( a )额定频率以下( m 变化) ；( b ) 额定频率以下( m 恒定) ；( c ) 额定频率以上 图2 2 异步电机转矩特性曲线 在基频以上，异步电机的转矩特性如图2 - 2 ( c ) 所示，此时，由于电机的电压 不能超过额定电压，因而主磁通随频率的升高有所降低；另外定子绕组阻抗随频 率的增大也有所增大。定子电流减小，所以，电机的临界转矩将减少。因为机械 频率q l 随频率升高而增加，故异步电机在基频以上的调速在一定范围内为恒功 率调速( p = f k t ) 。在更高的频率范围内，电机受机械条件的限制，功率不再保持 恒定，只能随着转速的升高而下降，p 与n 成反比。异步电机在整个频率范围内 的转矩功率特性如图2 3 所示，图中t d 曲线为负荷转矩曲线，t m 代表电机最大 转矩曲线。所以在变频调速中应考虑电机的转矩功率特性，设计整个频率范围内 的控制策略。 i 珊 过 m i i i 矬 图2 3 整个转速范围内异步电机的转矩功率特性 2 2 常用变频控制策略 2 2 1 恒压频比控制 为了维持变频调速中的压频比恒定，并且在低频时对定子压降进行补偿，常 采用图2 - 4 所示的函数发生器电路来实现，w l 用来调节初始电压的大小，w 2 调 节特性的斜率。 ，矗 ，l i影 一 a ( a )( b ) 图2 4 恒压频比函数发生器及其补偿特性 典型的转速开环、恒压频比变频调速系统原理图如图2 5 所示，采用电压和 电流闭环控制，其中虚线部分是为了补偿电压波动以及随之而来的电流频率的变 化所起的压频比变化。该系统适用于负载比较平稳的场合，但是稳定性较差。 图2 - 5 转速开环、恒压频比变频调速系统原理图 2 2 2 转差频率控制 转差频率控制是一种直接控制转矩的控制方式，它是在v f 控制的基础上， 按照知道异步电动机的实际转速对应的电源频率，并根据希望得到的转矩调节变 频器的输出频率，就可以使电动机具有对应的输出转矩。 如前所述，在保持e l f l 为常数时，电机的转矩为转差频率( o s 的函数，并 且当转差率s 很小时，t 与c o s 成正比，即可以通过改变转差率来控制电机的转 矩，并且s 一定时，变频后的机械特性曲线族为平行的直线族，如图2 - 2 ( b ) 所 示。那么转差频率控制的关键是如何保持e l f i 恒定，即维持磁通不变，保持激 磁电流i o 不变。在忽略铁芯损耗和r m 时，根据图2 1 有： 1 2 i 。= i 。一i ：， 而1 7 2 = 一e t 一e l 且，。= 一j o , l 生+ j c o , l 一 + s ，批+ 二哥徊；厂z + j c o ，( l 。+ l 7 ：，) 消去，z 可得： 2 二。毒手i 弦封 即i 。- - i 。 ( 2 - 9 ) 式中，o 为电机励磁电流，由电机参数和所要求的磁通所决定，l 。为励磁 电抗，z 为电机转子电阻折算到定子侧的值。 可见，可以通过控制定子电流i l 来维持磁通恒定，即，- = f ( c 0 0 定子i l 随 转差率按式( 2 9 ) 关系变化，这就是转差频率控制的基本思想。函数曲线见图2 - 6 所示。 。 夕 ，d ： 0 吼 图2 - 6 维持磁通恒定i i 与q 关系曲线 这种控制方式，在控制系统中需要安装速度传感器，有时还加有电流反馈， 对频率和电流进行控制，因此，这是一种闭环控制方式，可以使变频器具有良好 的稳定性，并对急速的加减速和负载变动有良好的响应特性。 图2 7 所示的转差频率控制系统又称双闭环控制系统，分为转速外环和电流 内环，给定积分器的作用是为了限制输出频率的上升速度。转速调节器的输出为 转差频率，通过由式( 2 9 ) 所决定的函数发生器以及给定激磁电流i o 得到维持磁通 恒定的电流给定值，作为电流调节器的输入。转速调节器的另一路和转速反馈得 到逆变器的输出频率。转差频率双闭环变频调速系统可以得到与直流调速近似的 动、静态特性，可用于有较高调速性能要求的场合。 