异步电机矢量控制变频调速系统.doc

河南理工大学毕业设计（论文）说明书摘 要 现代电力电子技术及计算机控制技术的迅速发展，促进了电气传动的技术革命。交流调速取代直流调速，计算机数字控制取代模拟控制己成为发展趋势。交流电机调速是当今节约电能、改善生产工艺流程、提高产品质量，以及改善运行环境的一种主要手段。本文正是以三相异步电动机为研究对象，从电动机调速的实质出发，对异步电机的矢量控制策略进行了研究。本文的主要工作可以分为以下三个部分：首先，介绍了交流调速及其相关技术的发展现状和发展趋势，以及交流调速系统的主要控制策略，分析了异步电机的数学模型及其矢量控制原理，根据矢量控制原理给出了交流异步电机矢量控制系统总体设计方案及其控制策略，并进行了相关控制仿真。 其次，矢量控制通过坐标变换将异步电动机转化为直流电动机的模型，将励磁电流分量与转矩电流分量解耦，以更方便的控制异步电动机。再次，PWM变频器采用了PWM控制方式。它是指输出波形的半个周期内发生多个脉冲，使各脉冲的等值电压为正弦波形，使输出的波形含各次谐波成分少。关键词：异步电动机；矢量控制；交流调速；PWM变频调速Abstract With the development of modem power electronics and control technology based on computer,the technical revolution of electrical drive is promotedIt is a trend that AC drive replaces DC drive and computer-aided digital control takes the place of traditional analog contro1contro1Speed-adjusting has become the major mean to improve energy efficiency,the production processes，quality of products and operational environmentTherefore，this paper researched on the asynchronous motor,and the vector control system of speed-adjusting was establishedThe strategy of vector control for asynchronous motor was researched and implemented in this paper The main work of this paper can be divided into three parts：Firstly,this paper induced the current condition and future trend of AC speedadjustment system and its main control strategies，analyzed the mathematical model of asynchronous motor and the principle of vector control，gave the general control scheme and strategy for asynchronous motor speed regulation according to the principle of vector contro1Besides，simulation had been conducted in this paper .Secondly,vector control can get through coordinate change in order to change asynchronous motor to be the modle of DC motor,and decompose field curret ponderance and torque curret ponderance ,so as to control asynchronous motor easily. Thirdly,PWM inverter using PWM control mode. It refers to that the output waveform of the half cycle pulse occurred more than make the equivalent of the pulse voltage sine wave, the output waveform with the low harmonic components.Key words: asynchronous motor ；vector control ；AC speed regulation；PWM variable frequency speed regulation38目 录1 引言11.1 课题的研究背景与意义11.2 交流变频调速相关技术的发展现状22 交流调速的方案选择42.1 交流调速的主要方式42.1.1 变极调速42.1.2 变转差率调速42.1.3 变频调速52.2 变频调速的控制方式52.2.1 恒压频比控制62.2.2 矢量控制72.2.3 直接转矩控制73 异步电动机的矢量控制原理83.1 矢量控制的提出83.1.1 磁场定向控制的基本思想83.1.2 坐标变换原理93.2 异步电动机的动态数学模型123.2.1 坐标变换在异步电动机中的应用133.3 间接转子磁场定向的矢量控制系统174 变频调速的简单介绍184.1 变频调速的构成184.1.1 静止式变频装置简介194.1.2 电压源和电流源变频器214.1.3 PWM变频器225 异步电动机的矢量控制变频调速系统245.1 异步电动机变频矢量控制系统的实现245.2 矢量控制变频调速仿真模型255.2.1 系统的子模块简介265.2.2 系统的仿真结果285.2.3 简要分析326 总结33致谢35参考文献36附录：异步电机的矢量控制调速系统图381 引言矢量控制理论由德国的FBlaschke于1971年提出矢量控制技术的应用使得交流调速真正获得了如同直流调速同样优良的理想性能。由于异步电动机的数学模型是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统，通过坐标变换，可以使之降阶并化简，但并没有改变其非线性、多变量的本质。通常的变频调速系统的控制量是交流电机的定子电压的幅值和频率以及定子电流的幅值和频率，它们都是标量，故称为标量控制系统。在标量控制系统中，只能按电机稳态运行规律进行控制，不能控制任意两个磁通势矢量的大小和相对位置，转矩控制性能差。各种标量控制系统均企图通过控制转差角速度来控制转矩，这只有在转子磁链不受转差角速度影响的条件下才能实现，但是，这一要求在标量控制系统中无法满足。对于电压控制控制系统通过维持电压频率比不变，在稳态，上述关系正确，但在暂态中，仅在电压或电流矢量的瞬时方向也满足上定要求时转子磁链才不受转差角速度的影响。标量控制系统中只控制了大小，没控制瞬时方向，不能使转子磁链和转差角速度解耦，转矩响应是一阶振荡环节。欲改善转矩控制性能，必须对定子电压或电流实施矢量控制，既控制大小，又控制方向。一个矢量通常用它在坐标系上的两个分量来表达，交流电机的所有矢量(磁通势、磁链、电压、电流等)都在空间以同步速旋转，它们在定子坐标系(静止系)上的各分量，都是交流量，控制和计算不方便。借助于坐标变换，使人从静止坐标系进入同步旋转坐标系站在旋转坐标系上看电动机各分量都是直流量，可以很方便的从统一转矩出发，找到转矩和被控矢量各分量间的关系，实时地算出转矩控制所需的被控矢量各分量的值。1.1 课题的研究背景与意义能源需求正极大地影响着全球经济发展。我国同样也面l临着经济增长对能源需求的压力。21世纪，我国高耗能产品的耗能量比世界先进水平高40以上，能源综合利用效率仅为32。因此，我国迫切需要提高能源利用效率。电动机是能源消耗大户，我国电动机耗电占全国耗电量的60以上，其中小型三项异步电动机耗电约占35，是耗电大户。然而，我国的电动机无论是自身效率还是实际运行效率却普遍比较低。中小型电动机的平均效率为87，比国际先进水平要低5左右，而实际运行效率更是要低20左右。直至目前，我国各类在用电动机80以上还是中小型异步电动机。交流电动机，特别是鼠笼异步电动机，由于结构简单、制造方便、价格低廉，而且坚固耐用、运行可靠、很少需要维护、可用于恶劣环境等优点，在工农业生产中约占电气传动总容量的80，且绝大部分为不调速传动。这里所说的不调速，并不是没有这样的需要，只是由于调速困难且附加装置昂贵，所以只能退而求其次罢了。例如风机、水泵等工业机械，按生产和工艺要求，需要调节风量与流量，理论上讲应该通过调节电动机的转速来实现，但实际使用的却是利用挡板阀门或者放空的办法来调节。这种方法带来的直接后果是极大地浪费了电力资源。国家“十一五规划要求2010年末，单位GDP能耗1：15，2005年下降20，我国在电动机节能领域有非常大的潜力。异步电动机早期的调速方法调速范围小，效率低，造成能源的浪费。交流电动机高效调速方法的典型是变频调速，所以，研究异步电动机高性能的调速控制方法是十分必要的。矢量控制理论完全能够满足国民经济发展对交流调速系统提出的宽调速范围，快速响应性能，高精度和稳定性的要求，如今矢量控制理论已经应用到家用电器、车辆交通、航空航天、军工及医疗设备的各个领域中，具有较好的应用前景。