图2 7 转差频率控制变频调速系统原理图 2 2 3 矢量控制技术 异步电视矢量控制产生于2 0 世纪7 0 年代的德国，最早研究矢量控制技术的 当属h a s s e 和b l a s c h k e a 。矢量控制在国际上称为磁场定向控制，即把转子的磁 场方向作为坐标轴的基准方向。矢量控制的基本思想是：应用坐标变换将异步电 机的三相系统等效为两相静止系统( 0 【1 3 坐标系) ，再经过按转子磁场定向的同步 旋转变换，等效在旋转的m t 坐标系内实现对电机定子激磁电流和转矩电流的 解耦，从而可以达到分别控制电机磁链和转矩的目的，就像直流电机的控制一样。 矢量控制变频调速系统按有无速度传感器分为带速度传感器的矢量控制系 统和无速度传感器的矢量控制系统。近年来，无速度传感器的研究吸引了众多国 内学者专家的兴趣，并且取得了较大的进步，这都得益于高速数字信号处理器在 变频调速中得到了应用，可以进行复杂的速度、磁通测算、电机实时参数辨识和 自适应控制以及参数自整定等等。 矢量控制的基本理论： 1 坐标变换 矢量控制理论需要用到值p 变换( 又称三相到两相变换) 及其反变换( 两相到 三相变换) 、旋转变换及其反变换( 又称m t 变换及其反变换) ，各坐标系之间的 关系如图2 8 所示。 1 4 f l 一 ? n ，m ，1 j 厶奄 蕾 图2 8 各坐标系之间的关系图 ( 1 ) 口一夕变换：即将三相状态量变换到等效的静止两相坐标系，口一 变换矩阵及其反变换矩阵为： 艮?，z，=厉r1。，：!李11艮?，：，=：，、男 川= 厉恒垒卜1 = 拐 l22j o 1 拈 1 ：二 一互2 1 一鱼 。2 。 2 ( 2 - 1 0 ) ( 2 ) m t 变换：m t 变换是将静止的两相坐标系变换为旋转的两相坐标系， 即将两相交流等效为两相旋转的直流，从而达到转矩控制和磁链控制的解耦。 m t 变换及其反变换的变换矩阵如下：( 下标r ，s 分别代表旋转坐标系和静止坐标 系，秒为m t 坐标系和坐标系a 轴的夹角1 1c o s 秒s i n 乡lic o s 秒一s i n 秒i g ，= llc ，= ii ( 2 一1 1 ) i s i n 秒 c o s l 5 7i ls i n 乡c o s 秒 2 异步电机的基本方程 ( 1 ) 在口一夕坐标系下的基本方程 电压与磁链方程： u 口l = r , i a l + p 恤l 坳i = 尺l 玉i + p 伽t “口2 = r 2 厶2 + p 妒2 一国伽2 坳2 = r 2 i , 2 + p 伽2 一国恤2 转矩方程：t = p ，z m ( 易厶：一i o , i p o ( 2 ) 在m t 坐标系下的基本方程 电压与磁链方程： 1 5 弘l = l 。i a t i 4 - l 。厶2 奶l = l 。如2 + l 。i p 五2 = 玩2 + 三赢 q 2 ) 伽：= l 。劾+ l ，i p 2 l = ri i i nl + p 泓l 一彩l 彬l 铂l = 尺l 玉l + p 彬l + 力l 铷l “。2 = r 2 们_ + p 2 一c o s l 1 2 “，2 = r 2 i , 2 + p 彬2 一锨协2 弘l = l ，厶l + 三。l 。m 2 l 所i = 三。玉2 + l ，玉l 五2 = 三，厶2 + 三。厶l = 沙：( 2 - 1 3 ) 彬z = 三。玉+ 三，玉：= 0 其中g _ o i 为同步旋转角频率，绌为转差频率。 转矩方程：t = p 上m ( i , , i m 2 一厶- 厶z ) 考虑到在异步电机中，转子回路短路，并且在矢量控制中，采用转子磁场定 向控制，即将转子磁链方向选为m t 坐标系的m 轴方向，即： 扰胛2 = 甜r 2 = 0 协2 = 沙2 ( 2 - 1 4 ) 泐2 = 0 r 因而我们可以得到转矩表达式：t = 胁等厶甲： l 可见，异步电机在m t 坐标系下的转矩方程与直流电机的转矩方程非常相 似，可以分别调节磁链转矩大小，获得与直流电机一样的