1.2 交流变频调速相关技术的发展现状交流变频调速技术发展和许多技术的发展密切相关，涉及到电动机制造、电力电子器件、变换器电路、电子信号处理技术、古典和现代控制理论、计算机辅助设计等众多学科领域；交流高性能调速的实现有赖于电力电子技术、PWM变频技术、电机控制等核心技术的突破。变频调速是通过变频器来实现的，对于变频器的容量确定至关重要。合理的容量选择本身就是一种节能降耗措施。根据现有资料和经验，比较简便的方法有三种。 对于可调速的电力拖动系统，工程上往往根据电动机电流形式分为直流调速系统和交流调速系统两类。它们最大的不同之出主要在于交流电力拖动免除了改变直流电机电流流向变化的机械向器整流子。 20世纪70年代后，大规模集成电路和计算机控制技术的发展，以及现代控制理论的应用，使得交流电力拖动系统逐步具备了宽的调速范围、高的稳速范围、高的稳速精度、快的动态响应以及在四象限作可逆运行等良好的技术性能，在调速性能方面可以与直流电力拖动媲美。在交流调速技术中，变频调速具有绝对优势，并且它的调速性能与可靠性不断完善，价格不断降低，特别是变频调速节电效果明显，而且易于实现过程自动化，深受工业行业的青睐。 交流变频调速技术在工业发达国已得到广泛应用。美国有60%-65%的发电量用于电机驱动，由于有效地利用了变频调速技术，仅工业传动用电就节约了15%-20%的电量。2 交流调速的方案选择关于电动机调速的概念，以前在直流电动机调速中讲过，即所谓电动机调速，是指用人为的方法，改变电气参数，在负载转矩不变条件下，得到不同的转速。2.1 交流调速的主要方式根据电机学原理知识，可以得到异步电动机的转速公式为： (2-1) 由式(21)可以看出，可以从下列三个方面来调节异步电动机的转速：其一是改变电动机定子绕组的极对数，称为变极调速；其二是在电动机中旋转磁场的同步转速恒定时，调节转差率，称为变转差率调速；其三是改变供电电源频率，称为变频调速。2.1.1 变极调速在恒定的频率下，改变电动机定子绕组的极对数，就可以改变旋转磁场和转子的转速。通常利用改变绕组接法，使一套定子绕组具备两种极对数而得到两个同步转速，称为单绕组双速电机；也可以在定子内安放两套独立的绕组，从而做成三速或四速电机。优点包括：具有较硬的机械特性，稳定性好；无转差损耗，效率高；接线简单、控制方便，易维修、价格低。缺点包括：变级调速的级差较大，不能平滑地调速；如果是绕线型异步电动机，当定子绕组改变极对数时，转子绕组也必须相应地改变其极对数，很不方便，因此应用范围有限。2.1.2 变转差率调速变转差率调速实现方法众多，例如调压调速、转子串电阻调速、串极调速和滑差离合器调速等方法。异步电动机的输出功率的表达式为：其中 一电磁转矩； 一电机旋转磁场的速度； 一旋转磁场的同步速度； 一转差率。式中称为交流电动机的转差功率，这一部分功率主要消耗在转子阻抗上。因此，当增大时，电动机的损耗也将会增大。由此可以看出，相对于变极调速，调节电动机转差率调速是一种耗能的调速方法，属于低效率的调速方式。2.1.3 变频调速当改变电动机定子电源的频率时，电动机的同步转速将随频率正比变化，于是转子转速将随之而变化，这种通过改变电源频率实现的速度调节称为变频调速。如果电源频率可以连续调节，则电动机的转速就可以连续、平滑地调节。在转矩恒定时，基本不变，异步电动机的输出功率与输入电磁功率成比例变化，损耗基本没有增加，是高效率的调速方法。交流变频调速的优异特性如下： (1)调速时平滑性好，效率高。低速时，特性静关率较高，相对稳定性好。 (2)调速范围较大，精度高。 (3)起动电流低，对系统及电网无冲击，节电效果明显。 (4)变频器体积小，便于安装、调试、维修简便。 (5)易于实现过程自动化。 (6)必须有专用的变频电源，目前造价较高。 (7)在恒转矩调速时，低速段电动机的过载能力大为降低。 从上述比较可以看出，与变极调速和变转差率调速相比，变频调速可在宽广的范围内实现无级调速，并可获得很好的起动和运行特性，是一种效率比较高的调速方法。2.2 变频调速的控制方式目前，交流异步电动机所采用的变频调速控制方式有恒压频比控制、矢量控制以及直接转矩控制等方式，下面分别予以介绍。2.2.1 恒压频比控制恒压频比控制是交流电动机较简单的一种控制方法，通过控制过程中始终保持V/F为常数从而保证转子磁通的恒定。对异步电动机进行调速控制时，希望电动机的主磁通保持额定值不变。磁通太弱，铁心利用不充分，同样的转子电流下，电磁转矩小，电动机的负载能力下降；磁通太强，则处于过励磁状态，使励磁电流过大，会导致电机铁芯热损耗增大，其输出效率下降，绕组绝缘度降低，甚至有烧毁电机的可能。异步电动机的主磁通是定、转子合成磁动势产生的，下面说明如何是主磁通保持恒定。定子绕组的电动势是定子绕组切割旋转磁场磁力线的结果，本质上是定子绕组的有感应电动势。其三相异步电动机定子每相电动势的有效值是： （2-2）式中： 一主磁通在定子每相中感应电动势的有效值；一与绕组结构有关的常数； 一定子频率； 一定子每相绕组串联匝数； 一每极主磁通量；由式(22)知，的值是由和共同决定的，对和进行适当的控制，就可以使主磁通保持额定值不变。(1)基频以下变频调速控制的基本方式由式(22)可知，为了保持电动机的负载能力，应保持主磁通不变，即要求降低供电频率的同时降低感应电动势，使=常数，即采用电动势与频率之比为常数的控制方式。当电动势的值较高时，可以忽略定子绕组的漏磁阻抗压降，而认为定子相电压，则得=常数。这就是恒压频比的控制方式，属于恒转矩调速方式。当频率较低时和都变小，定子阻抗压降不能再忽略。这种情况下，可以人为地适当提高定子电压以补偿定子电阻压降的影响，使主磁通基本保持不变。(2)基频以上变频调速控制的基本方式在基频以上调速时，频率由额定值往上增高，但电压的限制不能再升高，最多只能保持。这将迫使主磁通随频率的升高而降低，相当于直流电动机弱磁升速的情况，属于近似的恒功率调速方式。2.2.2 矢量控制由于恒压频比控制是一种开环的控制方式，速度动态特性较差，电机转矩利用率低，控制参数(如加减速度等)还需要根据负载的不同来进行相应的调整，特别是突加负载时，电机转速无法快速恢复到给定值，系统极易发生振荡现象。恒压频比控制方式的控制思想建立在异步电动机的静态数学模型上，因此动态性能指标不高。对于轧钢，造纸等对动态性能要求较高的应用，可以采用矢量控制变频器。下面对矢量控制变频技术作详细的介绍。2.2.3 直接转矩控制直接转矩控制(DTC)也是一种转矩闭环控制方式，克服了坐标变换和解耦运算的复杂性，直接对转矩进行控制，通过转矩误差、磁通控制误差，按一定的原则选择逆变器的开关状态，控制施加在定子端的三相电压，调节电机的转速和输出功率，达到控制电机转速的目的。由于DTC直接着眼于转矩，对转子参数变化表现为状态干扰而非参数干扰，在某种程度上而言，DTC方法比矢量控制方法具有较高的鲁棒性。但是DTC也存在不足之处，其最大的困难就在于低速性能不理想.3 异步电动机的矢量控制原理3.1 矢量控制的提出由电机学可知，直流电机的转矩方程为：其中是直流电动机的转矩常数，由于电刷和换向器的作用，使得磁极下面的电枢电流方向固定不变，励磁电流决定了磁通方向，磁通与电枢电流之间互成90的正交关系，在电路上互不影响，可进行独立控制。通过控制电枢电流就可以实现转矩的控制。异步电动机的转矩方程为：其中是异步电动机的转矩常数，磁通与转子电流之间是既不成直角关系又不相互独立的两个变量，转子电流不仅与磁通有关，还与转速有关，即交流调速的电枢和励磁是耦合的，不像直流电动机那样可以进行独立控制。以上特点说明了异步电动机是一个高阶、非线形、强耦合的多变量系统，其气隙磁通、转子电流和转子功率都是转速的函数，非常难以直接控制。因此，在动态中精确的控制电机转矩较直流电机要难很多。矢量控制系统是在1971年由德国和美国分别提出的，联邦德国西门子公司的FBlaschke等提出“感应电机磁场定向的控制原理”，美国的ECCustman和AAClark提出“感应电机定子电压的坐标变换控制。矢量控制原理是通过坐标变换的方法，将异步电动机定子电流矢量 分解成产生磁场的电流分量(励磁电流) 和与之相互垂直的产生转矩的电流分量(转矩电流) ，把固定坐标系变换为旋转坐标系解耦后，交流量的控制即变为直流量的控制，就与直流电动机相同了。简言之，矢量控制是把定子电流作为具有垂直分量的空间矢量来处理的，因此又称为异步电动机磁场定向控制。3.1.1 磁场定向控制的基本思想 异步电动机磁场定向控制的基本思想就是把交流电动机的转矩控制模拟成直流电动机的转矩控制。 直流他励电动机结构上的特点是励磁绕组是静止不动的，通入励磁电流后，产生的主磁场在空间上也是静止不动的。电枢电流通过电刷及换向器注入电枢绕组，电枢绕组是转动的，但由于电刷和换向器的作用，使其电枢磁场在空间上也是静止不动的，因此，可用一个等效的静止绕组来代替实际的电枢绕组。这个等效静止绕组的轴线和励磁绕组轴线是互相垂直的，所以实际的直流他励电动机可以用等效模型来代替。 直流他励电动机无论处于稳态或动态时，它所产生的电磁转矩都是。由于励磁绕组轴线和等效静止电枢绕组轴线相互垂直，忽略电枢磁势对主极磁通的影响时，便可以认为主磁通仅与励磁电流有关。如果励磁电流恒定，则调节控制电枢电流就能实现对电磁转矩的控制。3.1.2 坐标变换原理用一组新变量（如电压、电流等）代替是基本方程中的实际变量，这种变量变换就是坐标变换。坐标变换遵循的原则是在不同的坐标系下产生的磁动势相同。3.1.2.1静止三相/二相坐标变换（3S/2S） 静止三相/二相两个坐标系如图3-1所示.取二相坐标系中的轴和三相坐标系中的A轴重合，并设每相绕组的磁动势为正弦分布；三相系统每相绕组的有效匝数，二相系统每相绕组的有效匝数为；某瞬间的磁动势大小如图3-1所示。图3-1 三相/二相坐标系与绕组的磁动势当进行三相二相坐标变换时，三相总磁动势应该和二相总磁动势相等，两套绕组顺势总磁动势在轴上的投影都应相等，即 在功率不变的条件下，最终得到，从三相静止坐标系A、B、C系变换到两相静止坐标系、的变换式为 (3-1)式（3-1）同样适用于电压和磁链的变化。在坐标和坐标系统中，坐标系是静止不动的，而电流、电压和磁链确是交变的。3.1.2.2坐标系与坐标系之间的2S/2R变换静止的两相坐标系统与磁场定向的MT同步旋转两坐标系统之间的变换称为二相/二相变换，简称2S/2R所示.如图3-2所示。图3-2 二相静止和旋转坐标系与磁动势空间矢量图3-2中轴、轴和矢量 ()都以同步角速度旋转，分量和的大小不变，相当于和绕组的直流磁动势，因为设定各绕组中的匝数都相同时，在磁动势中的匝数可以消去而直接标上电流轴和轴静止不动，分量和却随时间而变化，相当于和绕组中的交流磁动势的瞬时值。轴和轴之间的夹角是随时间而变化的，而轴和转子总磁链空间矢量方向重合，由图可见 最终得到从两相静止坐标系、系变换到两相旋转坐标系、系的变换公式 （3-2）式（3-2）也适合电压和磁链。电压和磁链的旋转变换矩阵也与电流的旋转变换矩阵相同。3.1.2.3三相静止到任意两相旋转坐标系的变换（3S/2R） 3S/2R变换可利用前述相同的方法推导出来，也可用已推导出的3S/2S和2S/2R推导出来，下面由后一种方法可以推导出三相ABC坐标系到二相旋转d-q坐标系的变换式为 （3-3） 3.2 异步电动机的动态数学模型异步电动机的数学模型是一个高阶、非线性和强耦合的多变量系统。这是因为首先异步电动机在进行变频调速时，电压和频率之间必须进行协调控制，故输入变量有电压和频率。而在输出变量中，除转速以外，由于在调速过程中必须保持磁通为恒定，所以磁通也是一个控制量，而且是一个独立的输出量。再考虑异步电动机是三相的，所以异步电动机的动态数学模型是一个多输入、多输出的系统；而电压、频率、磁通、转速之间又相互影响，所以它是一个强耦合的多变量系统。其次，异步电动机的电磁转矩是磁通和电流相互作用产生的，旋转感应电动势是转速和磁通相互作用产生的，因此，在动态数学模型中含有两个变量的乘积项，再考虑磁饱和的因素，所以异步电动机的动态数学模型是一个非线性系统。最后，由于异步电动机定、转子三相绕组中的电流产生的磁通存在电磁惯性，转速的变化存在机械惯性等因素，所以异步电动机的动态数学模型是一个高阶系统。下面在研究异步电动机动态数学模型时，假定条件为： (1)异步电动机任何结构的定子、转子绕组都等效为对称三相绕组，各相电流产生的磁势在气隙中呈正弦分布;(2)不计磁路饱和，各相绕组的自感和互感都是恒定的；(3)不计铁芯损耗； (4)不计温度和频率变化对电动机绕组参数的影响。三相异步电动机的数学模型包括电压方程、磁链方程、转矩方程和运动方程等。而在不同的坐标系中表示形式也不同，以下分别讨论。3.2.1 坐标变换在异步电动机中的应用电机的相关变量和参数的定义如下：、：定、转子电阻；、：定、转子漏感；：定、转子间的互感；、：定、转子自感，；：转子时间常数；：电机转子的电气角速度；、：、轴定子电压；、：、轴转子电压；、：、轴定子电流：、：、轴转子电流； 、 ：、q轴定子电压； 、 ：、q轴转子电压；、：、轴定子电流：、：、轴转子电流；、：、轴励磁电流；、：、轴定子磁链；、：、轴转子磁链；、：、轴定子磁链；、：、轴转子磁链；、：、轴主磁链；：电磁转矩：负载转矩；：电机极对数；：机组转动惯量。矢量控制中异步电动机的物理模型，如图3-3所示。其中，定子三相绕组轴线A、B、C在空间是固定的，以A轴为参考坐标轴，转子绕组a、b、c随转子旋转，转子a轴和定子A轴之间的电角度为空间角位移变量。图3-3 三相异步电动机物理模型异步电动机定子通过三相电流、和两相彼此垂直的电流、可产生等效的旋转磁场。因而三相电流、和两相电流、之间存在着确定的矢量变换关系。以产生同样的旋转磁场为准则，在三相定子坐标系下的定子电流、通过32相坐标变换可以等效成两相静止坐标系下的交流电流、。再通过按转子磁场定向的旋转变换，可以等效成同步旋转坐标系下的直流电流、。实质上就是通过数学变换把三相异步电机的定子电流分解成两个分量，一个是用来产生旋转磁势的励磁分量，另一个是用来产生电磁转矩的转矩分量，异步电动机的几个坐标系之间的关系，如图3-4所示。图3-4 异步电动机的坐标系这样就实现了定子电流励磁分量与转矩分量之间的解耦，从而达到对交流电机的磁通和转矩分别控制的目的。dq绕组相当于直流电机的励磁绕组和电枢绕组，电机在同步旋转坐标系d、q上的物理模型，如图3-5所示。 图3-5 同步旋转坐标系上的异步动电机物理模型因为这些被控矢量在物理上不存在，还必须再经过坐标变换，从旋转坐标系回归到静止坐标系，把上述直流给定量变换成物理上存在的交流给定量，在定子坐标系对交流量进行控制，使其实际值等于给定值。 3.2.1.1异步电动机在二相静止坐标系上的数学模型电压方程如下：磁链方程为：转矩方程：3.2.1.2异步电动机在在任意两相旋转坐标系中的数学模型异步电动机在旋转时，按转子磁场定向的d、q坐标系上的数学模型。此时，d轴与转子磁场方向重合。转子磁通d轴分量为，q轴分量为0。电压方程：磁链方程：转矩方程：运动方程：3.3 间接转子磁场定向的矢量控制系统另外一个重要问题是转子磁场定向问题，电流矢量从静止坐标到旋转坐标变换时必须知道旋转坐标与静止坐标之间的转角。有直接转子磁场控制和间接法转子磁场定向控制。直接转子磁场控制是通过直接利用霍尔传感器等测量或者由磁通观测器估计出来，这种方法在实际应用上不如间接法矢量控制广泛。间接法转子磁场定向控制又称作磁通前馈控制。其实质是利用电机电压、电流、转速的信息，通过电流模型法或者电压模型法计算出磁通的幅值和相位。在异步电机的转差频率矢量控制中，如果能保证转子磁通的大小恒定不变，则只要确定电机转子的角速度以及根据需要的转矩推算出转差角频率，就可以得出转子磁通的同步角速度，从而实现间接磁场定向控制。4 变频调速的简单介绍在第二章已介绍过变频调速系统，但只是略带而过，在本章将给予详细介绍。变频调速技术是现代电力传动技术的重要发展方向，而作为变频调速系统的核心变频器的性能也越来越成为调速性能优劣的决定因素，除了变频器本身制造工艺的“先天”条件外，对变频器采用什么样的控制方式也是非常重要的。本文从工业实际出发，综述了近年来各种变频器控制方式的特点，并展望了今后的发展方向。4.1 变频调速的构成要实现变频调速，必须有频率可调的交流电源，但电力系统却只能提供固定频率的交流电，因此需要一套变频装置来完成变频的任务。历史上曾出现过旋转变频机组，但由于存在许多缺点而现在很少用。现在的变频器都是由大功率电子器件构成的。相对于旋转变频机组，被称为静止式变频装置，它们是构成变频调速系统的中心环节。一个变频调速系统主要由静止式变频装置、交流电动机和控制电路三大部分组成，如图4-1所示。图4-1 变频调速系统的构成图4-1中，静止式变频装置的输入是三相或单相恒频、恒压电源，输出则是频率和电压均可调的三相交流电。至于控制电路，一般来说，变频调速系统要比直流调速系统和其他交流调速系统复杂得多，这是由于被控对象感应电动机本身的电磁关系以及变频器的控制均较复杂所致。因此变频调速系统的控制任务大多是由微处理机承担的。变频调速系统的具体结构、形式很多，本章将选择常用的典型系统予以介绍。4.1.1 静止式变频装置简介在图4-1所示的变频调速系统中，静止式变频装置是系统的中心环节，它的任务是把频率和电压恒定的电网电压变成频率和电压可调的交流电，这样的装置通称为变压变频装置。从结构上看，静止式变频装置可分为间接变频和直接变频两类。间接变频装置先将工频交流电源通过整流器变成直流，然后再经过逆变器将直流变换为可控频率的交流（简称交-直-交变频器），因此又称有中间直流环节的变频装置。直接变频装置则将工频交流一次变换成可控频率的交流，没有中间直流环节。目前应用较多的还是间接变频装置，本章主要以间接变频装置为例说明变频的工作原理。4.1.1.1间接变频装置的构成图4-2绘出了间接变频装置的主要构成环节。按照不同的控制方式，它又可分成图4-3中的（a）（b）（c）三种。图4-2 间接变频装置（交-直-交）(a)（b）(c)图4-3 间接变频装置的各种结构形式1用可控整流器变压、变频器变频调压和调频分别在两个环节上进行，两者要在控制电路上协调配合。这种装置结构简单，控制方便，输出环节用由晶闸管（或其他电子器件）组成的三相六拍变频器（每周换流6次），但由于输入环节采用可控整流器，在低压深控时电网端的功率因数较低，还将产生较大的谐波成分，一般用于电压变化不太大的场合。2直流斩波器调压、变频器变频采用不可控整流器，保证变频器的电网侧有较高的功率因数，在直流环节上设置直流斩波器完成电压调节。这种调压方法有效地提高了变频器电网侧的功率因数，并能方便灵活的调节电压，但增加了一个电能变换环节斩波器，该方法仍有谐波较大的问题。3变频器自身调压、变频采用不可控整流器，通过变频器自身的电子开关进行斩波控制，使输出电压为脉冲列。改变输出电压脉冲列的脉冲宽度，便可达到调节输出电压的目的。这种方法称为脉宽调制（Pulse Width ModulationPWM）。因采用不控整流，则功率因数高；用PWM逆变，则谐波可以大大减少。谐波减少的程度取决于开关频率，而开关频率则受器件开关时间的限制。若仍采用普通晶闸管，开关的频率并不能有效的提高，只有采用全控型器件，开关频率才得以大大提高，输出波形几乎可以得到非常逼真的正弦波，因而又称正弦波脉宽（SPWM）变频器，该变频器将变频和调压功能集于一身，主电路不用附加其他装置，结构简单，性能优良。成为当前最有发展前途的一种结构形式。4.1.2 电压源和电流源变频器从变频电源的性质上看，变频器又可分为电压源变频器和电流源变频器两大类。1电压源变频器对于交直交变频器，当中间直流环节主要采用大电容滤波时，直流电压波形比较平直，在理想情况下是一种内阻抗为零的恒压源，输出交流电压是矩形波或阶梯波，称为电压源变频器，或称为电压型变频器。如图4-4所示，采用大容量电容器滤波是电压源变频器的特征。图4-4 电压型变频器主电路2电流型变频器 当交直交变频器的中间直流环节采用大电感滤波时，直流回路中的电流波形比较平直，对负载来说基本上为一个恒流源，输出交流电流是矩形波或阶梯波，称为电流源变频器，如图4-5所示，或称为电流型变频器。采用大电感滤波是电流源变频器的特征。图4-5 电流型变频器主电路 采用电感为中间滤波环节时，可以迅速改变变流器输出电压极性而进入逆变工作状态。对电动机负载而言，可方便的实现再生制动，多用于要求频繁启、制动的场合。电流型变频器具有主电路结构简单、动态响应快、便于实现过流保护等优点，但不适合在较大滞后无功功率负载下运行。4.1.3 PWM变频器 20世纪70年代以前，变频器的逆变器大都采用无自关断能力的晶闸管，它只负责调节频率，电压的调节则由可控的晶闸管整流器来完成。这种变频器的输出交流电压谐波成分较大，使负载电动机的谐波损耗增加，效率较低、温度升高，且转矩脉动较大，使振动和噪声增大。20世纪70年代后期，出现了脉冲宽度调制（PWM）方式和相应的变频器。图4-6 PWM变频器的主电路图4-6所示为PWM变频器的主电路。电网的三相交流电压经二极管整流桥整流，并经滤波后成为直流电压。逆变器由六只具有自关断能力的主开关元件组成桥式电路，输出三相交流电压；与主开关元件反向并联的续流二极管的作用，提供感性负载无功功率的通路。M为感应电动机。控制电路用来控制逆变器各开关元件的开关状态，使逆变器输出正负交变的三相脉宽调制电压波。 改变控制电路所生调制信号的大小，就可以改变调制后逆变器输出脉冲的宽度，从而改变A相电压及其基波的大小；改变调制信号的频率，A相电压基波的频率亦随之改变。换言之，变频器的逆变器既可完成调压，又可完成调频工作。B相和C相与A相相同，但相位互差120。控制方式对电压型或电流型变频器都适用。目前，脉宽调制变频器已成为感应电动机的通用变频调速装置。5 异步电动机的矢量控制变频调速系统5.1 异步电动机变频矢量控制系统的实现 交流异步电动机变频矢量控制系统，如图5-1所示，此系统为转差频率矢量控制方式，按转子磁场定向的异步电动机矢量控制框图。首先将角速度指令和的偏差信号送至速度调节器，速度调节器的输出为转矩给定指令值；计算出转矩电流给定值；由磁通给定值算出励磁电流给定值；其中和则由电机实际电流经过坐标变换得到，PG是增量式编码，用来测量电动机的转速。d、q轴电流、通过电流模型法算出。给定电流值、经过坐标反变换得到定子三相电流指定值、。在电流调节部分，由电流给定指令值和实时检测所得的三相电流实际值的偏差信号送至电流调节器，电流调节器的输出即为IGBT逆变器的控制信号，这样就得到了异步电动机变频调速矢量控制系统。图5-1 交流异步电动机变频矢量控制系统5.2 矢量控制变频调速仿真模型 使用SimPowerSystems工具箱，在环境下建立异步电动机矢量控制系统仿真模型，如图5-2所示。图5-2 异步电机矢量控制系统仿真模型系统速度调节器（ASR）的输出信号是转矩给定。在Calculation模块中，根据转矩给定和转子磁通Phir来计算得出定子电流的转矩分量，显然是给定值。DQ-ABC模块完成从d、q坐标系到ABC三相定子坐标系的变换，在这个模块中，根据定子电流d、q在坐标系中的分量，经过旋转变换，得出电动机定子的三相绕组电流的给定值，在电流调节器（ACR）模块中采用是滞环控制原理来实现电流的调节，使得实际电流随跟定电流的变化。Teta Calculation模块的作用是计算角，也就是d轴的位置。DQ-ABC环节的作用是根据角，将实际的电动机定子电流变换得到d、q坐标系中的分量和。Calculation模块的作用是根据转子磁通Phir计算定子电流的励磁分量。5.2.1 系统的子模块简介 1Calculation子模块此子模块的作用是计算定子电流在d、q坐标系下的q分量的给定值。其内部构造如图5-3所示。图5-3 Calculation子模块2DQ-ABC子模块 DQ-ABC子模块是根据定子电流在d、q坐标下的分量，经过旋转变换得出电动机定子的三相绕组电流的给定值（2/3变换），变换过程如图5-4所示。图5-4 DQ-ABC子模块3Teta Calculation子模块Teta Calculation子模块是计算角，也就是d轴的位置，计算过程如图5-5所示。图5-5 Teta Calculation子模块4ABC-DQ子模块 ABC-DQ子模块完成从ABC三相定子坐标系到d、q坐标系的变换(3/2变换)，在这个模块中，根据定子电流在ABC三相定子坐标系下的分量，经过旋转变换，得出电动机定子电流在d、q坐标系下的转矩分量和励磁分量。模块的构造如图5-6所示。图5-6 ABC-DQ子模块5Calculation子模块此子模块的作用是根据转子磁通来计算定子电流的励磁分量，模型如图5-7所示。图5-7 Calculation子模块6Current regulator（电流调节器）在这个仿真模块中采用是滞环控制原理来实现电流的调节，使得实际电流随跟定电流的变化。滞环型PWM逆变器的工作原理，如图5-7所示。图5-8 滞环电流跟踪型PWM逆变器原理图当给定电流值与反馈电流值的瞬时值之差达到滞环宽度正边缘时，逆变器的开关管VT1导通，开关管VT4关断，电动机接通直流母线的正端，电流开始上升。反之，当给定电流值与反馈电流值的瞬时值之差达到滞环宽度负边缘时，逆变器的开关管VT1关断，开关管VT4导通，电动机接通直流母线的负端，电流开始下降。其中，滞环宽度设为20。5.2.2 系统的仿真结果设置异步电动机参数如下：线电压380；额定频率50；定子内阻0.087；转子内阻0.228；定、转子互感34.7；极对数为2。将逆变器直流电源设为780。仿真方法选择为fixed-step（固定步长）。仿真时间设为06s。给定转速为120。运行此模型得到系统的输出，包括电机转速、电磁转矩、A相定子电流。如下图5-9、5-10和5-11所示。1.当电机空载时，电机转速输出电机转矩输出A相定子电流输出图5-9 系统的输出2.当负载转矩为100时，电机转速输出电机转矩输出A相定子电流输出图5-10 系统的输出3.当负载转矩由100转变为200时，电机转速输出电机转矩输出A相定子电流输出图5-11 系统的输出5.2.3 简要分析当电机空载时，从图5-9可以看出在开始启动的瞬间，定子电流的峰值可达到450，在恒转矩启动阶段，定子电流基本保持在约为150。恒转矩启动阶段的大约时间为0.7。在恒转矩启动阶段，转矩保持在极限值300，这个极限值是在速度调节器参数表中设定的。速度约在0.9时上升到最大值，在约1.9时达到稳态值，稳态转子角速度为120。由图5-10和5-11可以看出，当负载增加时，恒转矩启动阶段的时间稍有增加，定子电流变大，虽然速度达到最大值的时间稍有增加，但达到稳态值的时间与空载时大致相同，最终稳定在角速度为120rad/s。6 总结2010年3月，我开始了我的毕业论文工作，时至今日，论文基本完成。从最初的茫然，到慢慢的进入状态，再到对思路逐渐的清晰，整个写作过程难以用语言来表达。历经了几个月的奋战，紧张而又充实的毕业设计终于落下了帷幕。回想这段日子的经历和感受，我感慨万千，在这次毕业设计的过程中，我拥有了无数难忘的回忆和收获。 3月初，在与导师的交流讨论中我的题目定了下来，是：异步电动机的矢量控制调速系统仿真。当选题报告，开题报告定下来的时候，我当时便立刻着手资料的收集工作中，当时面对浩瀚的书海真是有些茫然，不知如何下手。我将这一困难告诉了导师，在导师细心的指导下，终于使我对自己现在的工作方向和方法有了掌握。 在搜集资料的过程中，我认真准备了一个笔记本。我在学校图书馆，工程技术图书馆搜集资料，还在网上查找各类相关资料，将这些宝贵的资料全部记在笔记本上，尽量使我的资料完整、精确、数量多，这有利于论文的撰写。然后我将收集到的资料仔细整理分类，及时拿给导师进行沟通。 4月初，资料已经查找完毕了，我开始着手论文的写作。在写作过程中遇到困难我就及时和导师联系，并和同学互相交流，请教专业课老师。在大家的帮助下，困难一个一个解决掉，论文也慢慢成型。 4月底，论文的文字叙述已经完成。5月开始进行相关图形的绘制工作和电路的设计工作。为了画出自己满意的电路图，我仔细学习了visio的绘图技术。在设计电路初期，由于没有设计经验，觉得无从下手，空有很多设计思想，却不知道应该选哪个，经过导师的指导，我的设计渐渐有了头绪，通过查阅资料，逐渐确立系统方案。方案中的变频调速的控制方式（特别是矢量控制）、交流调速技术是我以前没有接触过的的知识。 当我终于完成了所有打字、绘图、排版、校对的任务后整个人都很累，但同时看着电脑荧屏上的毕业设计稿件我的心里是甜的，我觉得这一切都值了。这次毕业论文的制作过程是我的一次再学习，再提高的过程。在论文中我充分地运用了大学期间所学到的知识。 我不会忘记这难忘的3个多月的时间。毕业论文的制作给了我难忘的回忆。在我徜徉书海查找资料的日子里，面对无数书本的罗列，最难忘的是每次找到资料时的激动和兴奋。这段旅程看似荆棘密布，实则蕴藏着无尽的宝藏。我从资料的收集中，掌握了很多异步电动机、交流调速方式、变频调速的控制方式、滞环控制原理等